PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO PARA EL CÁLCULO DE LAS...

TRABAJO FIN DE GRADO

GRADO DE INGENIERÍA EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

Autora: Ana Sánchez Muñoz

Tutor: José Manuel Salmerón Lissén

Co-tutor: José Sánchez Ramos

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ENERGÉTICA

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

SEPTIEMBRE, 2014

PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO PARA

EL CÁLCULO DE LAS PRESTACIONES

MEDIAS ESTACIONALES DE LOS

SISTEMAS HIDRÓNICOS CON

ACUMULACIÓN MEDIANTE BOMBAS DE

CALOR A GAS

2

AGRADECIMIENTOS

A mi madre, la que me ha ayudado incondicionalmente durante toda la carrera en todos los aspectos, le

debo lo que soy y lo que tengo. A mi hermana y mis abuelos, por ser, con mi madre, el pilar de mi vida.

Gracias a Pepe, por estar conmigo en todos aquellos momentos en los que lo he necesitado y por su

comprensión infinita.

También a Elena, mi amiga y compañera, por dar siempre lo mejor de ella.

No olvido a mis amigas de siempre, mis segundas hermanas a las que nunca quiero echar de menos.

Gracias al Grupo Termotecnia por ofrecerme la posibilidad de haber realizado este proyecto con todas

las herramientas necesarias para ello, en especial a mi co-tutor José Sánchez, por su dedicación y

paciencia durante todo el desarrollo del trabajo fin de grado.

3

RESUMEN

En este proyecto se ha desarrollado un procedimiento simplificado para calcular las

prestaciones de las demandas medias estacionales en todos aquellos sistemas hidrónicos

que posean en sus esquemas una bomba de calor a gas. Se ha realizado mediante la

automatización de los cálculos de todos los parámetros necesarios para conocer el

comportamiento de cada máquina en cada emplazamiento y sujeta a unas condiciones

climáticas concreta. Además, tras este procedimiento se ha llevado también el desarrollo

de una herramienta denominada ASM SDGTOOL la cual puede ofrecer esos resultados

de una forma rápida y sencilla para que el consumidor no tenga que someterse al tedioso

proceso de cálculo de todos esos parámetros.

4

ÍNDICE DE CONTENIDOS

Pág.

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 12

1.1. ANTECEDENTES ......................................................................................................................... 12

1.2. LA CALEFACCIÓN: PRINCIPAL DESTINO DE LA ENERGÍA CONSUMIDA EN LOS HOGARES............................... 13

1.2.1. LA CALEFACCIÓN SOLAR ................................................................................................... 14

1.2.2. CLASIFICACIÓN ................................................................................................................. 15

1.2.3. FUTUTO PROMETEDOR DE LA ENERGÍA SOLAR ............................................................... 21

1.2.4. GAS NATURAL COMO FUENTE DE ENERGÍA ..................................................................... 21

1.3. TECNOLOGÍA DE LA BOMBA DE CALOR A GAS ........................................................................... 23

1.3.1. BOMBAS DE CALOR A GAS Y SU APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO ............................... 28

1.3.2. TECNOLOGÍA VRF ECO-G DE PANASONIC [3] ................................................................... 30

2. HERRAMIENTA PROGAS GHP CE3 ................................................................................................ 36

2.1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 36

2.2. JERARQUÍA BÁSICA DE SIMULACIÓN ......................................................................................... 36

2.2.1. EJEMPLO DE APLICACIÓN ................................................................................................. 38

2.2.2. CLIMA ............................................................................................................................... 41

2.3. MODELIZACIÓN TÉRMICA DE SISTEMAS GEHP .......................................................................... 42

2.3.1. SÍNTESIS DE CURVAS DE OPERACIÓN IDENTIFICADAS ...................................................... 48

2.4. ESQUEMAS DE CLIMATIZACIÓN Y ACS BASADOS EN GEHP ....................................................... 51

3. PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO PARA EL CÁLCULO DE LAS PRESTACIONES MEDIAS ANUALES ... 54

3.1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS .................................................................................................... 54

3.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO .................................................................... 57

3.2.1. MUESTRA DE EDIFICIOS .................................................................................................... 57

3.2.2. DIMENSIONADO DEL EQUIPO O SISTEMA ........................................................................ 64

3.2.3. GENERACIÓN DE BASE DE DATOS DE RESULTADOS ......................................................... 65

3.2.4. OBTENCIÓN DE LAS TABLAS PARA EL CÁLCULO DE RESULTADOS INTERMEDIOS ............ 66

3.3. APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO ...................................................................... 67

3.3.1. MÉTODO SIMPLIFICADO BÁSICO; NIVEL 1........................................................................ 67

3.3.2. MÉTODO SIMPLIFICADO NIVEL 2 ..................................................................................... 68

3.3.3. EJEMPLO DE PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO ................................................................. 70

3.4. METODOLOGÍA DE CÁLCULO .................................................................................................... 77

3.5. EJEMPLO: ESQUEMA HIDRO, U-25 S710.................................................................................... 80

5

3.5.1. SÍNTESIS DE RESULTADOS ................................................................................................ 86

3.6. AMPLIACIÓN DE CAPACIDADES ................................................................................................. 90

3.6.1. VARIACIÓN DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN ............................................................... 90

3.6.2. TEMPERATURA DE IMPULSIÓN ........................................................................................ 91

4. ASM SDGTOOL............................................................................................................................. 93

4.1. OBJETIVOS ................................................................................................................................. 93

4.2. DESARROLLO INTERFAZ ............................................................................................................. 93

4.3. HERRAMIENTA DE SELECCIÓN DE LA MÁQUINA ....................................................................... 95

5. CONCLUSIONES Y LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ............................................................................ 103

6. GLOSARIO .................................................................................................................................. 104

7. REFERENCIAS ............................................................................................................................. 105

ANEXO A ............................................................................................................................................ 106

ANEXO B ............................................................................................................................................ 110

6

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1.1. Distribución del gasto energético doméstico. ............................................. 14

Gráfica 1.2. Aplicación de la energía termosolar. .......................................................... 15

Gráfica 1.3.comparativa según la capacidad de calefacción y la temperatura exterior de

bomba de calor eléctrica y bomba de calor a gas. .......................................................... 27

Gráfica 1.4.comparativa según la temperatura de descarga de la unidad interior y el

tiempo de reacción de bomba de calor eléctrica y bomba de calor a gas ....................... 28

Gráfica 1.5. Comparativa de consumo en calefacción de varios sistemas para un hogar

de 90 [4]. ................................................................................................................... 29

Gráfica 1.6. Consumo energético total de una vivienda convencional vs. Consumo

energético con bombas de calor panasonic..................................................................... 30

Gráfica.2.1. Ejemplo visual del resultado de la corrección de datos. ............................. 47

Gráfica.3.1. Resultados de calefacción para u25-s710. .................................................. 86

Gráfica.3.2. Resultados de refrigeración para u25-s710. ............................................... 86

7

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1.esquema interior de un hogar con suelo radiante. ......................................... 18

Figura 1.2. Esquema de funcionamiento de un sistema de acumulador, captadores para

agua caliente sanitaria. .................................................................................................... 19

Figura 1.3.esquema de funcionamiento con circulación forzada. .................................. 20

Figura 1.4. Esquema del funcionamiento de una bomba de calor en modo calefacción 25

Figura 1.5. Esquema del funcionamiento de una bomba de calor en modo refrigeración.

........................................................................................................................................ 26

Figura 1.6. Exterior del nuevo eco-g con kit hidrónico para generación de agua caliente

y fría. ............................................................................................................................... 32

Figura 2.1. Figura 11 del cte, mapa de las zonas climáticas de españa.[2] .................... 42

Figura 2.2. Complemento “curve fitting tool” de la herramienta matlab ..................... 45

Figura 2.3.esquema caldera-enfriadora. ......................................................................... 51

Figura 2.4.esquema hidro. .............................................................................................. 52

Figura 2.5.esquema bomba de calor. .............................................................................. 53

Figura 3.1. Vista en tres dimensiones del proyecto del edificio 1 (calener) eliminando la

cubierta. .......................................................................................................................... 58

Figura 3.2. Plano acotado del proyecto "ejemplo 2.0”. .................................................. 59

Figura 3.3. Vista esquemática del edificio 2 en perpectiva. ........................................... 61

Figura 3.4. Vista esquemática del alzado y planta del edificio ......................................60

Figura 3.5. Esquema de la metodología. ........................................................................ 78

Figura 3.6. Esquema 3 (hidro). ....................................................................................... 81

Figuras 3.7. Fragmento de la hoja con todos los equipos del esquema y sus propiedades.

........................................................................................................................................ 82

Figura.3.8. Fragmento de la hoja excel que genera los datos para el documento de texto.

........................................................................................................................................ 82

8

Figura 3.9. Fragmento del documento de tipo .txt legible por el simulador. ................. 83

Figura 3.10. Apariencia del documento “error” sin ninguna incidencia en la simulación.

........................................................................................................................................ 84

Figura 3.11. Fragmento de la hoja excel con los resultados de hidro,oficinas y zonas a,b

y c. .................................................................................................................................. 84

Figura 4.1. Interfaz completa de la herramienta de selección de la máquina. ................ 94

Figura 4.2. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de emplazamiento.

........................................................................................................................................ 95

Figura 4.3. Fragmento de la hoja de Excel con las comunidades autónomas de España

con sus respectivas provincias ........................................................................................94

Figura 4.4. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección del uso e intensidad.

........................................................................................................................................ 96

Figura 4.5. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de la zona climática

y provincia. ..................................................................................................................... 97

Figura 4.6. Hoja de excel con las provincias agrupadas según las zonas climáticas...... 97

Figura 4.7. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de la intensidad. . 97

Figura 4.8. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección del esquema

hidrónico. ........................................................................................................................ 98

Figura 4.9. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de la máquina. .... 99

Figura 4.10. Tabla de las propiedades de las máquinas.................................................. 99

Figura 4.11. Fragmento de la interfaz de la herramienta con los rendimientos para el

nivel 1. .......................................................................................................................... 100

Figura 4.12. Fragmento de la interfaz de la herramienta con los rendimientos para el

nivel 2. .......................................................................................................................... 100

Figura 4.13. Fragmento de la tabla con los coeficientes para el cálculo de las curvas. 101

Figura 4.14. Fragmento de la tabla con los coeficientes en 50 y en

100% de carga. ............................................................................................................. 101


100% de carga. ............................................................................................................. 101

9


100% de carga. ............................................................................................................. 101


100% de carga. ............................................................................................................. 102

Figura 4.18. Fragmento de la tabla con el coeficiente en refrigeración....... 102

Figura 4.19. Fragmento de la tabla con los coeficientes en calefacción. ..... 102

Figura 4.20.. Resultados mostrados en la interfaz de la herramienta asm sdgtool. ...... 102

10

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1. Máquinas panasonic objeto de estudio. ......................................................... 35

Tabla 1.2. Bdcg + whp de panasonic. ............................................................................. 35

Tabla 2.1. Modelo de certificado energético. ................................................................. 40

Tabla 2.2. Temperaturas para los distintos puntos de trabajo. ....................................... 44

Tabla 2.3. Ejemplo visual de la tabla a generar con los datos corregidos con fcp. ........ 47

Tabla 3.1. Cerramientos y huecos del edificio 1. ........................................................... 60

Tabla 3.2. Espacios del edificio 1. ................................................................................. 60

Tabla 3.3. Cerramientos opacos del edificio 2................................................................61

Tabla 3.4. Huecos y lucernarias del edificio 2................................................................61

Tabla 3.5. Porcentaje de huecos en el edificio 2. ........................................................... 63

Tabla 3.6. Sistema de climatización del edificio 2. ........................................................ 63

Tabla 3.7. Temperaturas de bulbo húmedo para calefacción. ........................................ 66

Tabla 3.8. Temperaturas exteriores para refrigeración. .................................................. 67

Tabla 3.9. Ejemplo de aplicación de la zona de invierno en el nivel 2. ......................... 73

Tabla 3.10. Ejemplo de aplicación de la zona de verano en el nivel 2. .......................... 73

Tabla 3.11. Coeficientes a y b en calefacción para alta 16h. .......................................... 74

Tabla 3.12. Coeficientes a y b en refrigeración para alta 16h. ....................................... 74

Tabla 3.13. Coeficientes tbh50% y tbh100%. ................................................................ 74

Tabla 3.14. Coeficientes text50% y text100%. .............................................................. 75

Tabla 3.15. Duración de la estación de calefacción dependiente la zona climática de

invierno ........................................................................................................................... 79

Tabla 3.16. Duración de la estación de refrigeración dependiente la zona climática de

verano. ............................................................................................................................ 79

Tabla 3.17. Fragmento de la hoja excel con los resultados completos. .......................... 85

Tabla 3.18. Agrupación de zonas según el comportamiento en calefacción. ................. 87

11

Tabla 3.19. Agrupación de zonas según el comportamiento en refrigeración. .............. 87

Tabla 3.20. Tabla resultado del nivel 1 para u25-s710, volumen nominal, calefacción. 87

Tabla 3.21. Tabla resultado de a para u25-s710, volumen nominal, calefacción. .......... 88

Tabla 3.22. Tabla resultado de b para u25-s710, volumen nominal, calefacción. ......... 88

Tabla 3.23.tabla resultado de nivel 1 para u25-s710, volumen nominal, calefacción.

........................................................................................................................................ 88

Tabla 3.24. Tabla resultado de nivel 2 para u25-s710, volumen nominal, calefacción.

........................................................................................................................................ 88

Tabla 3.25. Tabla resultado del nivel 1 para u25-s710, volumen nominal, refrigeración

........................................................................................................................................ 89

Tabla 3.26. Tabla resultado de a para u25-s710, volumen nominal, refrigeración ........ 89

Tabla 3.27. Tabla resultado de b para u25-s710, volumen nominal, refrigeración ........ 89

Tabla 3.28. Tabla resultado de nivel 1 para u25-s710, volumen nominal,

refrigeración.................................................................................................................... 89

Tabla 3.29. Tabla resultado de nivel 2 para u25-s710, volumen nominal,

refrigeración.................................................................................................................... 90

Tabla 3.30. Tabla resultado de para u25-s710, volumen nominal, refrigeración. ...... 90

Tabla 3.31. Variación (%) de un volumen de 105 l/kw con respecto al nominal........... 91

Tabla 3.32. Factor corrector según la temperatura de distribución en calefacción ........ 92

Tabla 3.33. Factor corrector según la temperatura de distribución en refrigeración. ..... 92

Tabla.4.1. Equivalencias de intensidades. ...................................................................... 96

12

1. INTRODUCCIÓN

Cada día las exigencias de confort térmico son más acusadas en los locales en los cuales

permanecen las personas en cada estación del año, ya sea en domicilios, edificios de

oficinas o en aquellos de ocio y servicios donde se llevan a cabo las actividades

cotidianas.

Además, las instalaciones de climatización sea de la clase que sean, deben seguir unas

pautas fijadas por el Código Técnico de la Edificación [CTE], así como el RITE, los

cuales obligan a que se cumplan ciertas normas en cuanto a la sostenibilidad y respeto

por el medio ambiente. Con esto, se desarrollan a diario nuevas tecnologías para la

reducción del consumo de la energía necesaria que satisfaga con éxito la necesidad de

confort demandada para cada situación, clima,local y actividad.

Las bombas de calor a gas, por su ciclo de funcionamiento y la fuente de energía

utilizada, constituyen un factor de mejora de la eficiencia del sistema energético al

reducir las puntas de demanda eléctrica, las emisiones de CO2, la necesidad de

infraestructuras eléctricas, el coste energético de explotación y el coste de inversión

inicial de los equipos por medio del aprovechamiento del calor residual del motor en

funcionamiento.

1.1. ANTECEDENTES

Si bien es cierto que actualmente los países más avanzados del mundo son los que más

energía consumen, también, en general, su consumo es más eficiente. Como es de

esperar, se puede identificar una relación lineal entre el consumo de energía y el grado

de contaminación. Sin embargo, países como Canadá, Finlandia, Suecia, Francia y

Suiza presentan un menor grado de contaminación cuando presentan altos niveles de

consumo per cápita de energía. Por el contrario, Australia, Noruega, Arabia Saudí y

Estonia entre otros, presentan altos niveles de emisiones en comparación con su nivel de

consumo de energía per cápita. Por lo tanto, esto demuestra que tomando las medidas

adecuadas se pueden alcanzar niveles de eficiencia energética altos.

En España, el consumo energético está creciendo por dos razones básicas: en primer

lugar, por el aumento de la población y en segundo, por el incremento de la intensidad

energética requerida por la sociedad al aumentar su nivel de vida, y esto se refleja entre

13

otros aspectos, en una mayor utilización del aire acondicionado y la calefacción. Los

europeos estamos obligados a consumir menos energía, ya que el incremento del

consumo hace aumentar la dependencia energética del petróleo y del gas. En este

contradictorio contexto, claro está que se deben tomar medidas en cada uno de los

sectores afectados. A continuación, se explican las medidas que se podrían tomar en

cada uno de ellos:

a) El sector industrial puede aumentar su eficiencia gracias al aprovechamiento de

calores residuales y la introducción de la bomba de calor en el proceso productivo.

b) En el sector del transporte, que en nuestro país tiene un peso relativamente superior

al que tiene en el resto de países comunitarios, el objetivo de ahorro energético es muy

importante, tanto en el campo del automovilismo como en el de la aeronáutica. No es de

extrañar que el sector empiece a introducir los denominados “impuestos verdes” para ir

aumentando su eficiencia y, de esta forma, incentivar los proyectos más eficientes.

c) El sector terciario y residencial-doméstico tiene una tendencia creciente de consumo.

En Europa los edificios consumen el 40 % de la energía, siendo la climatización el coste

más importante, con lo que la introducción de energías renovables sería una solución

eficiente.

1.2. LA CALEFACCIÓN: principal destino de la energía consumida

en los hogares

En la Gráfica 1, se presenta la distribución del consumo energético por hogares según

sus diferentes aplicaciones, donde se observa que el consumo energético en calefacción

supone el 52% del consumo total de un hogar. Este porcentaje se incrementa en

viviendas unifamiliares aisladas, donde la carga térmica es mucho mayor y, debido a

ello, la demanda energética de calefacción puede llegar a suponer más del 70% del

consumo total de la energía. Por tanto, la obtención de una solución sostenible a medio-

largo plazo a nivel de eficiencia energética en el sector doméstico pasa por reducir en la

medida de lo posible el gasto energético en calefacción. Este objetivo sólo es alcanzable

por dos vías:

14

1ª. La reducción de la demanda de calefacción mediante un adecuado diseño

constructivo y una mejora de los sistemas de aislamiento que permitan reducir la

carga térmica del edificio.

2ª. La producción de la calefacción a partir de fuentes renovables mediante equipos de

elevada eficiencia energética.

Gráfica 1.1. Distribución del gasto energético doméstico.

1.2.1. LA CALEFACCIÓN SOLAR

La energía solar térmica o energía termosolar consiste en el aprovechamiento de la

energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para diversas tareas como

cocinar alimentos o, lo que es más importante, para la producción de agua caliente

destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria (ACS) o

calefacción.

De acuerdo con la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) el

aire acondicionado es el elemento con mayor consumo en un negocio, casa u oficina.

15

Gráfica 1.2. Aplicación de la energía termosolar.

1.2.2. CLASIFICACIÓN

Se puede hace una clasificación general atendiendo al tipo de:

1. Equipos

En cuanto a los equipos, los más extendidos actualmente son los compactos,

compuestos típicamente por un depósito de unos 150 litros de capacidad y un

colector de unos 2 m². Estos equipos, disponibles tanto con circuito abierto como

cerrado, pueden suministrar aproximadamente el 90% de las necesidades de agua

caliente anual para una familia de 4 personas, dependiendo de la radiación y el uso.

Estos sistemas evitan la emisión de hasta 4,5 toneladas de gases nocivos para la

atmósfera.

Funcionamiento

El fluido calefactor del circuito primario, calentado por el sol, disminuye su densidad

y asciende. Por esta razón, el depósito de acumulación del agua tiene que estar

colocado más arriba del panel y a poca distancia del mismo, aunque también existen

sistemas con el depósito detrás del panel. Las tuberías de enlace entre el panel y el

depósito tienen que mantener la misma inclinación.

Ventajas

16

Son equipos autónomos que incorporan el depósito de agua y se montan

directamente en el tejado por lo que no necesitan instalaciones previas. Además el

montaje es rápido y económico ya que no requieren bomba de circulación, centralitas

ni sondas y apenas requieren mantenimiento.

Otra opción son los sistemas de circulación forzada, que suelen estar compuestos

por captadores, depósito autónomo y un equipo de control y bombeo.

Funcionamiento

El fluido caloportador, contenido en el colector solar, fluye por efecto del empuje de

un grupo de bombeo hacia el acumulador. Un termostato diferencial (o centralita), a

través de dos sondas, chequea continuamente la temperatura de los captadores y la

del acumulador: cuando este demanda temperatura, la sonda envía una señal a la

centralita.

Ventajas

El depósito no se coloca en el tejado, sino en el garaje o el trastero, por lo que

resultan más estéticos. Destacan también por su versatilidad, ya que, como tiene

mayor capacidad, pueden ofrecer otras aplicaciones, además de la producción de

agua caliente, como pueden ser calefacción o la elevación de la temperatura del agua

de la piscina.

También nos encontramos los sistemas termodinámicos con tecnología mixta de

captación. Estos se componen de un sistema de bomba de calor más un panel

termodinámico y un captador.

Funcionamiento

El equipo se compone de una placa solar, un bloque termodinámico (con un

compresor) y un depósito acumulador que suele ser de acero inoxidable. El sistema

recoge el calor de la radiación solar como un equipo térmico y además es capaz de

capturar el calor ambiental gracias a la bomba de calor.

Ventajas

17

La instalación de los paneles solares puede ser plana o inclinada. Tienen gran

rendimiento, ya que puede funcionar las 24h. Además ofrecen un ahorro económico

añadido ya que la potencia consumida es cinco veces menor que la de un termo

eléctrico convencional.

La última opción que se trata en la actualidad son los equipos Drain Pack que son

sistemas de drenaje automático compuestos por captadores solares de alto

rendimiento, acumulador y un grupo de control y bombeo.

Funcionamiento

Emplea un sistema de drenaje automático que combina aire y líquido en el circuito

primario, lo que protege al equipo de temperaturas extremas, heladas y de la alta

radiación.

Ventajas

Es eficiente puesto que su tecnología optimiza la captura de energía solar en función

del clima exterior y de las necesidades de la vivienda. La instalación es sencilla y los

paneles pueden estar en posición plana o inclinada

Además estos sistemas domésticos termosolares se pueden amortizar en menos de 10

años, incluido el tiempo aproximado de retorno energético, que es el tiempo

necesario para ahorrar la energía empleada en fabricar el aparato. La vida útil de

algunos equipos puede superar los 25 años con un mantenimiento mínimo,

dependiendo de factores como la calidad del agua y la exposición a la intemperie.

La energía solar también puede ser aprovechada para la calefacción de la casa. Al

contrario que en el caso de la producción de agua caliente, el sistema no está

optimizado para cubrir el 100% de la demanda energética a lo largo del año, por

diversas consideraciones técnicas. Una es el peligro de sobrecalentamiento en

verano; la otra es un criterio de eficiencia energética; no es eficiente optimizar una

instalación para un periodo tan corto del año, y desperdiciar la energía el resto del

tiempo.

Por este motivo, junto a la instalación solar se utiliza también un sistema de generación

auxiliar, normalmente una caldera o una bomba de calor, que se encarga de elevar la

18

temperatura hasta la temperatura deseada. A menudo se colocan placas de tubo de vacío

en estas instalaciones, por su mayor eficiencia energética.

El suelo radiante es un sistema óptimo para trabajar junto con la energía solar. El suelo

radiante consiste en unas tuberías que circulan bajo el suelo de la vivienda, y tiene

múltiples ventajas frente al sistema convencional de radiadores. Las principales están

relacionadas con el ahorro energético y con el confort que proporciona este sistema de

calefacción:

Ahorro energético: viene dado por dos factores principales. Los radiadores son

focos puntuales que emiten el calor hacia todo el volumen de la habitación. El suelo

radiante cubre todo el suelo; al ser la superficie de emisión más elevada, no es

necesario que se caliente tanto, con el consiguiente ahorro de combustible. Otro

factor que favorece el ahorro de combustible es que el radiador debe calefactar todo

el volumen de la habitación para que el habitante note la calefacción. El suelo

radiante sin embargo, al estar siempre en contacto con el usuario, no necesita calentar

todo el volumen.

Confort: también tiene dos razones. Una se deriva precisamente de la localización

de la calefacción, ya que al estar en el suelo, siempre nos encontramos cerca del foco

de emisión de la calefacción. Además, el suelo radiante es invisible, al contrario que

los radiadores, por lo que cuida más la estética interior del edificio.

Figura 1.1.Esquema interior de un hogar con suelo radiante.

19

2. Circulación del fluido

Circulación natural

Es el caso de un sistema termosifónico. En este caso el depósito debe colocarse en un

nivel superior a los colectores para permitir la convección por diferencia de

temperatura. Para facilitar el movimiento del agua tiene que haber una diferencia

suficiente de temperatura entre el colector y el acumulador y una altura entre el

acumulador y los colectores mayor de 30 centímetros. Para evitar el riesgo de

temperaturas elevadas en el depósito este se diseña con volúmenes mayores de 70

l/m2 de colector.

Los factores positivos de este sistema son de carácter económico y de simplicidad de

instalación, porque los equipos termosifónicos no consumen energía eléctrica, ya que

funcionan sin bomba. Esta característica ayuda a disminuir el consumo energético de la

vivienda y convierte a los equipos en autónomos que siguen funcionando aunque el

sistema eléctrico falle. El hecho de ser autónomo hace muy atractiva su aplicación en

aquellos lugares remotos donde no llega la red eléctrica. Los factores negativos son de

carácter estético y de resistencia del tejado, porque el depósito tiene que estar encima de

los paneles. La circulación natural reduce también un poco el rendimiento del sistema

solar.

Figura 1.2. Esquema de funcionamiento de un sistema de acumulador, captadores para agua caliente sanitaria.

20

Circulación forzada

Es el caso de un sistema con electrocirculador. Esta instalación evita los defectos

propios de los sistemas de circulación natural. Como inconvenientes se encuentran las

necesidades de energía eléctrica y de regulación y control de la circulación. Cuando el

intercambiador está a una altura inferior a los colectores, el electrocirculador es

imprescindible. Hay que incluir además una válvula antirretorno para evitar el posible

efecto termosifónico nocturno.

Los factores positivos de este sistema son de carácter estético y de rendimiento del

sistema. Es posible colocar el acumulador en el interior de la vivienda, y entonces el

tejado no tiene que soportar el peso del acumulador (que puede ser de hasta 300 - 500

Kg. ). La circulación forzada ofrece un rendimiento superior al de un sistema de

circulación natural, porque el fluido anticongelante circula de manera más rápida que el

agua. Los factores negativos son de carácter económico y de gestión del sistema: la

inversión inicial es más alta y también el sistema utiliza energía para el funcionamiento

de la bomba. Sin embargo, este uso de energía va a ser compensado por una mayor

producción de agua caliente en comparación con el sistema precedente.

Figura 1.3.Esquema de funcionamiento con circulación forzada.

21

1.2.3. FUTUTO PROMETEDOR DE LA ENERGÍA SOLAR

El futuro de la energía solar es prometedor. En muchos países hay subvenciones para

su uso doméstico, en cuyos casos una instalación puede amortizarse en plazo de cinco o

seis años.

En lo que respecta a España, en 2006, entró en vigor el Código Técnico de la

Edificación que establece la obligatoriedad de implantar sistemas ACS con energía solar

en todas las nuevas edificaciones españolas.

A nivel mundial, y según datos de la Bloomberg New Energy Finance, las inversiones

en 2012 ascendieron a 268 mil millones de dólares. Y un artículo denominado “Who is

winning the clean energy race”, mostró que las naciones del G-20 representaron el 95

por ciento de la inversión en el sector.

Latinoamérica no se queda atrás, pues las cifras son prometedoras; en Méjico, las

inversiones totales en energía limpia alcanzaron los 1,9 mil millones de dólares en

2012; Chile invirtió mil millones de dólares, y Perú 643 millones. Así, el objetivo

internacional es reducir los subsidios a los combustibles fósiles y trasladarlos a la

energía limpia, incrementando su aplicación en el área de climatización en un 18 por

ciento para 2018.[5]

1.2.4. GAS NATURAL COMO FUENTE DE ENERGÍA

El gas es una energía competitiva que ofrece seguridad de suministro, a bajo precio, al

tiempo que se posiciona como la fuente tradicional más respetuosa con el medio

ambiente. En este sentido, a nivel global reduce las emisiones de CO2 —en un 30% en

relación con el petróleo y en un 45% con el carbón—, de SO2 y también de NOX. A

nivel local, el gas es el combustible que tiene menores emisiones de CO a la vez que

emite menos partículas sólidas. Concretamente, en relación con la biomasa, el gas

produce casi un 100% menos de emisiones sólidas a la atmósfera. Además de estos

datos medioambientales que, en gran medida, favorecen la calidad de vida de las

ciudades, el gas ofrece ahorros para los hogares que, en función del consumo, pueden

llegar al 36% de media.

Para las industrias, que utilizan el gas tanto para sus procesos productivos como para

cogenerar, los ahorros en la factura energética pueden llegar al 50%. En este ámbito,

todavía existe un alto potencial de sustitución de combustibles más contaminantes por

22

gas. Además, la cogeneración se posiciona como un sistema que ofrece competitividad a

las industrias; actualmente, más de 1.000 empresas —que representan el 40% del PIB

industrial— utilizan gas para cogenerar.

Otro ámbito con grandes posibilidades de expansión son los edificios públicos,

obligados a mejorar poco a poco su eficiencia a raíz de las medidas más recientes

implantadas en nuestro país con respecto a la eficiencia energética, según el CTE. A

través de la implantación de diferentes medidas como cogeneraciones, cambios de otros

combustibles a gas, sistemas de iluminación eficientes o mejora del aislamiento de los

edificios, este sector puede consigue actualmente ahorros en la factura energética de

hasta el 25%.

En lo que se refiere al transporte no es ya un elemento nuevo, ya que nuestro país cuenta

con buena experiencia en flotas de autobuses urbanos y camiones de recogida o de

reparto. Sin embargo, esta energía tiene suficiente tecnología y potencial como para

seguir creciendo en vehículos particulares y en transporte a grandes distancias. Así

mismo es importante el potencial existente en el transporte marítimo para la propulsión

de grandes buques, a través del gas natural licuado (GNL).

El gas es todavía una energía con potencial de crecimiento. Sus magnitudes económicas

—aporta el 0,5% del PIB y genera más de 150.000 puestos de trabajo— y ambientales

son dos buenas razones para seguir apostando por él.

A nivel mundial, el gas está experimentando continuos y grandes cambios. Mientras

Estados Unidos, en un futuro cercano, se posicionará como un gran exportador de GNL,

la Agencia Internacional de la Energía (AEI) se refiere al gas como la energía que más

crecerá en el horizonte 2035.

En Asia, gana fuerza la idea de explotar sus recursos de “shale” gas, mientras que

Europa está en la labor de diversificar sus suministros ante el conflicto, todavía latente,

con el gas ruso a su paso por Ucrania.

En este contexto global, al sector gasista español se le abre todavía un escenario de

expansión. Por un lado, en sectores tradicionales, donde el gas ya tiene presencia, como

es el caso de los hogares o la industria, pero donde las posibilidades de crecimiento

todavía son importantes. Paralelamente, surgen nuevos contextos por explorar, como

el GNL para la propulsión de grandes buques o la implantación de gas en vehículos

23

particulares, aprovechando la trasposición de la directiva europea sobre uso de

combustibles alternativos en el transporte.

El sector exterior es otro ámbito con posibilidades de crecimiento. Hoy España está

preparada para contribuir a la seguridad de suministro de Europa y, en un futuro

próximo, si finalmente se construye la tercera interconexión con Francia —conocida

como Midcat—, su contribución puede llegar al 12% del gas que actualmente

suministra Rusia al continente. Unos datos nada despreciables si tenemos en cuenta que,

actualmente, seis países comunitarios reciben el 100% de su gas de este único mercado.

Los motivos que dan sentido a ésto son la alta diversificación de fuentes en España —

que permite recibir gas de 11 países diferentes—, su situación puntera en cuanto a

capacidad de regasificación —con el 36,5% de la capacidad europea—, así como un

sistema que posibilita combinar la recepción de gas por gasoducto, básicamente del

norte de África, con la recepción de GNL de cualquier lugar del planeta.

1.3. TECNOLOGÍA DE LA BOMBA DE CALOR A GAS

Las bombas de calor son sistemas de climatización que “bombean” el calor desde un

foco frío hacia un foco caliente (es decir, en sentido contrario al de circulación en

condiciones normales). Para ello, necesitan un aporte auxiliar de energía que permita

modificar el sentido normal de la transferencia.

Realmente, el intercambio de calor no se realiza directamente entre los dos focos, sino

que se hace circular un fluido (generalmente en circuito cerrado), encargado de tomar el

calor del foco frío y transmitirlo al caliente. Pese a que el funcionamiento de la bomba

es, a grandes rasgos, el mismo en todos los casos, se suele diferenciar si la utilidad se

obtiene al absorber calor del foco frío o al cederlo al foco caliente. Así pues, si la bomba

trabaja en modo calefacción, el foco caliente será el interior, mientras que el foco frío

del cual obtiene el calor es el exterior. Si, por el contrario, la bomba trabaja en modo

refrigeración, el local a enfriar será el foco frío, mientras que el ambiente exterior es el

foco caliente.

La bomba de calor eléctrica se suele diseñar de manera que, al pasar por los focos, el

refrigerante sufra un cambio de fase. De este modo, se mantiene su temperatura –y por

24

tanto la transferencia de calor- constante, y, lo que es más importante, se aprovecha el

calor latente asociado al cambio de fase. En la Figura 4 se muestra el funcionamiento de

una bomba de calor en modo calefacción. A grandes rasgos, el funcionamiento del ciclo

es el siguiente:

• Para empezar, el refrigerante se encuentra en estado líquido y a una temperatura

muy baja, más fría que la exterior (punto 1). Por tanto, en su paso por el

ambiente exterior lo que hace es absorber calor, evaporándose. La temperatura

del fluido se mantiene prácticamente constante durante el cambio de fase.

• Una vez en estado vapor (punto 2), el refrigerante pasa por una válvula de 4

vías.

• Posteriormente, el fluido se dirige hacia el compresor, que le aporta energía

mecánica en forma de presión y de movimiento, (para llegar al punto 4). De este

modo, aumenta la temperatura hasta valores mayores al que existe en el local,

para poder calentarlo. Además, el cambio de presión permite al refrigerante

cambiar de fase a temperaturas cercanas a la que tiene en este momento.

• Tras pasar nuevamente por la válvula de 4 vías (punto 5), el fluido refrigerante

cruza el condensador, que es el local a calefactar. Gracias a la energía ganada

previamente, el fluido cede calor al local, condensándose y volviendo a alcanzar

el estado líquido, sin variar prácticamente su temperatura (punto 6). Una parte de

la energía cedida es la que ha sido aportada por el compresor; sin embargo, la

mayor parte procede del intercambio que el refrigerante ha llevado a cabo

previamente con el ambiente exterior.

• Por último, un expansor disminuye nuevamente la temperatura del fluido, sin

suministrarle ni quitarle energía, hasta volver a alcanzar el estado

termodinámico del que había partido, para empezar nuevamente el ciclo.

25

Figura 1.4. Esquema del funcionamiento de una bomba de calor en modo calefacción

En la siguiente figura se muestra el mismo diagrama, pero aplicado a un funcionamiento

en modo refrigeración (es decir, modificando la válvula de 4 vías).

26

Figura 1.5. Esquema del funcionamiento de una bomba de calor en modo refrigeración.

Respecto al intercambio con el interior, una posibilidad consiste en realizarlo

directamente con el aire; son lo que se conocer como bombas de expansión directa,

presentes en la mayor parte de instalaciones individuales. No obstante, también resulta

posible que el calor se transmita a una corriente de agua, que será la que después

climatizará el local mediante una red de fan-coils, aunque, al tener que estar el agua en

condiciones de temperatura más extremas que el ambiente interior, su rendimiento es

algo menor que en los sistemas de expansión directa.

El funcionamiento de una bomba de calor depende de la temperatura exterior. Para

temperaturas más extremas –frías en invierno o cálidas en verano- disminuye la

potencia que es capaz de suministrar la bomba, además de empeorar el rendimiento. En

ciclo de invierno, además, si la temperatura exterior es menor de 7°C, se forma escarche

en el evaporador de la bomba, siendo necesario invertir periódicamente el sentido de

funcionamiento para eliminarlo. La consecuencia es una sensación de disconfort y una

reducción de la potencia efectiva disponible. Por este motivo, las bombas de calor

reversibles no se encuentran muy introducidas en las ciudades con invierno riguroso.

27

En general, el funcionamiento de las bombas de calor a gas es el mismo que el de una

bomba de calor eléctrica, la única diferencia radica en que la energía necesaria para

accionar el compresor, en vez de ser energía eléctrica, se obtiene a partir de la

combustión de gas natural. Para ello, es necesaria la presencia de un motor alternativo

similar al de un coche que transforme la energía térmica de combustión en energía

mecánica.

Las particularidades que presenta esta bomba de calor frente a la eléctrica son similares

que las que tiene la cogeneración frente a la producción separada de calor y electricidad,

ya que los gases que salen del motor lo hacen a una alta temperatura, siendo posible

aprovechar su calor residual para la obtención de agua caliente, con ayuda de un

acumulador de calor que la almacene.

Gráfica 1.3.Comparativa según la capacidad de calefacción y la temperatura exterior de bomba de calor eléctrica y

bomba de calor a gas.

Si la temperatura exterior es inferior a 10ºC y se dispone de una batería de disipación,

anexa a la batería del condensador de la bomba de calor, ésta permite calentar el aire

que a continuación discurre por esa batería exterior, manteniendo una temperatura que

evita el escarchado de la misma y por tanto mantiene el COP del equipo, incluso con

bajas temperaturas exteriores.

28

El rendimiento viene dado por las mismas relaciones que en las bombas eléctricas, pero

considerando como energía consumida la del gas, y no la eléctrica. Es decir, estos

rendimientos son más bajos que los del caso eléctrico, pero parten de una fuente de

energía mucho más barata y de calidad inferior.

Gráfica 1.4.Comparativa según la temperatura de descarga de la unidad interior y el tiempo de reacción de bomba de

calor eléctrica y bomba de calor a gas

El principal inconveniente que presentan las bombas de calor a gas, por el que apenas se

han introducido en el sector residencial, es su elevado coste, ya que prácticamente

añaden a una bomba de calor eléctrica un motor de microcogeneración.

1.3.1. BOMBAS DE CALOR A GAS Y SU APROVECHAMIENTO

ENERGÉTICO

Las principales prestaciones que nos ofrece la bomba de calor a gas gracias al

aprovechamiento del calor residual del motor son:

- Producción de ACS y apoyo a la calefacción.

- No hay necesidad de operaciones de desescarche.

- Mantenimiento del 100% potencia calefacción a -20ºC en calor.

- Rapidez en puesta a régimen.

29

- Se eliminan las torres de refrigeración y las actividades de mantenimiento

asociadas

- Consumo eléctrico: muy reducido, lo que ahorra la instalación de costosos

centros de transformación (y término fijo de potencia).

- Niveles sonoros comparables a los sistemas eléctricos.

- Superficies precisas y cargas a estructura similares a los sistemas eléctricos.

- Sala de Calderas: No se precisa. Equipos autónomos, se instalan en el exterior.

Gráfica 1.5. Comparativa de consumo en calefacción de varios sistemas para un hogar de 90 [4].

Debido a su tecnología, la fabricación de las GEHP tiene su justificación más

importante en que el calor residual del motor se recupera en un intercambiador de calor

para producir ACS hasta 75ºC.

Además, la bomba de calor con motor a gas presenta un tiempo de respuesta mucho

menor que la eléctrica. En los períodos de puesta en marcha de la instalación de

calefacción, el calor producido por el motor se puede transferir rápidamente al local a

calefactar, alcanzando la temperatura de confort mucho más rápidamente. A esto se une

el hecho de no necesitar la inversión del ciclo para la eliminación del hielo formado en

la batería exterior del evaporador como ocurre en el caso de las bombas de calor

eléctricas.

Su funcionamiento está condicionado por la temperatura exterior si lo que se quiere es

calefacción, ya que funcionará correctamente para una Tª Ext. ≥7ºC. Para el caso de la

refrigeración funcionará sin problemas independientemente de la temperatura exterior.

30

Con una demanda cada vez más creciente del suministro eléctrico para los sistemas de

climatización en edificios nos encontramos con más frecuencia ante la necesidad de la

instalación de costosos centros de transformación para poder dar el servicio adecuado.

La reducción estimada en los costes iniciales de inversión oscila entre un 10% y un

15%, 45€ por kilowatio eléctrico no instalado. En cuanto a costes de operación, la

contratación de potencia eléctrica es del orden de1/15 veces inferior respecto a sistemas

eléctricos ya que la fuente principal de energía, en este caso, es el gas. Esto puede

suponer un ahorro en el coste fijo por término de acceso a la red de unos 40€ por

kW/año.

En operación, la bomba de calor con motor a gas ayuda a reducir la demanda eléctrica

global en horas punta y evita elevados costes asociados a la dotación de infraestructuras

eléctricas adicionales para atender estas puntas de demanda. Este sistema mejora, por

tanto, las garantías de suministro y de servicio en centros donde un corte de fluido

eléctrico puede ser muy crítico como en el caso de hospitales, geriátricos, hoteles, etc.

1.3.2. TECNOLOGÍA VRF ECO-G DE PANASONIC [3]

Estos sistemas han sido diseñados con el fin de obtener el máximo aprovechamiento

energético así como una fácil instalación. Concretamente, para edificios terciarios que

requieran unas emisiones de CO2bajas o con algún tipo de restricción en la red

eléctrica.

Gráfica 1.6. Consumo energético total de una vivienda convencional vs. consumo energético con bombas de calor

Panasonic.

CONSUMO ENERGÉTICO CON

BOMBA DE CALOR PANASONIC

CONSUMO ENERGÉTICO TOTAL DE

UNA VIVIENDA CONVENCIONAL

31

La gama de sistemas GHP de Panasonic se compone de ECO G y ECO G Multi. Los

sistemas mixtos son compatibles con las mismas unidades interiores y bus de comunicación que

laECOi (posibilidad de soluciones mixtas CRV Eléctrico + CRV Gas).

Las funciones de control del par y las rpm de los motores GHP son comparables a un

climatizador eléctrico Inverter. Así, los sistemas GHP aseguran un control y

rendimiento eficientes, justo lo que se espera de un climatizador eléctrico Inverter.

El consumo de gas es muy reducido gracias al uso de un motor de ciclo Miller, y el

consumo eléctrico es reducido gracias al uso de motores DC para los ventiladores.

• Hasta 71 kW de capacidad frigorífica para un consumo de corriente de 11 A.

• Unidades monofásicas para toda la gama.

• Funcionamiento con gas natural o GLP como fuente de energía principal.

• Intercambiador de calor por agua para conexión a sistemas ACS domésticos (13-

25 HP). (sólo disponible en bomba de calor 2 Tubos)

• Opción de conexión a kit hidrónico para climatización mediante agua.

Todos los modelos están equipados con un intercambiador de calor y otro para el

circuito de agua (refrigeración del motor del compresor), ambos de alta eficiencia,

haciendo de nuestros equipos de las soluciones energéticas más eficientes del mercado.

Además, los sistemas VRF de Gas tienen las emisiones de NOX un 66% menos que los

estándares del mercado.

Gracias a su desarrollo pionero, estos sistemas disponen de un sistema de combustión

que utiliza un sistema de retroalimentación que controla el ratio aire-gas para reducir las

emisiones de Óxido de Nitrógeno al máximo. Con el avanzado diseño del

intercambiador de calor, el nuevo sistema GHP ofrece eficiencia mejorada y costes de

funcionamiento reducidos, que, junto con los sistemas de control del motor, han

mejorado el COP del sistema.

Además, incrementa su capacidad calorífica en modo calor gracias a la incorporación de

un intercambiador de calor de alta eficiencia en el circuito de refrigeración del motor

(agua). Este intercambiador permite aprovechar el calor generado durante la

refrigeración del compresor, que de otra manera se desperdiciaría totalmente. Esta

reutilización del calor generado al refrigerar el compresor, hace que las unidades

exteriores G-VRF no necesiten ciclo de desescarche, permitiendo un funcionamiento

32

continuo al 100% en modo calor incluso con temperaturas exteriores tan extremas como

-20 °C.

Durante el modo frío, el calor generado por el circuito de refrigeración el compresor

puede utilizarse para alimentar un kit hidrónico para el suministro de ACS (para una

temperatura de salida de agua hasta 75 °C). El kit hidrónico también puede utilizarse

durante el funcionamiento de la unidad exterior en modo calor para temperaturas

mayores de 7 °C. El sistema VRF de gas está también disponible con un kit hidrónico

opcional, que puede conectarse con una única unidad exterior o como parte de un

sistema completo de climatización como una unidad interior más. El sistema puede

controlarse mediante un sistema BMS o mediante el panel de control Panasonic

suministrado.

La temperatura de salida de agua puede configurarse en modo frío desde -15 °C a 15 °C

y desde 25 °C a 55 °C . Gracias a la incorporación del intercambiador de calor en el

circuito de refrigeración del motor (agua) podemos aprovechar el calor generado

durante la refrigeración y de esta manera hacer que las unidades exteriores G-VRF no

necesiten ciclo de desescarche.

Figura 1.6. Exterior del nuevo ECO-g con kit hidrónico para generación de agua caliente y fría.

El sistema VRF de gas permite conectar hasta un total de 48 unidades interiores.

Panasonic cuenta con una amplia gama de tecnología ECO-g, que se dividen en tres

grupos:

1. Nuevo ECO-g High Power

33

El VRF tiene un motor accionado a gas de 2 tubos, con generador eléctrico.

Equipado con un generador de imanes permanentes, es el primer sistema VRF que

puede suministrar calefacción, refrigeración, agua caliente y potencia eléctrica para

autoconsumo. Cada unidad ECO-g High Power tiene un generador de 2.0 kW, lo que

reduce significativamente el consumo de energía eléctrica de la unidad exterior.

Características destacadas

• Refrigeración y calefacción simultánea

• Consumo de gas reducido gracias al compresor de ciclo miller

• Consumo eléctrico reducido gracias al uso de motores dc

• Nuevo diseño más ligero

• Eficiencia elevada para carga parcial del sistema

• Conectividad de hasta 24 unidades interiores

2. ECO-g y ECO-g MULTI

Son bombas de calor de dos tubos. En concreto, la serie ECO-g W-Multi de 2 Tubos

ofrece un rendimiento mejorado pero también un aumento de flexibilidad.

Ahora está disponible en versión modular; hay múltiples combinaciones disponibles, de

16 HP a 50 HP. Esta modularidad permite ajustar de manera más precisa la potencia del

sistema a la carga del edificio. Dentro de las nuevas prestaciones de esta gama, se

incluye un control de carga parcial y un control de la distribución proporcional de las

horas de funcionamiento de los compresores del sistema.


• Hasta 51 kw en una sola unidad exterior

• Producción de agua a 45 °c con alta eficiencia

• Temperatura de salida del agua fría entre 5 °c y 15 °c

• Amplia gama de controles remotos de eco-i

• Gran eficiencia, incluso a -20 °c, en calefacción

• Gran eficiencia, incluso a +5 °c, en refrigeración

3. ECO-g 3 Tubos

34

Tiene la capacidad de recuperación de calor para refrigeración y calefacción

simultáneamente.

La serie M de ECO-g de 3 tubos incorpora incluso mayores prestaciones y mejores

rendimiento en el caso de que la aplicación requiera refrigeración y calefacción

simultáneas. Ahora con capacidades disponibles desde 16 HP a 25 HP, Panasonic ofrece

la mayor variedad y flexibilidad para solucionar cualquier problema o requisito de la

aplicación.

4. ECO-g con kit hidrónico

Para aplicaciones hidrónicas. Está Nuevo hidrokit, con dimensiones reducidas un 45%.

Funcionamiento y controlmediante mando CZ-RTC2. Control de la capacidad eficiente.

Hidrokit de acero inoxidable con control de protección anticongelante.


• Hasta 80 kw en una sola unidad exterior, con un sistema ghp de 25 ó 30 hp

• Salida de agua caliente entre 35 °c y 55 °c

• Salida de agua fría entre -15 °c y +15 °c

• Amplia gama de controles remotos de eco-i

• Gran eficiencia, incluso a -20 °c, en calefacción

• Gran eficiencia, incluso a +5 °c, en refrigeración

A continuación se muestra una tabla resumen con la capacidad e cada una de las

máquinas que se van a tratar en el estudio:

FABRICANTE

Unidad

Exterior

WHP

BdCg + WHP

Capacidad

Frigorífica

Capacidad

Calorífica

Recuperación

ACS

PANASONIC U-16GE2E5 S-250WX2E5 Panasonic ECO-g con Hidrokit

(U-16GE2E5 + S-250WX2E5)

45 50 15


(U-16GE2E5 + S-500WX2E5)

45 50 15

PANASONIC U-16GE2E5

(x2)

S-710WX2E5 Panasonic ECO-g con Hidrokit

(2xU-16GE2E5 + S-710WX2E5)

90 100 30


(U-20GE2E5 + S-250WX2E5)

56 63 20


(U-20GE2E5 + S-500WX2E5)

56 63 20

PANASONIC U-25GE2E5 S-250WX2E5 Panasonic ECO-g con Hidrokit 71 80 30

35

(U-25GE2E5 + S-250WX2E5 )


(U-25GE2E5 + S-500WX2E5)

71 80 30


(U-25GE2E5 + S-710WX2E5)

71 80 30


(U-30GE2E5 + S-250WX2E5)

85 95 30


(U-30GE2E5 + S-500WX2E5)

85 95 30

Tabla 1.1. Máquinas Panasonic objeto de estudio.

BdCg + WHP

Consumo

nominal

Refrigeración

Consumo

nominal

Calefacción

Consumo

eléctrico

Refrigeración

Consumo

eléctrico

Calefacción

Cap

Ref

Hidro

Cap

Cal

hidro

ConRef

Elec

hidro

Panasonic ECO-g con Hidrokit

(U-16GE2E5 + S-250WX2E5)

29.7 32.5 0.71 0.6 25 30 0.01


(U-16GE2E5 + S-500WX2E5)

29.7 32.5 0.71 0.6 50 60 0.01


(2xU-16GE2E5 + S-710WX2E5)

59.4 65 1.42 1.2 71 80 0.01


(U-20GE2E5 + S-250WX2E5)

39.1 42.5 1.02 0.64 25 30 0.01


(U-20GE2E5 + S-500WX2E5)

39.1 42.5 1.02 0.64 50 60 0.01


(U-25GE2E5 + S-250WX2E5 )

60.4 53.2 1.33 0.83 25 30 0.01


(U-25GE2E5 + S-500WX2E5)

60.4 53.2 1.33 0.83 50 60 0.01


(U-25GE2E5 + S-710WX2E5)

60.4 53.2 1.33 0.83 71 80 0.01


(U-30GE2E5 + S-250WX2E5)

67.9 68.1 1.7 1.45 25 30 0.01


(U-30GE2E5 + S-500WX2E5)

67.9 68.1 1.7 1.45 50 60 0.01


(U-30GE2E5 + S-710WX2E5)

67.9 68.1 1.7 1.45 71 80 0.01

Tabla 1.2. BdCg + WHP de Panasonic.

Las máquinas marcadas en amarillo son las que trataremos como objeto de estudio ya

que son las que mejor se comportan ante variaciones, es decir, son las más estables. La

que está marcada en azul será interesante también tenerla en cuenta para futuras

comparaciones.

36

2. HERRAMIENTA PROGAS GHP CE3

2.1. INTRODUCCIÓN

ProgasGHP es un procedimiento para realizar la certificación energética de edificios en

los que se hayan instalado bombas de calor a gas. El desarrollo del procedimiento CE3

ha sido encargado por el Instituto para la Diversificación y el Ahorro Energético

(IDAE), conforme a las disposiciones del proyecto de Real Decreto de Certificación

Energética de Edificios.

2.2. JERARQUÍA BÁSICA DE SIMULACIÓN

El simulador de sistemas térmicos (SST) es muy similar a TRNSYS, pero con un código

propio. Este software es una plataforma de simulación de sistemas transientes o

transitorios, lo que permite representar el comportamiento de distintos modelos con

respecto al tiempo. Esto hace del programa una herramienta muy útil para el análisis de

sistemas de calefacción termosolar, ya que considera la variación temporal de la

temperatura y energía incidente, simulando el comportamiento del sistema en base a

dichas variables.

En este punto, en el que ya se conoce la herramienta ProgasGHP CE3, es sencillo

comprender que para un estudio más exhaustivo en el que se tratan varias máquinas en

todas las zonas climáticas de España y además en varios edificios, la opción más

acertada es poder utilizar una herramienta que genere gran cantidad de resultados. Por

esto, el Grupo de Termotecnia de la E.T.S.I de Sevilla decidió desarrollar un simulador

informático capaz de hacerlo en un tiempo mucho menor al que dedicaría cualquier

usuario para el mismo fin, incluso si únicamente se quisiera calcular el NIVEL 1. Este

simulador es el SDG, y trabaja de forma que, leyendo los datos necesarios para cada

caso, genera un documento de texto del tipo .txt con todos los resultados. En este

capítulo se va a realizar el estudio del comportamiento de cada una de las máquinas en

las distintas zonas climáticas y con diferentes usos e intensidades para cada uno de los

esquemas.

37

Se trabajará con tres esquemas, representados en el subcapítulo 2.3, los cuales producen

agua fría y/o caliente para climatización y ACS, con la salvedad de que ProgasGHP

incorpora de forma obligatoria una bomba de calor a gas por todas las ventajas que

ofrecen éstas.

En relación a lo anterior, es importante destacar que el software realiza una simulación

discreta del tiempo en base a un intervalo de tiempo definido. El software SST ofrece

una base de datos con diversos componentes de sistemas térmicos, eléctricos y

mecánicos, entre otros, gracias a los cuales se pueden representar la mayoría de los

componentes de un sistema real. Cada componente posee distintas relaciones

matemáticas que, en su conjunto, definen el comportamiento del componente al

momento de realizar la simulación. De esta forma, el comportamiento de todas las

ecuaciones del modelo definirá los resultados de la simulación. Las principales

relaciones que se tienen por cada componente son:

Parámetros: Corresponden a los datos inherentes a las características de cada

componente. Representan principalmente restricciones en el funcionamiento del

elemento en cuestión y/o propiedades derivadas del diseño del componente.

Inputs: Corresponden a los datos de entrada del componente. Es toda la

información requerida por el componente para resolver las ecuaciones que definen

su comportamiento.Esta información es entregada por los componentes anteriores

en la dirección del flujo.

Outputs: Corresponden a los datos de salida del componente. Es toda la

información que se obtiene como resultado de ejecutar las ecuaciones que definen

el componente. Esta información se envía como input al siguiente elemento del

modelo.

Es importante destacar que, si bien el programa cuenta con una librería de componentes

bastante completa, sus definiciones son más bien básicas y pueden alejarse del nivel de

detalle que se desea para simular un sistema específico.

38

2.2.1. EJEMPLO DE APLICACIÓN

Se va a explica un pequeño ejemplo para saber cómo podríamos manejar la herramienta,

además en el ANEXO B se ha desarrollado con más profundidad.

En la herramienta CE3 el primer paso que se debe llevar a cabo es definir las

características del edificio así como la edad del mismo.

La segunda fase consiste en definir las características constructivas del edificio, es

decir:

Composición de los cerramientos; fachadas exteriores, muros en contacto con el

terreno, cubiertas...

En el ejemplo tratado la composición de las fachadas exteriores se realiza con

cemento, ladrillo hueco, poliestireno expandido y enlucido de yeso. En el caso

de muros en contacto con el terreno se elegirá un suelo coherente con humedad,

forjado cerámico, cemento y terrazo. Por último, para las cubiertas se ha

decidido emplear diversos materiales, entre los que se encuentran; baldosín

catalán, cemento, poliestireno extrusionado o láminas bituminosas.

Acristalamientos; la elección es de vidrios dobles translucidos de 6-6-6 mm.

Espacios; para definirlos es necesario conocer las cargas internas del edificio y

su ventilación así como, al ser edificio terciario, los horarios de ocupación

del mismo.

En el ejemplo Las cargas internas debidas a ocupación, iluminación y equipo

eléctrico, están presentes de 8:00 a 16:00 para todos los días. El resto de las

horas del día el edificio está desocupado. La ventilación es igual a 1 rnv/h para

todos los espacios, considerando que las infiltraciones son nulas cuando el

equipo funciona (sobrepresión).

Para propiedades técnicas ver ANEXO B.

El siguiente paso es conocer los equipos de climatización. En este edificio el sistema se

compone de 3 climatizadoras para atender a las 5 zonas del edificio, y dos grupos de

primarios que componen dos circuitos a dos tubos independientes para atender a las tres

climatizadoras:

39

UTA CTE SUR: Climatizadora a caudal constante

- Espacios vinculados: zona sur

- 5000 m3/h con un factor de transporte de 0.35 W/ m3/h

- Batería Frío: 8 kW – 1376 L/h

- Batería Calor: 6 kW – 280 L/h

UTA CTE ESTE: Climatizadora a caudal constante

- Espacios vinculados: zona este

- 5000 m3/h con un factor de transporte de 0.35 W/ m3/h



UTA VBLE RESTO: climatizadora a caudal variable multizona

- Espacios vinculados: zona norte, oeste e interior

- 10000 m3/h con un factor de transporte de 0.3 W/m3/h



CALD+ENF GRUPO 1: Grupo de primarios mixto

- Secundarios vinculados: UTA CTE ESTE y UTA CTE SUR

- Caldera Convencional de Gas Natural de 18.00 kW y un rendimiento del 85%, y

una bomba vinculada de 0.05 W/L/h y un caudal de 675 L/h.

- Enfriadora convencional condensada por aire de 11 kW EER 1.2, cuya bomba

circulación es de 2250.00 L/h y 1 W/L/h.

CALD+ENF GRUPO 2: Grupo de primarios mixto

- Secundarios vinculados: UTA VBLE RESTO

- Caldera de baja temperatura de Gas Natural de 6.1 kW y un rendimiento del

90%, y una bomba vinculada de 0.05 W/L/h y un caudal de 350.00 L/h.

- Enfriadora convencional condensada por aire de 20 kW EER 3.8, cuya bomba

circulación es de 2457.00L/h y 0.12 W/L/h.

En CE3 lo que se deberá de hacer será la definición de los primarios, definición de

secundarios y unión a zonas y por último vinculación entre primarios y secundarios.

Para la demanda de ACS del edificio se define un sistema secundario especial que tiene

40

CE3, cuya función es contemplar las diferentes demandas de ACS que puede tener el

edificio. En el caso estudiado se tiene una demanda diaria de 1200L, repartidos de

forma uniforme entre las 8:00 y 20:00 más la hora previa y de cierre de este horario que

se demanda la mitad, y con una consigna de 60 ºC. La producción de esta agua caliente

se hace a través de una caldera eléctrica de 20 kW.

Finalmente se obtendrá el certificado energético con el siguiente aspecto:

Tabla 2.1. Modelo de certificado energético.

Una vez se tiene la situación de partida a partir de CE3, se usa el gestor de

complementos de CE3 para conectar el proyecto de partida de CE3 con la herramienta

de ProgasGHP CE3.

41

La interfaz de este último está optimizada para ser bastante práctica. En ella existen

cuatro operaciones principales, que se pueden ejecutar con los cuatro iconos de la

izquierda La descripción de cada uno de ellos :

Guardar el caso

Definir el caso

Calcular el caso

Herramienta de análisis de resultados

Lo más destacable es que como futuro documento reconocido, aparecen todos los datos de los

fabricantes, y el usuario no define potencias y/o consumos, si no que elige del catálogo las

unidades. Por último ProgasGHP CE3, obtiene los consumos mensuales y estacionales

para cada servicio (calefacción, refrigeración y ACS), y el porcentaje de demanda

cubierta. Con esto se obtendrían los resultados numéricos de la simulación.

2.2.2. CLIMA

Para conocer de qué manera trabajan los simuladores térmicos y en general cualquier

herramienta o software que tenga relación con el comportamiento de los sistemas

térmicos en la edificación es necesario saber la forma en la que están divididas las zonas

climáticas de nuestro país, ya que la demanda del edificio variará según el clima de la

zona.

En cuanto a la limitación de la demanda energética, el CTE establece doce zonas

climáticas, identificadas mediante una letra, correspondiente a la división de invierno, y

un número, correspondiente a la división de verano. Es decir, si el edificio está en

régimen de calefacción se corresponde con las zonas A,B,C,D y E. Por otro lado, si está

en régimen de refrigeración se tiene las zonas 1,2,3 y 4, combinadas de forma adecuada

según las exigencias de la demanda.

La zona climática de cualquier localidad en la que se ubiquen los edificios se obtiene en

función de la diferencia de altura que exista entre dicha localidad y la altura de

referencia de la capital de su provincia. Si esta diferencia de altura fuese menor de

200m, o la localidad se encontrase a una altura inferior que la de referencia, se tomará,

para dicha localidad, la misma zona climática que la que corresponde a la capital de

provincia, de acuerdo con la Figura 11 y Tabla 36 del CTE.E1:

42

Figura 2.1. Figura 11 del CTE, mapa de las zonas climáticas de España.[2]

2.3. MODELIZACIÓN TÉRMICA DE SISTEMAS GEHP

Como se explicó en los anteriores puntos, ProgasGHP está fundamentado en el uso de

GEHP por lo que es necesario modelar el comportamiento de esta máquinas para poder

incorporarlas a la simulación en SST junto con elementos convencionales como

calderas, enfriadoras, bombas, etc. Para ello se lleva a cabo una modelización empírica,

es decir, a partir de datos experimentales se crean modelos simples que permitan estimar

los parámetros principales de operación de estos sistemas, tales como; temperaturas,

caudales de circulación, consumos, etc. Esta modelización se puede realizar en base a la

caracterización con esos datos empíricos de las curvas de operación.

43

Previo a la simulación, hay que tener en consideración unas particularidades del módulo

de simulación de cada GEHP:

• La unidad GEHP no trabajará con un factor de carga inferior al 35% cuando

opere en seguimiento de la demanda.

• Se posibilidad la operación de las unidades GEHP con elemento hidrónico

acoplado hasta el 130% de su carga nominal.

• La máxima temperatura de recuperación de ACS asciende a 65ºC, el resto de

energía se disipa en el elemento disipador de la unidad.

• Cuando la temperatura exterior es inferior al 7ºC la unidad no recupera energía.

• En modo calefacción, la temperatura máxima de producción de agua se limita a

55ºC

• En modo refrigeración, la temperatura mínima de producción de agua se limita a

5ºC.

• En el caso de que la unidad recibiera una orden de control contraria a alguno de

estos límites, las condiciones de operación se fijarían a las de los límites.

El simulador de sistemas térmicos (SST) incorpora los modelos reales de las unidades

que aparecen en la Tabla 1.2. Para ello, se han creado 8 curvas por cada una de las

máquinas, cada una de las cuales define el comportamiento térmico de estos sistemas en

lo referido a su capacidad térmica, consumo y capacidad de recuperación de energía,

cuyo desarrollo se explicó con máximo detalle en el anterior apartado.

Con motivo de realizar las curvas de comportamiento de los distintos equipos se parte

de los datos suministrados por los fabricantes. En los mismos se recogían los datos de

capacidad de calefacción y refrigeración, las cuales se designarán

como de aquí en adelante, así como los consumos eléctricos de calefacción y

refrigeración, denotados en adelante como respectivamente. Estos puntos de

trabajo se han obtenido con variaciones de la Temperatura del agua a la entrada y salida

de la unidad, temperatura de bulbo seco del aire exterior y temperatura de

bulbo húmedo del aire exterior, .

T_e (°C)

44

T_ws

(°C)

20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00

4.00

6.00

Tabla 2.2. Temperaturas para los distintos puntos de trabajo.

Mediante la variación de la temperatura en el intervalo [20,45] °C, así como en

[4,15] °C se obtiene los datos de . ; así como mediante la variación de entre

[-10,12] °C, así como en [35,50] °C se obtiene los datos de .

Estos puntos nos permitirán obtener una correlación con la que obtengamos los valores

de , para cualquier valor de las temperaturas antes mencionadas. Se opta

por utilizar una correlación del tipo:

( )

Se toma esta decisión con objeto de seguir el ajuste más adecuado en nuestro estudio.

A partir de dichos puntos, mediante el uso del complemento “ Curve Fitting Tool” de

la herramienta Matlab se procedió al cálculo del polinomio característico que simulaba

el comportamiento de dichos equipos. Para ello realizamos el ajuste de dichos datos con

el polinomio característico que seguía la siguiente estructura:

( ) ( )

( )

Una vez introducidos los datos correspondientes a y el parámetro en cuestión

que deseemos calcular a partir de ellos, e implementando “Curve Fitting Tool”

obtenemos un resultado como el que se muestra:

45

.

Figura 2.2. Complemento “Curve Fitting Tool” de la herramienta Matlab

Tras haber realizado dicho ajuste podemos calcular para las cargas y consumos para las

distintas que tratemos. Se implementará el polinomio calculado previamente,

cuyos coeficientes fueron obtenidos con la implementación de Matlab que

anteriormente se mencionó. Con la aplicación del mismo obtendremos los valores

aproximados de las variables en cuestión que se busca calcular.

Ahora bien, se necesita obtener la curva de variación del consumo en función de la

carga parcial. Para ello el fabricante facilita los datos medidos del consumo en unas

ciertas condiciones térmicas y para un factor de carga fijado con el control. El

procedimiento, aproxima la influencia del factor de carga para el consumo medido a

partir del consumo en condiciones nominales y al 100% de carga, admitiendo el

siguiente fundamento:

En primer lugar asumimos que el factor corrector de la capacidad de refrigeración o

puede calcularse como:

( )

( )

De igual modo , el factor corrector del consumo de refrigeración , ; puede

obtenerse como :

46

( )

( )

Como se explicó previamente, los valores que se obtienen con el polinomio de ajuste de

las curvas son función exclusiva de las temperaturas en las que se encuentre trabajando

lo máquina en cuestión. Por ello, una vez se hayan calculado todos estos puntos para

cada dato suministrado, se puede llegar a la conclusión de que el consumo real del

equipo, en función de las temperaturas a las que trabaje según se encuentre en régimen

de calefacción o refrigeración; así como en función del factor de carga parcial al que se

le esté llevando a trabajar, puede describirse del siguiente modo:

( )

Se podrá, del mismo modo; tener en cuenta que al poder calcularse las variables

mediante el polinomio función de las temperaturas; podremos calcular

qué factor de carga parcial nos suministra nuestra aproximación y realizar una

comparativa con el que se nos suministra. Con objeto de ilustrar este punto, en el

ejemplo del procedimiento empleado se usará un método numérico para su fácil

entendimiento. Habiéndose calculado , y conocida , se puede

conocer el factor de carga parcial ( ) al que trabaja la máquina en cuestión con

referencia al ajuste realizado. De este modo quedaría que el factor de carga parcial

calculado ( ) puede definirse como:

Nótese que esta explicación pueda extrapolarse a todas las variables que se han

mencionado a lo largo del capítulo.

Con este cálculo se puede elaborar método de ajuste que se describe a continuación:

• Una vez obtenidos los valores buscados, y partiendo del conocimiento de la

potencia y el consumo nominal de cada equipo se llevará a cabo el cálculo del

consumo de cada equipo, usando los ajustes previamente calculados, pudiendo

obtenerse de los mismos los factores de carga y consumo. Así mismo, se calcula

47

el error cometido con el uso de la correlación con motivo de comprobar la

validez de la misma.

• Obtenidos los mismos llevaremos a cabo el cálculo del polinomio de ajuste del

factor de carga de los equipos. Este polinomio seguirá la forma que se muestra a

continuación:

( )

• Permitiéndonos obtener el factor que corrija el facto fcp en función del fcp que

se nos suministró. Con este, mediante el producto de podremos

corregir el dato que nos suministrará el fabricante para cada caso en cuestión. A

modo de ejemplo se adjunta imagen:

Factor consumo

realizado con

ajuste

fcp

suministrado

Tabla 2.3. Ejemplo visual de la tabla a generar con los datos corregidos con fcp.

• Partiendo de los datos que completen la tabla adjunta, se obtendrá una imagen

como la que se muestra:

Gráfica.2.1. Ejemplo visual del resultado de la corrección de datos.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

48

2.3.1. SÍNTESIS DE CURVAS DE OPERACIÓN IDENTIFICADAS

A continuación se enumeran y se describen las dependencias funcionales de las curvas

correctoras, con las condiciones climáticas exteriores, con el factor de carga parcial y

con la temperatura de distribución de agua.

1) Curva correctora de la capacidad de calefacción, ( ): es el factor

corrector de la curva de capacidad de calefacción en función de la temperatura de

bulbo húmedo correspondiente al factor de carga parcial indicado.

( ) ( )

( )

2) Curva correctora del consumo de calefacción, ( ): es el factor

corrector de la curva de consumo de calefacción en función de la temperatura de


( ) ( )

( )

3) Curva correctora del consumo de calefacción, ( ): es el factor corrector de

la curva de consumo de calefacción en función del factor de carga parcial.

( )

Análogamente, se tienen las mismas curvas correctoras para refrigeración, con la

salvedad de que en este caso, en lugar de la temperatura de bulbo húmedo, se emplea la

temperatura exterior en las curvas ( ).

4) Curva correctora de la capacidad de refrigeración, ( ): es el factor

corrector de la curva de capacidad de calefacción en función de la temperatura de


49

( ) ( )

( )

5) Curva correctora del consumo de refrigeración, ( ): es el factor

corrector de la curva de consumo de calefacción en función de la temperatura de


( ) ( )

( )

6) Curva correctora del consumo de refrigeración, ( ) es el factor corrector

de la curva de consumo de calefacción en función del factor de carga parcial.

( )

7) Curva correctora de la capacidad de recuperación de ACS, ( ) es el

factor corrector de la potencia nominal de recuperación de ACS en función de las

condiciones climáticas.

( ) ( ) ( )

8) Curva correctora de la capacidad de recuperación de ACS CC_ACS(Text): es el

factor corrector de la potencia nominal de recuperación de ACS en función de la

carga parcial.

( ) ( ) ( )

Los coeficientes ( ) de esta curva dependen de la unidad

GEHP, donde las variables Temperatura del agua a la entrada y salida de la unidad, que

se definen ; así como la temperatura de bulbo seco del aire exterior y

temperatura de bulbo húmedo del aire exterior, que se definen como .

Además, el es el factor de carga parcial suministrado en cada caso.

Las curvas correctoras son datos suministrados por el fabricante y que por lo tanto

varían con cada modelo particular de bomba de calor. En el procedimiento descrito en el

presente documento, las curvas correctoras de la bomba de calor cuyas prestaciones

medias se deseen analizar son un dato requerido. Una vez conocidas las dependencias

50

funcionales de las curvas correctoras, es preciso determinar en cada caso los valores de

las condiciones climáticas representativas para los factores de carga parcial

correspondientes al 50 y 100%.

En particular, es preciso estimar en calefacción las temperaturas de bulbo húmedo

representativas y en refrigeración las temperaturas exteriores para los factores de carga

parcial descritos. Para cada caso concreto (fijando un tipo de edificio, una localidad, un

uso, una orientación y un nivel de aislamiento), la temperatura representativa comentada

durante las horas de funcionamiento de la bomba de calor a gas puede presentar gran

dispersión. Los rendimientos nominales de la bomba de calor a gas en calefacción y

refrigeración respectivamente tomados de catálogo y los valores rendimientos medios

estacionales de calefacción y refrigeración se obtienen mediante las siguientes

expresiones:

( )

( )

Siendo:

A y B las constantes de cálculo relacionadas con las estimaciones del porcentaje

de horas en las que el sistema trabajó con un factor de carga parcial del 50% y

del 100%, tanto para calefacción como para refrigeración.

y los rendimientos de calefacción a cargas parciales

correspondientes al 50 y al 100%, respectivamente. y los

rendimientos de refrigeración a cargas parciales correspondientes al 50 y al

100%, respectivamente.

es el COP medio estacional de la instalación, al igual que el

es el EER medio estacional de la instalación.

α es la constante relacionada con el porcentaje de energía entregada por el

equipo auxiliar y la bomba de calor a gas (GEHP). El valor de la constante es

distinto para calefacción y refrigeración.

51

2.4. ESQUEMAS DE CLIMATIZACIÓN Y ACS BASADOS

EN GEHP

Los esquemas que se van a mostrar a continuación han sido diseñados por SEDIGAS

por ser los esquemas más aconsejables y cada uno cumple unas funciones diferentes.

1) GEHP+ Kit hidrónico + Enfriadora eléctrica y Caldera de apoyo

(Prioridad Calefacción)

Figura 2.3.Esquema Caldera-Enfriadora.

52

2) GEHP+ Kit hidrónico + Enfriadora eléctrica y Caldera de apoyo

(Prioridad ACS)

Figura 2.4.Esquema Hidro.

Este esquema es prácticamente idéntico al anterior, pero se diferencian en las leyes de

control que los rigen, por lo que su comportamiento no es igual. Ambos tiene un lazo de

recuperación con una instalación de paneles solares (marcado en la figura en azul).

3) GEHP+ Kit hidrónico + BdC eléctrica y Caldera de apoyo

53

Figura 2.5.Esquema Bomba de Calor.

Nótese que no aparece en los esquemas el punto de conexión a red de ACS, el cual está

marcado en rojo en los tres.

54

3. PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO PARA EL

CÁLCULO DE LAS PRESTACIONES MEDIAS

ANUALES

3.1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

La guía que se desarrolla en este proyecto y principal objetivo de éste consiste en el

cálculo simplificado de las prestaciones medias estacionales de los sistemas hidrónicos

mediante bombas de calor a gas mediante el cálculo de los factores de ponderación y de

los rendimientos medios estacionales de las bombas de calor a gas. En concreto, en una

misma guía se incluyen dos procedimientos; nivel 1 y nivel 2, ambos suscritos en un

marco de convenio suscrito entre SEDIGAS y AICIA.

Los fundamentos teóricos del procedimiento se basan en lo desarrollado en el

documento reconocido por el Ministerio de Industria, Energía y Turismo (MINETUR)

“Prestaciones medias estacionales de sistemas y equipos de producción de frío y calor

en edificios de viviendas”, revisado con las aportaciones de la siguiente referencia [ARI

Standard 550/5901] para su adaptación a edificios del sector terciario. El alcance del

procedimiento, por tanto, se limita a edificios terciarios climatizados mediante los

sistemas referidos, ubicados en cualquiera de las 12 zonas climáticas de la Península

Ibérica y con cualquiera de las 12 combinaciones de intensidades de fuentes internas y

usos posibles.

Ya que el dimensionado de los equipos es un parámetro de gran importancia, se aclara

que el alcance del procedimiento se ciñe a sistemas dimensionados para suministrar

entre un 40 y un 50% de la potencia punta demandada por el edificio, incluyendo un

sistema de apoyo para dar la potencia restante. Adicionalmente la acumulación tendrá

un valor fijo de 70l/kW, lo anterior es de aplicación tanto para la potencia de

calefacción, como para la de refrigeración.

El valor del rendimiento medio estacional (COP o EER) obtenido mediante el presente

procedimiento simplificado es conservador, de modo que al menos en el 85% de los

casos simulados se obtienen rendimientos medios estacionales inferiores a los obtenidos

55

mediante las simulaciones con ProgasGHP, programa informático que queda resumido

en el ANEXO B. En términos cuantitativos, mediante el procedimiento simplificado se

obtienen errores como máximo del 16% por encima del valor del rendimiento medio

estacional (COP o EER) obtenido mediante ProgasGHP o del 20% por debajo del

mismo en el caso del nivel 1; en el nivel 2 los errores se reducen al 10% por encima de

rendimiento medio estacional y al 15% por debajo.

En una segunda fase del desarrollo se estudiará la posibilidad de mejora de estos

sistemas atendiendo al volumen de acumulación (por lo que se variará la cantidad inicial

fijada en 70 l/kW hasta la mitad, se aumentará un 150% y también un 200%), al COP

de la caldera(variándolo desde 0.85,0.9,0.95 y 0.98) y al EER de la enfriadora (éste

variándolo en un 125% y en un 150%).

Todos los conceptos teóricos que se desarrollarán en los siguientes puntos quedan

reflejados en un archivo de tipo .exe, de forma que sea la herramienta que pueda utilizar

el usuario final para la elección de la máquina que mejor se ajuste a sus necesidades

según clima y uso. Ésta hoja del programa Excel, en la que se han automatizado todas

las variables a tener en cuenta, juega el papel de interfaz de la guía de diseño.

El NIVEL 1 es básico, puesto que no requiere el cálculo de ningún parámetro

intermedio; y el NIVEL 2 que, sin dejar de ser simplificado, requiere el cálculo de

parámetros intermedios a partir de los cuales se obtienen los rendimientos medios

estacionales. Al primero se le ha llamado procedimiento simplificado básico o de primer

nivel y al segundo procedimiento simplificado de nivel 2. Dicho procedimiento, al ser

simplificado, tiene una aplicación y un uso sencillos, pero al mismo tiempo garantiza

una precisión aceptable de los resultados.

Las prestaciones medias estacionales de un equipo o sistema se calculan multiplicando

sus prestaciones nominales por un factor denominado factor de ponderación

representativo. El factor de ponderación se define mediante las siguientes expresiones

matemáticas (para calefacción y refrigeración respectivamente):

56

Sabiendo, del capítulo 2, las expresiones con las que podemos obtener y .

Los rendimientos de calefacción a cargas parciales correspondientes al 50 y 100%

( y ) y análogamente los de refrigeración ( y ) no son

directamente los valores dados por el fabricante, sino que dependen, además del

rendimiento nominal a plena carga, de unas curvas correctoras según las siguientes

expresiones:

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

Como se puede obeservar, son dependientes de las curvas correctoras para cada

máquina, cuyo desarrollo ya quedó plasmado en el anterior capítulo de la presente

memoria.

El rendimiento estacional de calefacción es el cociente entre la energía calorífica

suministrada, bien para calefacción o bien para ACS por la GEHP y el consumo de

energía requerido. Es decir, se considera efecto útil la cantidad de energía calorífica que

se recupera de la unidad hacia el lazo de ACS del esquema. Por lo que resulta:

( ) ( )

( )

De forma análoga el rendimiento medio estacional en la estación de refrigeración es el

cociente entre la cantidad de energía útil en forma de agua fría para refrigeración

(Producción de frío para refrigeración) y agua caliente sanitaria (energía recuperada), y

el consumo de combustible requerido durante ese periodo.

57

( ) ( )

( )

Además se necesita el cálculo de los rendimientos de los equipos auxiliares, es decir, de

aquellos que no son la bomba de calor a gas.

Como se ha comentado en el capítulo de los esquemas hidrónicos, los esquemas de

“hidro” y el de “caldera-enfriadora” tienen una caldera y una enfriadora de apoyo, sin

embargo el esquema “bomba de calor” tiene una bomba de calor además de la bomba de

calor a gas o GEHP. Por esto, éste último esquema tiene dos coeficientes beta, uno para

la caldera que produce ACS y otro para el apoyo del auxiliar. Así, el cálculo de

con el coeficiente es el siguiente:

( )

3.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

Para obtener los rendimientos medios estacionales y los factores de ponderación

correspondientes a cada sistema se han seguido las siguientes etapas:

1. Definición de una muestra representativa de edificios

2. Dimensionado del equipo o sistema

3. Generación de base de datos de factores de ponderación

4. Obtención de las tablas para el cálculo de resultados intermedios

3.2.1. MUESTRA DE EDIFICIOS

EDIFICIO 1

A continuación, se describe el edificio que se utiliza como ejemplo. Este ejemplo

coincide en la parte de definición del edificio con el “Ejemplo 2.0” descrito en

58

CALENER-GT (“Manual de usuario.pdf”), así pues, se mantiene la misma

nomenclatura de referencia durante la descripción del mismo.

En primer lugar se procede a su definición en la herramienta CE3, más concretamente

en su versión GT. Posteriormente se sustituyen los primarios del edificio base por un

esquema basada en bomba de calor a gas, con objeto de demostrar la aplicación de este

tipo de sistemas en la rehabilitación energética de edificios.

Descripción del proyecto

Se trata de un edificio de oficinas de una sola planta con cinco espacios, cuatro externos

en las cuatro orientaciones básicas y uno interno. Esta división de los espacios se debe,

como se comentará más adelante, a la existencia de cinco zonas térmicas diferentes.

Figura 3.1. Vista en tres dimensiones del proyecto del edificio 1 (CALENER) eliminando la cubierta.

El sistema de climatización es hidrónico centralizado, particionado en dos circuitos a

dos tubos, uno para alimentar a dos climatizadoras a caudal constante de las zonas este y

sur respectivamente, y otro para la climatizadora multizona a caudal variable de las tres

zonas restantes. Además, aparece una red de ACS independiente a la que se le acopla

otra caldera para este suministro.

59

Figura 3.2. Plano acotado del proyecto "Ejemplo 2.0”.

Características constructivas

El edificio tiene una planta de 2000 m2, con toda su epidermis al exterior y en contacto

con el terreno. Las fachadas tienen un 60% de superficie acristalada. Los datos más

relevantes son los siguientes.

60

Tabla 3.1. Cerramientos y huecos del edificio 1.

Espacios

A continuación se muestra una tabla con las cargas internas por iluminación y las

condiciones de funcionamiento y ocupación:

Tabla 3.2. Espacios del edificio 1.

Equipos

Como se ha comentado con anterioridad el sistema de climatización del edificio se



61

climatizadoras. Todas las características las conocemos del capítulo anterior en el

subcapítulo, ya que estamos tratando el mismo edificio del ejemplo anterior.

EDIFICIO 2

Descripción del proyecto

Edificio de uso docente, de dos plantas idénticas (PB+1) situada en Madrid y construido

en el año 2007.

Figura 3.3. Vista esquemática del edificio 2 en perpectiva.

Datos generales

Planta en L de 294,94 m2, apoyada sobre terreno. No se encuentra afectada por

elementos exteriores que pudieran sombrearla de manera significativa. La cubierta es

plana y las plantas tienen una altura de 3 metros.

62

Figura 3.4. Vista esquemática del alzado y planta del edificio

Características constructivas

Tabla 3.3. Cerramientos opacos del edificio 2.

Tabla 3.4. Huecos y lucernarias del edificio 2.

63

Tabla 3.5. Porcentaje de huecos en el edificio 2.

La siguiente tabla describe el sistema de climatización considerado para este edificio:

Tabla 3.6. Sistema de climatización del edificio 2.

Se definieron los equipos o sistemas cuyo factor de ponderación se desea obtener sobre

una muestra de 3 edificios terciarios basada en aquellos parámetros que determinan el

diseño de los sistemas tales como la superficie útil y el tamaño de los espacios.

64

El comportamiento del edificio y del sistema se evaluó realizando los cálculos en las 12

localidades genéricas representativas de todas las zonas climáticas de España. Dichas

zonas climáticas genéricas son las mismas que las utilizadas por la herramienta

unificada para verificar el cumplimiento con los Documentos Básicos HE0 y HE1 del

Código Técnico de la Edificación aprobado por la Orden FOM/1635/2013, de 10 de

septiembre, por la que se actualiza el Documento Básico DB-HE «Ahorro de Energía»,

del Código Técnico de la Edificación RD 314/2006, de 17 de marzo (BOE 08-

noviembre-2013).

Las características constructivas responden a la aplicación estricta de las exigencias del

documento básico CTE-HE1 de 2006 para cada zona climática (edificio de referencia).

Asimismo, en la muestra de edificios se tiene en cuenta tanto el uso del mismo como la

intensidad de las fuentes internas, realizando los cálculos en cada caso para cuatro

niveles dados por las combinaciones de usos e intensidades estándar.

3.2.2. DIMENSIONADO DEL EQUIPO O SISTEMA

Las unidades terminales trabajarán a baja temperatura (fan-coils, suelo radiante, etc.). El

consumo de ACS será soportado en este orden de prioridad:

1) Generación del sistema de captación solar térmico

2) Recuperación de la GEHP

3) GEHP

4) Calderas de apoyo.

De forma resumida, las unidades operan en función de la temperatura de los

acumuladores de calor, frío y ACS, en función de la estación. La GEHP solo puede

operar al 50% o 100% según unas temperaturas límite del acumulador. A su vez los

equipos auxiliares arrancan cuando la temperatura del acumulador cae o asciende de un

valor. La potencia de los equipos o sistemas se obtendrá de acuerdo con cualquier

procedimiento de cálculo de cargas usual contrastado en la práctica.

Todos los casos se han simulado siguiendo el mismo criterio de dimensionado de

equipos y volúmenes de acumulación. Dicho criterio se resume en que la potencia

65

nominal de los equipos está comprendida entre el 40 y el 50% de la demanda punta de

calefacción y refrigeración (45%), adicionalmente los volúmenes de acumulación son

de 70l/kW de potencia nominal del equipo asociado al mismo.

Dicho esto se considera que la unidad exterior, conserva sus consumos y potencias, pero

lo que cambia es la potencia de los equipos colgado del kit hidrónico. Es por esto que

cuando la GEHP recibe la orden de trabajar al 100% la potencia que es capaz de

entregar es la máxima de los sistemas colgados. De ahí que para cada edificio se busque

el sistema (unidad exterior + hidrokit) más adecuado.

Sobre el control hay que decir que, los casos fijan el horario de operación y la duración

de la estación aparece marcada en las Tablas 3.15 y 3.16 que se corresponden con la

duración de la estación de calefacción y de refrigeración, obtenida por las simulaciones,

dependiente del uso del edificio y la zona climática de invierno y de verano,

respectivamente.

3.2.3. GENERACIÓN DE BASE DE DATOS DE RESULTADOS

Una vez definido el conjunto de casos, mediante el programa ProgasGHP se obtuvieron

las demandas y los consumos en energía final de calefacción y refrigeración (según

corresponda). Y a partir de las demandas y los consumos, se obtuvieron los resultados

finales expresados en los siguientes términos:

- El rendimiento de la instalación ( o ) obtenido como el

cociente entre la demanda total (calefacción y ACS o refrigeración y ACS) y los

consumos totales de la bomba de calor y sus equipos auxiliares (caldera en la

estación de calefacción o enfriadora y caldera en la estación de refrigeración).

- El rendimiento de la bomba de calor ( o ) se obtiene

como el cociente entre la fracción de la demanda total (calefacción y ACS ó

refrigeración y ACS) satisfecha por la bomba de calor a gas y el consumo total

de dicha bomba. Los factores de ponderación son los cocientes entre los

rendimientos medios estacionales de las bombas y los rendimientos nominales

correspondientes, tanto para calefacción como para refrigeración.

66

Adicionalmente, se calcularon una serie de resultados intermedios, que se enumeran a

continuación:

- Los valores de y los rendimientos de calefacción a cargas

parciales correspondientes al 50 y 100% de carga parcial respectivamente.

- Los valores de y , que representan los rendimientos de

refrigeración a cargas parciales correspondientes al 50 y 100% respectivamente.

- Los valores de las constantes A y B relacionadas con el porcentaje de horas en

las que el sistema trabajó con un factor de carga parcial aproximado en los

intervalos 50% y 100%. Los valores de las constantes son distintos para

calefacción y para refrigeración.

- Los porcentajes de demanda no cubierta, es decir que fracción de la demanda

requerida no es satisfecha por la instalación.

Las prestaciones medias estacionales se calcularon como el cociente entre las demandas

y los consumos en energía final. Se hace notar en este punto que el factor de

ponderación es independiente de la calidad del equipo en condiciones nominales, es

decir, el factor de ponderación es el mismo si, por ejemplo, el COP nominal de una

bomba de calor es 2.5 o 4.

3.2.4. OBTENCIÓN DE LAS TABLAS PARA EL CÁLCULO DE

RESULTADOS INTERMEDIOS

Se muestran los resultados de las temperaturas de bulbo húmedo y exteriores para

calefacción y refrigeración respectivamente.

Tabla 3.7. Temperaturas de bulbo húmedo para calefacción.

67

Tabla 3.8. Temperaturas exteriores para refrigeración.

A partir de los resultados de las temperaturas se obtuvieron los valores de y

para los factores de carga parcial del 50 y 100%, empleando para ello las curvas

correctoras de la bomba de calor a gas, proporcionadas por el fabricante.

A continuación se calcularon, en cada subconjunto de casos (zona climática + uso), los

valores correspondientes de las constantes A y B, que como se ha señalado

anteriormente aparecen directamente en la definición de la expresión del rendimiento

estacional.

Las constantes A y B se calcularon de modo que la estimación del valor de los

rendimientos medios estacionales fuese conservadora en al menos el 85% de los casos

en comparación con los resultados obtenidos con ProGasGHP. Por criterio conservador

se entiende que los valores de los rendimientos medios estacionales obtenidos por el

procedimiento simplificado sean inferiores a los obtenidos mediante ProGasGHP.

Las constantes A y B están relacionadas con los porcentajes de horas en los que el

sistema trabaja en los rangos de factor de carga parcial 50% y 100%.

3.3. APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

En este punto hay que diferenciar dos niveles en cuanto al desarrollo de cálculo.

3.3.1. MÉTODO SIMPLIFICADO BÁSICO; NIVEL 1

68

A partir de las definiciones de los factores de ponderación descritas anteriormente, el

cálculo de los rendimientos medios estacionales se hace de forma directa a partir de los

rendimientos nominales como sigue:

Los valores numéricos de los factores de ponderación se encuentran en las tablas

detalladas en el ANEXO A, en función de las fuentes internas y de las zonas climáticas

genéricas.

El rendimiento medio de la instalación se puede obtener a partir de los rendimientos

anteriores de la misma forma que la descrita a continuación para el nivel 2.

Obtención de los coeficientes del NIVEL 1

Los valores numéricos se encuentran en las tablas detalladas en el ANEXO A, en

función de las fuentes internas y de las zonas climáticas genéricas:

Tabla Tabla B1.N1cal: en función de la zona climática.

Tabla Tabla B2.N1cal.: coeficientes en función de la zona climática en

calefacción.

Tabla B1.N1Ref: en función de la zona climática.

Tabla Tabla B2.N1Ref: coeficientes en función de la zona climática en

refrigeración.

3.3.2. MÉTODO SIMPLIFICADO NIVEL 2

Como se ha descrito anteriormente, los rendimientos medios estacionales de calefacción

y refrigeración del equipo y de la instalación se obtendrían mediante las siguientes

expresiones, cuyas variables ya es sabido lo que representan:

69

( )

( )

En los siguientes apartados se describe el proceso de cálculo de los términos

enumerados.

Obtención de A y B

Los valores numéricos se encuentran en las tablas detalladas en el ANEXO A,

en función de las fuentes internas y de las zonas climáticas genéricas:

Tablas B1: A en régimen de calefacción.

Tabla B5: A en régimen de refrigeración.

Tabla B2: B en régimen de calefacción.

Tabla B6: B en régimen de refrigeración.

Tabla B3: en régimen de calefacción

Tabla B7.: en régimen de refrigeración

Obtención de los COP y los EER a carga parcial

Para la obtención de los COP y los EER a carga parcial, es necesario determinar

previamente las siguientes variables:

- Las temperaturas de bulbo húmedo correspondientes a los factores de

carga parcial de 50% y de 100% para calefacción ( y ).

- Las temperaturas exteriores correspondientes a los factores de carga

parcial de 50% y de 100% para refrigeración ( y ).

Los valores de y dependen exclusivamente de la zona

climática de invierno de la localidad y se encuentran en las Tabla B4 del

ANEXO A.

Los valores de y dependen exclusivamente de la zona

climática de verano de la localidad y se encuentran en las tabla Tabla B8 en del

ANEXO A.

70

Los términos y son los rendimientos de calefacción a cargas

parciales correspondientes al 50 y 100% respectivamente, y se obtienen

mediante las siguientes expresiones:

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

Análogamente, los términos EER50 y EER100 son los rendimientos de

refrigeración a cargas parciales correspondientes al 50 y 100% respectivamente,

y se obtienen mediante las siguientes expresiones:

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

3.3.3. EJEMPLO DE PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO

Con el objetivo de clarificar el proceso de cálculo mediante los métodos simplificados

propuestos en el presente documente, se plantean los siguientes ejemplos de aplicación.

Se desea obtener rendimiento medio estacional de las bombas de calor a gas acopladas

con un módulo hidrónico tipo 1 instaladas en un edificio terciario de las siguientes

características:

o Localidad: C2

o Superficie acondicionada: 1369.5m2

o Uso: asimilable a intensidad MEDIA y 8 horas de funcionamiento.

o Bomba de calor a gas seleccionada: PANASONIC U-25GE255 + S-710WX2E5

o Potencia Unidad Exterior: 71 kW (frío) y 80kW (calor).

o Consumo Unidad Exterior: 60.4 kW (frío) y 53.2 kW (calor).

o Potencia Unidades Interiores (kit hidrónico): 71kW (frío) y 80kW (calor)

o = 1.48 y =1.33

71

o Capacidad nominal de recuperación de ACS de 30kW.

o Rendimiento medio estacional del sistema de apoyo de calefacción: 0.95

o Rendimiento medio estacional del sistema de apoyo de refrigeración: 2

NIVEL 1

El procedimiento cálculo para aplicar el método simplificado de nivel 1 se aplica

siguiendo las siguientes etapas:

1. Determinación de la zona climática de terciarios.

2. Determinación del factor de ponderación.

En este caso la zona climática C2. Entrando en las Tablas B1.Cal y B1.Ref. del ANEXO

A se obtienen los siguientes valores del factor de ponderación:

Que proporcionan un rendimiento medio estacional de la bomba de calor a gas en modo

calefacción y de refrigeración de:

En caso de querer conocer el rendimiento medio de la instalación habría que componer

el valor anterior junto con el rendimiento medio del sistema auxiliar usando la siguiente

expresión:

( )

( )

72

Y conociendo el valor del parámetro α obtenido de las Tablas B2.N1Ref y

B2.N1Cal son :

α (nivel 1, calefacción)=0.78

α (nivel 1, refrigeración)=0.76

Por lo que :

NIVEL 2

El procedimiento cálculo para aplicar el método simplificado de nivel 2 se aplica

siguiendo las siguientes etapas:

1. Cálculo de los coeficientes A y B.

2. Determinación de la temperatura de bulbo húmedo a los distintos factores de

carga parcial.

3. Determinación de la temperatura exterior a los distintos factores de carga

parcial.

4. Cálculo de los valores de las curvas correctoras de calefacción a los distintos

factores de carga parcial.

5. Cálculo de los valores de las curvas correctoras de refrigeración a los distintos

factores de carga parcial.

6. Cálculo de los valores de COP y EER a los distintos factores de carga parcial.

7. Cálculo del COP medio estacional y del EER medio estacional.

Al tratarse de la zona climática C2 y un uso de Alta con 16 horas de funcionamiento, el

periodo de calefacción, de acuerdo con la Tabla 3.9, se corresponde con los meses de

Noviembre, Diciembre, Enero, Febrero y Marzo. Análogamente, refiriéndonos a la zona

de verano se corresponde con los meses de Junio, Julio, Agosto y Septiembre, como se

muestra a continuación:

73

Tabla 3.9. Ejemplo de aplicación de la zona de invierno en el NIVEL 2.

Tabla 3.10. Ejemplo de aplicación de la zona de verano en el NIVEL 2.

En este caso, se dimensiona el sistema para cubrir un 45% de la carga punta de

calefacción que tiene el sistema primario.

1. Cálculo de los coeficientes A y B

74

Consultando en las tablas correspondientes a calefacción para zona climática C2

e intensidad de fuentes internas altas se tiene:

Tabla 3.11. Coeficientes A y B en calefacción para Alta 16h.

Análogamente, los valores correspondientes a refrigeración son los siguientes:

Tabla 3.12. Coeficientes A y B en refrigeración para Alta 16h.

2. Cálculo de la temperatura de bulbo húmedo a los distintos factores de carga

parcial

Los valores de las temperaturas de bulbo húmedo dependen exclusivamente de

la zona climática de invierno. Consultando en la tabla correspondiente los

valores de Tbh50% y Tbh100% del ANEXO A son los siguientes:

Tabla 3.13. Coeficientes Tbh50% y Tbh100%.

3. Cálculo de la temperatura exterior a los distintos factores de carga parcial

Los valores de las temperaturas exteriores a factores de carga parcial dependen

exclusivamente de la zona climática de verano. Consultando en la tabla

correspondiente los valores de Text50% y Text100% son los siguientes:

75

Tabla 3.14. Coeficientes Text50% y Text100%.

4. Cálculo de los valores de las curvas correctoras de calefacción a los distintos

factores de carga parcial

Sustituyendo los valores de las Tbh en las expresiones de las curvas correctoras

de calefacción, para los distintos factores de carga se obtienen los resultados que

se detallan a continuación:

Curvas correctoras de la capacidad con la temperatura de bulbo húmedo:

( ) ( )

Curvas correctoras del consumo con la temperatura de bulbo húmedo

( ) ( )

Curvas correctoras del consumo con el factor de carga parcial:

( ) ( )

5. Cálculo de los valores de las curvas correctoras de refrigeración a los distintos

factores de carga parcial

Sustituyendo los valores de las Text en las expresiones de las curvas correctoras

de refrigeración, para los distintos factores de carga parcial se obtienen los

resultados que se detallan a continuación.

Curvas correctoras de la capacidad con la temperatura exterior:

( ) ( )

76

Curvas correctoras del consumo con la temperatura de bulbo húmedo

( ) ( )

Curvas correctoras del consumo con el factor de carga parcial:

( ) ( )

6. Cálculo de los valores de COP a los distintos factores de carga parcial

Los términos , , y se calculan como ya se explicó

en el apartado 3.1 de este mismo capítulo de la siguiente manera:

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

( )

( ) ( )

7. Cálculo del COP medio estacional y del EER medio estacional

77

Para el cálculo del COP medio estacional y el EER medio estacional a partir de

los datos obtenidos anteriormente se emplean las Tabla.B1.N2Cal y B1.N2Ref

obtenida del ANEXO A resultando:

;

;

Además es necesario el cálculo de como se dijo en el punto 3.1:

( )

( )

3.4. METODOLOGÍA DE CÁLCULO

Se ha realizado un estudio con tres esquemas de sistemas hidrónicos, tres edificios, tres

máquinas más otra como estudio de comparación, doce zonas climáticas y cuatro usos,

lo que hace un total de: 1728 casos. Además, teniendo en cuenta que más tarde se

procederá a desarrollar un estudio de las posibles mejoras de los sistemas, el número de

casos se multiplicará. Se muestra a continuación un esquema simplificado de la

metodología:

78

Figura 3.5. Esquema de la metodología.

ENTRADAS

Clima : son los datos necesarios de las distintas zonas climatológicas de España,

explicado en el capítulo anterior. Existe un documento, legible por el simulador (de tipo

.met), por cada provincia y zona climática.

Demandas: se traduce en las necesidades que tendría cada edificio dependiendo de la

zona climática en la que esté. Hay un archivo .txt de demanda por cada zona climática y

uso. El cálculo de la demanda del edificio se obtiene mediante CE3 con la construcción

de referencia constante para cada clima, lo que significa que los edificios son diferentes

en cada zona climática en lo referido a la construcción del mismo. La demanda de ACS

tiene un valor constante, típico de los edificios terciarios.

Control: las leyes de control están fijadas ya que se trabaja con unas leyes oficiales, y

las aporta SEDIGAS. Se basan en aquellos meses considerados como periodos de

calefacción (invierno) y los meses considerados como refrigeración (verano). A

continuación se muestran dos tablas con lo que será la ley de control del simulador:

79

Tabla 3.15. Duración de la estación de calefacción dependiente la zona climática de invierno

Tabla 3.16. Duración de la estación de refrigeración dependiente la zona climática de verano.

Sistemas: se corresponden con los documentos de texto de entrada en los que se reflejan

los esquemas hidrónicos y las características de la máquina objeto de estudio. A lo largo

80

de este capítulo se visualizará la apariencia de estos sistemas y cómo se tratan los

resultados de cada esquema.

SALIDAS

Resultados: se obtendrán tanto horarios como mensuales y anuales. A raíz de los

mensuales se calcularán los anuales y con éstos se desarrollará todo el procedimiento.

Decir además, que los anuales están agrupados por calefacción y refrigeración como se

muestra en la Tabla 3.18.

3.5. EJEMPLO: ESQUEMA HIDRO, U-25 S710

En este capítulo se va a desarrollar todo el proceso para el caso de la máquina Panasonic

U25 con el hidrokit S710 ya que es una de las más estables de toda la gama, como ya se

ha comentado antes, además de aportar una potencia elevada en calefacción y en

refrigeración.

Las conclusiones que se van a poder obtener mediante el estudio que se va a llevar a

cabo con el software van a estar basadas, además de en la máquina comentada, en los

tres esquemas ya comentados en en anterior capítulo.

En el ejemplo se elegirá el esquema número 3, al cual se le denominará “Hidro” para

simplificar su nombre. Éste consta de una GEHP con el apoyo de una caldera y tendrá

prioridad de ACS, como se muestra en la siguiente figura:

81

Figura 3.6. Esquema 3 (HIDRO).

La forma en la que el software reconocerá cada uno de los esquemas se realizará

mediante documentos de texto de tipo .txt los cuales será capaz de leer e interpretar.

Por ejemplo, para un volumen de acumulación nominal, es decir, de 70 L/kW(condición

fijada por SEDIGAS) se plantería para un mejor reconocimiento visual las

características del esquema en una hoja Excel como se muestra en las siguiente figura:

82

Figuras 3.7. Fragmento de la hoja con todos los equipos del esquema y sus propiedades.

En otra hoja se crean hipervínculos a ésta y quedará escrito de forma que se pueda pegar

en un documento de texto legible por el simulador:

Figura.3.8. Fragmento de la hoja Excel que genera los datos para el documento de texto.

Se observa en éste fragmento que se necesita información de control además de las

demandas de los edificios. Los datos de control son aportados por SEDIGAS y las

demandas fueron obtenidas mediante el software de certificación energética en edificios

CE3. En la casilla de acumulación de calor aparece un 4970 lo que equivale a 70

L/kW*71 kW de capacidad nominal de refrigeración de la máquina U25-S710. Como

éste, el resto de los volúmenes de acumulación están fijados también para 70 L/kW.

La siguiente fase es crear el documento que le aportaremos al simulador, el cual tiene un

aspecto similar al anterior fragmento:

83

Figura 3.9. Fragmento del documento de tipo .txt legible por el simulador.

En este punto ya se puede hacer uso del simulador SST.bat que tendrá como inputs o

entradas las demandas de los edificios, el control y el documento anterior que se

corresponde con el sistema que generará los resultados, que serán las salidas.

Además, si ocurriera algún error de lectura o escritura durante el proceso de simulación,

quedará registrado en otro documento de texto de nombre “error” para cada uso, zona

climática y se ha programado para obtener datos tanto anuales como mensuales y

horarios (aunque solamente se hará uso de aquí en adelante de los datos mensuales).

Esto último significa que, para una sola máquina para un solo edificio para todos las

zonas climáticas (12) y todos los usos (4), se obtienen 48 documentos tanto de error

como de resultados de la simulación.

Si todo funciona con normalidad, ese documento contendrá la siguiente información:

84

Figura 3.10. Apariencia del documento “error” sin ninguna incidencia en la simulación.

Con esto ya se pueden abrir los documentos generados, los cuales se manejarán en la

herramienta Excel para simplicidad. En este caso como ejemplo se muestra un pequeño

fragmento de la hoja Excel para el edificio de oficinas y zonas climáticas A,B y C :

Figura 3.11. Fragmento de la hoja Excel con los resultados de hidro,oficinas y zonas A,B y C.

En el momento en el que se obtienen todos los resultados de una máquina, un solo

esquema, un cierto volumen de acumulación (en este caso de 70 L/kW), para los tres

edificios y en todas las zonas climáticas, se vinculan los resultados a una hoja Excel en

la que, además de recoger todos esos resultados, se han implementado unas tablas para

el cálculo de los coeficientes necesarios tanto para el NIVEL 1 como para el NIVEL 2.

A continuación se muestra un fragmento de esa hoja para la U-25 S710:

85

Tabla 3.17. Fragmento de la hoja Excel con los resultados completos.

En estas hojas, además de calcular todos los parámetros característicos del

comportamiento de esa máquina en esas condiciones, se calculan los coeficientes A y B,

y se fijará como objetivo minimizar la función objetivo que será el error cuadrático del

resultado real con el medido en función de estas dos variables. Por otro lado, mediante

cálculos en Excel se generan dos gráficas por cada máquina para los tres edificios

estudiados, una de calefacción y otra de refrigeración. En ellas se comparan los COP y

los EER de los dos niveles de procedimiento con los reales para comprobar cuánto de

cierto hay en el procedimiento de cálculo desarrollado en comparación a los resultados

obtenidos de las correlaciones para el volumen nominal:

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

2.20

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20

CO

P G

EHP

SIM

ULA

DO

COP GEHP CORRELACIÓN

CALEFACCIÓN

NIVEL 1

NIVEL 2

45º

86

Gráfica.3.1. Resultados de calefacción para U25-S710.

La conclusión que se puede obtener de ella es que el método no sobredimensiona la

capacidad aportada por el auxiliar en casi ninguna situación, ya que, como se muestra en

la gráfica, la mayor parte de los puntos de simulación quedan por debajo de la igualdad

del COP real de la correlación.

Si se analiza ahora la de refrigeración se pueden llegar a conclusiones similares:

Gráfica.3.2. Resultados de refrigeración para U25-S710.

3.5.1. SÍNTESIS DE RESULTADOS

Además, analizando los resultados es fácil darse cuenta que para cada zona de

calefacción (A,B,C,D y E) la máquina aporta unos datos similares aun teniendo en

cuenta los cuatro usos (B,M,A y MA). En refrigeración en general ocurre lo mismo,

exceptuando la zona 2 para los usos A y MA que se asemejan al grupo 4, por lo que se

considerarán de forma conjunta. Esto queda reflejado en la siguiente tabla por colores:

CAL Intensidad F.I.

B M A MA

Zona Climática Invierno A

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

EER

GEH

P E

XP

ERIM

ENTA

L

EER GEHP CORRELACIÓN

REFRIGERACIÓN

NIVEL 1

NIVEL 2

NIVEL 1

NIVEL 2

45º

87

B

C

D

E

Tabla 3.18. Agrupación de zonas según el comportamiento en calefacción.

Análogamente, en refrigeración:

REF Intensidad F.I.

B M A MA

Zona Climática Verano

1

2

3

4

Tabla 3.19. Agrupación de zonas según el comportamiento en refrigeración.

Con esto se deduce que se obtendrán seis tablas para calefacción y otras seis para

refrigeración si se trabaja con los esquemas Hidro o Caldera-Enfriadora, sin embargo, si

se analizan resultados en base al esquema de Bomba de Calor, se tendrá una tabla más.

Esto ocurre porque en éste esquema existen dos bombas de calor, por lo que existirán

dos coeficientes distintos para calefacción y para refrigeración.

Para el ejemplo en estudio, con un esquema Hidro, las cinco tablas de calefacción serían

las siguientes (se contabiliza una única tabla de beta, por lo que si la contabilizamos en

refrigeración, en total en régimen de calefacción habría cinco):

CALEFACCIÓN

Tabla 3.20. Tabla resultado del NIVEL 1 para U25-S710, volumen nominal, calefacción.

88

Tabla 3.21. Tabla resultado de A para U25-S710, volumen nominal, calefacción.

Tabla 3.22. Tabla resultado de B para U25-S710, volumen nominal, calefacción.

Tabla 3.23.Tabla resultado de NIVEL 1 para U25-S710, volumen nominal, calefacción.

Tabla 3.24. Tabla resultado de NIVEL 2 para U25-S710, volumen nominal, calefacción.

REFRIGERACIÓN

89

Tabla 3.25. Tabla resultado del NIVEL 1 para U25-S710, volumen nominal, refrigeración

Tabla 3.26. Tabla resultado de A para U25-S710, volumen nominal, refrigeración

Tabla 3.27. Tabla resultado de B para U25-S710, volumen nominal, refrigeración

Tabla 3.28. Tabla resultado de NIVEL 1 para U25-S710, volumen nominal, refrigeración

90

Tabla 3.29. Tabla resultado de NIVEL 2 para U25-S710, volumen nominal, refrigeración

Tabla 3.30. Tabla resultado de para U25-S710, volumen nominal, refrigeración.

Se acaba de plantear el caso de la U-25 S-710, si se quisiera ampliar la base datos se

puede consultar el ANEXO A el cual contiene el esquema Caldera-Enfriadora.

3.6. AMPLIACIÓN DE CAPACIDADES

Este subcapítulo es de vital importancia para poder entender los resultados obtenidos

con las simulaciones. Este análisis se puede realizar con muchas de las variables de los

sistemas objeto de simulación, de las cuales se han tomado como primordiales el

volumen de acumulación y las temperaturas de impulsión. También se dejará como

posible vía de estudio la variación del rendimiento de los equipos auxiliares y la

posibilidad de tener en cuenta un apoyo por parte de energías renovables con lazos de

recuperación hasta , por ejemplo, un campo de paneles solares.

3.6.1. VARIACIÓN DEL VOLUMEN DE ACUMULACIÓN

La sensibilidad del procedimiento de desarrollo se estudiará con unas variaciones con

respecto del volumen nominal de:

1. 50%

2. 150%

3. 200%

Para cada uno de ellos se calculará el NIVEL 1 del procedimiento, las constantes A y B

del NIVEL 2, las y las como se explicó en el anterior subcapítulo.

A continuación se muestra en porcentaje de error un ejemplo de comparación de

resultados para el NIVEL 1 en régimen de calefacción entre el volumen nominal, 70

L/kW, y aumentado éste un 150%, es decir, de 105 L/kW.

91

Tabla 3.31. Variación (%) de un volumen de 105 L/kW con respecto al nominal.

Nótese que el cambio es como mucho de un 6%, con esto se deduce que para esta

máquina con estas condiciones fijadas, aumentar el volumen de acumulación hasta un

150% no provocaría un cambio importante en los resultados.

3.6.2. TEMPERATURA DE IMPULSIÓN

La temperatura de impulsión del agua es, con el volumen de acumulación, el parámetro

que más puede influir en el comportamiento de las máquinas de climatización.

En el caso de bombas de calor geotérmicas se debe tener en cuenta que al factor de

ponderación habrá que aplicarle un factor de corrección dependiente de la temperatura

de distribución aplicada en cada caso.

La tabla se ha obtenido para temperaturas de distribución de calefacción de 35ºC, 40ºC,

45ºC, 50ºC y 55ºC y de temperatura de refrigeración de 7ºC, 12ºC y 17ºC.

92

El cálculo del factor de ponderación por lo tanto se expresará en este caso particular

como:

Tabla 3.32. Factor corrector según la temperatura de distribución en calefacción

Tabla 3.33. Factor corrector según la temperatura de distribución en refrigeración.

Por ejemplo, para el caso del ejemplo expuesto, si la temperatura de distribución en

régimen de calefacción fuera de 40ºC en vez de 35ºC y, teniendo en cuenta que el factor

de ponderación que ha resultado es de 0.78, se tendría finalmente un factor de

ponderación de:

93

4. ASM SDGTOOL

4.1. OBJETIVOS

El objetivo principal de haber desarrollado esta herramienta es facilitar a un usuario

cualquiera el proceso de cálculo de qué máquina sería la óptima para trabajar bajo las

demandas de ese edificio, en un clima concreto y para el esquema que se vaya a elegir.

Es una herramienta muy sencilla ya que toda la parte compleja queda intrínseca dentro

de ella, ahorrándose así el consumidor tener que realizar todo el procedimiento de

cálculo tanto del NIVEL 1 como del NIVEL 2.

Es posible además su implementación como aplicación en un dispositivo móvil ya que

no posee macros en ninguna de las hojas Excel, lo que supone una mayor facilidad en

cuanto a la rapidez con la que se pueden obtener en ese mismo momento todos los

resultados que se desee.

4.2. DESARROLLO INTERFAZ

94

El procedimiento detallado anteriormente es un proceso tedioso y trabajoso para realizar

en el momento en el que un consumidor decida que quiere adquirir una máquina de

climatización.

Para ello se ha realizado una interfaz a través de la cual el usuario pueda elegir

fácilmente la máquina que pueda trabajar con una eficiencia óptima según el

emplazamiento del edificio. Con esto, se ha automatizado el cálculo de todos los

factores de ponderación así como los coeficientes necesarios para el cálculo de las

curvas de las máquinas en una hoja de formato .xlsx compatible con la herramienta

Excel del paquete Microsoft Office.

En la siguiente figura se muestra cómo es la interfaz la cual se facilitará al usuario:

Figura 4.1. Interfaz completa de la herramienta de selección de la máquina.

En los siguientes capítulos se explicará el desarrollo de la herramienta de forma

detallada para mostrar así la ventaja de su uso y para su mejor comprensión.

95

4.3. HERRAMIENTA DE SELECCIÓN DE LA MÁQUINA

En la herramienta que se ha desarrollado, esta división de climas es lo primero que se

tuvo en cuenta ya que la demanda del edificio varía mucho de unas zonas a otras. Por lo

tanto, se automatiza la elección o del emplazamiento o, si el usuario tuviera

conocimiento, de la zona climática en la que se está interesado.

En la siguiente figura se muestra la manera en la que se la interfaz hace referencia a la

hoja de todas las Comunidades Autónomas con sus respectivas provincias de España y

sus zonas climáticas.

Por ejemplo, si seleccionamos Castilla y León y en concreto Burgos en la interfaz;

Figura 4.2. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de emplazamiento.

Se puede observar que al elegir el emplazamiento, el programa muestra directamente la

zona climática a la que corresponde.

Estaría trabajando la hoja del programa que hace referencia a la elección del

emplazamiento en función de la Comunidad Autonóma y su provincia, la cual tiene el

siguiente aspecto:

96

Figura 4.3. Fragmento de la hoja de Excel con las Comunidades Autónomas de España con sus respectivas provincias.

Además del emplazamiento, el usuario debe de seleccionar el “uso”, es decir, las horas

y la intensidad del trabajo que va a demandar a la máquina.

Figura 4.4. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección del uso e intensidad.

Estos usos pueden ser; MEDIA 8(intensidad media, 8 horas de funcionamiento), ALTA

8, MEDIA 16 y ALTA 16. Existe la pestaña INTENSIDAD en la cual sí se podrá elegir

ésta, según la siguiente tabla de equivalencias:

BAJA(B) MEDIA 8h (M8)

MEDIA(M) ALTA 8h (A8)

ALTA(A) MEDIA 16h (M16)

MUY ALTA(MA) ALTA 16 (A16)

Tabla.4.1. Equivalencias de intensidades.

De la misma manera y como se ha comentado unas líneas más arriba, se puede

seleccionar de forma directa la zona climática y la herramienta mostrará en ese caso la

opción de elegir una de las provincias que pertenezca a la misma, como se muestra a

continuación:

97

Figura 4.5. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de la zona climática y provincia.

La herramienta hace referencia a una tabla en la que aparecen las provincias distribuidas

según las zonas climáticas:

Figura 4.6. Hoja de Excel con las provincias agrupadas según las zonas climáticas.

En este caso también se deberá especificar el uso y la intensidad de la máquina en la

pestaña USO. A continuación se selecciona la intensidad deseada en la pestaña

INTENSIDAD, mostrada en la siguiente figura:

Figura 4.7. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de la intensidad.

El siguiente paso sería seleccionar el esquema que se desee para la instalación,

98

Hay tres esquemas, mostrados con detalle en el ANEXO B, y son los siguientes:

5. GEHP+ Kit hidrónico + Enfriadora eléctrica y Caldera de apoyo (Prioridad

Calefacción)

6. GEHP+ Kit hidrónico + BC eléctrica y Caldera de apoyo

7. GEHP+ Kit hidrónico + Enfriadora eléctrica y Caldera de apoyo (Prioridad

ACS)

Con solo pulsar sobre alguno de los tres esquemas ya se fijaría las condiciones de la

instalación, por ejemplo, el esquema 2:

Figura 4.8. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección del esquema hidrónico.

El usuario puede elegir la máquina según sus características, las cuales se han descrito

en el capítulo anterior. Si fuera necesario, o por simple curiosidad, se puede acceder

fácilmente al catálogo del fabricante Panasonic en su página web [3]. En la herramienta

se pueden elegir las siguientes máquinas de la gama ECO-g:

99

Figura 4.9. Fragmento de la interfaz de la herramienta con elección de la máquina.

Se muestran para cada máquina las propiedades más importantes en base a las

características del fabricante, las cuales ya han sido comentadas anteriormente y las

cuales se recogen en una hoja de cálculo de la herramienta:

Figura 4.10. Tabla de las propiedades de las máquinas.

Con las selecciones que se han hecho hasta aquí, se muestran en la parte de debajo de la

interfaz los rendimientos de la máquina en cada zona climática para los dos niveles

antes desarrollados y para los regímenes de calefacción y de refrigeración. Por ejemplo,

para la U25-S710, en Burgos para un uso de media 8h se obtendrían los siguientes

resultados:

100

Figura 4.11. Fragmento de la interfaz de la herramienta con los rendimientos para el NIVEL 1.

Figura 4.12. Fragmento de la interfaz de la herramienta con los rendimientos para el NIVEL 2.

Estos datos se calculan mediante la automatización del procedimiento tanto del NIVEL

1 como del NIVEL 2, explicados en el anterior capítulo al detalle. Para esto es necesario

el cálculo de los coeficientes de las curvas en base a los datos de aportados por

SEDIGAS para cada una de las máquinas de Panasonic.

Se muestra a continuación un fragmento de toda la hoja con todos los coeficientes de las

curvas, y en el ANEXO B se desarrollan de forma detallada.

101

Figura 4.13. Fragmento de la tabla con los coeficientes para el cálculo de las curvas.

Con las ecuaciones de las curvas, del capítulo del procedimiento de cálculo, se calcula

cada coeficiente. Por ejemplo, para la máquina U25-S710 los coeficientes son los

siguientes:

Figura 4.14. Fragmento de la tabla con los coeficientes ( ) en 50 y en 100% de carga.



102


Figura 4.18. Fragmento de la tabla con el coeficiente ( ) en refrigeración.

Figura 4.19. Fragmento de la tabla con los coeficientes ( ) en calefacción.

Tras el proceso de selección, se podrán obtener los rendimientos de esa máquina

calculados por el NIVEL 1 y NIVEL 2 y se mostrarán en la parte inferior de la interfaz:

Figura 4.20.. Resultados mostrados en la interfaz de la herramienta ASM SDGTOOL.

103

5. CONCLUSIONES Y LÍNEAS DE

INVESTIGACIÓN

Es posible obtener muchas conclusiones tras todo el proceso de estudio que se

ha llevado a cabo. Se podría destacar la importancia que tiene el haber podido

desarrollar un procedimiento mucho más sencillo para el cálculo de las

demandas estacionales de los sistemas que han sido objeto de estudio, con la

ventaja de poder después dar uso a ASM SDGTOOL obteniéndose resultados al

instante.

Además, sería bueno destacar que como se ha comprobado, el uso del gas

natural como energía primaria para aplicaciones de sistemas hidrónicos puede

resultar de alguna manera tan dañina para el medio ambiente como una energía

renovable convencional, además de las ventajas que se obtienen en cuanto a

eficiencia, instalaciones sencillas, etc.

Queda abierta una puerta al posible estudio de sensibilidad de los sistemas al

variar el rendimiento de los equipos auxiliares y también la opción de

implementar una energía renovable, como la solar, dentro del sistema hidrónico

como apoyo a éste.

104

6. GLOSARIO

ACS= agua caliente sanitaria.

AICIA= Asociación de Investigación y Cooperación Industrial de Andalucía, vinculada

con la E.T.S.I de Sevilla.

CO2= dióxido de carbono.

COLECTOR= se refiere al panel de captación de la luz solar.

CONUEE= Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía.

COP= del inglés “coefficient of performance”, es el rendimiento de una bomba térmica,

calculado como el cociente de potencia que genera de calor entre el consumo en modo

calefacción.

DRAIN PACK= sistemas de drenaje automático compuestos por captadores solares de

alto rendimiento.

EER= del inglés “energy efficiency ratio”, es decir, factor de eficiencia energética, es la

potencia que genera de frío la máquina térmica entre el consumo en modo frío.

GHP= del inglés “gas heat pump”, es decir, bomba de calor a gas.

GNL= gas natural licuado

HIDRÓNICO= cualquier sistema que únicamente trabaje con agua como fluido

caloportador, aprovechando su calor residual para lograr una mayor eficiencia del

circuito.

MINETUR= Ministerio de Industria, Energía y Turismo.

SEDIGAS= asociación española del gas.

SHALE = roca de esquisto. Es una formación sedimentaria que contiene gas y petróleo.

SO2= dióxido de azufre (gas) , considerado dañino para la salud y el medio ambiente.

NOX= designación para los derivados de los óxidos de nitrógeno, considerados dañinos

para la salud y el medio ambiente.

105

7. REFERENCIAS

[1]Manual de usuario de ProgasGHP CE3

http://www6.mityc.es/aplicaciones/CE3/Manual_usuario%20CE3_PROVISION

AL.pdf

[2]Código Técnico de la Edificación;

http://www.codigotecnico.org/web/recursos/documentos/

[3]Catálogo de la gama ECO-g de Panasonic:

http://www.panasonicproclub.com/uploads/ES/catalogues/catalogos-

2013/02%20SP%20ECO%20G%2013%20190213.pdf

[4]Eco-inteligencia

http://www.ecointeligencia.com/2010/10/la-energia-termosolar-en-casa/

[5] El Periódico de la Energía

http://elperiodicodelaenergia.com/

http://www.panasonicproclub.com/uploads/ES/catalogues/catalogos-2013/02%20SP%20ECO%20G%2013%20190213.pdf

http://www.panasonicproclub.com/uploads/ES/catalogues/catalogos-2013/02%20SP%20ECO%20G%2013%20190213.pdf

http://www.ecointeligencia.com/2010/10/la-energia-termosolar-en-casa/

http://elperiodicodelaenergia.com/

106

ANEXO A

TABLAS PARA LA APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO

MÁQUINA PANASONIC U25-S710 ESQUEMA CALDERA-ENFRIADORA

1. CALEFACCIÓN

NIVEL 1

Tabla B1.Cal. Factor de ponderación en calefacción y NIVEL 1.

Tabla B2.N1cal.Coeficiente α en calefacción y NIVEL 1.

NIVEL 2

Tabla B2.N2Cal.Coeficiente A en calefacción.

107

Tabla B3.N2Cal. Coeficiente B en calefacción.

Tabla B4.N2Cal. Coeficiente α en calefacción y NIVEL 2.

Tabla B5.N2Cal. Temperatura de bulbo húmedo en función de la zona climática de invierno.

2. REFRIGERACIÓN

NIVEL 1

Tabla B1.Ref. Factor de ponderación en refrigeración y en el Nivel 1.

108

Tabla B2.N1Ref. Coeficientes α en refrigeración y en el Nivel 1.

NIVEL 2

Tabla B2.N2Ref. Coeficientes A en refrigeración.

Tabla B3.N2Ref. Coeficientes B en refrigeración.

Tabla B4.N2Ref. Coeficientes α en refrigeración y NIVEL 2.

109

Tabla B6. Coeficiente beta.

Tabla B5.N2Ref. Temperatura de bulbo húmedo en función de la zona climática de verano.

110

ANEXO B

APLICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO CON PROGASGHP CE3

En CE3, el primer paso es definir los datos generales del edificio. Éste menú condiciona

el resto del proyecto ya que se debe elegir la vía de definición del edificio, en nuestro

caso por superficies y orientaciones, y la edad del mismo para cargar la base de datos

correspondiente [1].

Figura D.1. Definición del proyecto en CE3.

La geometría del edificio queda representada en la Figura D.1, e implementada en CE3

usando la “definición geométrica”. Hay que destacar que la definición geométrica hay

que hacerla después de la definición constructiva.

111

Figura 2.3. Definición geométrica del edificio.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS

En CE3 se definen en el botón “definición constructiva” la composición de los distintos

elementos que componen el edificio. Para ello se toman las siguientes tablas:

Composición de los cerramientos:

Descripción Espesor

(m)

Conductividad

(W/mK)

Densidad

(kg/m³)

Calor Esp.

(J/kgK)

Resistencia

(m²K/W)

Mortero cemento 0.02 1.4 2000 1050 0.014

Ladrillo hueco 0.11 0.49 1200 920 0.224

Mortero cemento 0.01 1.4 2000 1050 0.007

Poliestireno exp

UNE53310 II

0.02 0.04 12 1590 0.500

Ladrillo hueco 0.03 0.49 1200 920 0.061

Enlucido de yeso 0.01 0.3 800 920 0.033

Tabla 2.2. Fachadas exteriores, absortividad exterior 0.7 (de fuera a dentro) – “muro exterior”


(m)

Conductividad

(W/mK)

Densidad

(kg/m³)

Calor Esp.

(J/kgK)

Resistencia

(m²K/W)

Suelo coherente con

humedad

0.35 2.1 1800 920 0,167

Forjado cerámico 0.21 0.4 1250 880 0,525

Mortero cemento 0.02 1.4 2000 1050 0.014

112

Terrazo 0.02 1.16 2000 1050 0,017

Tabla 2.3. Muro en contacto con el terreno (de fuera a dentro) – “solera”


(m)

Conductividad

(W/mK)

Densidad

(kg/m³)

Calor Esp.

(J/kgK)

Resistencia

(m²K/W)

Baldosin catalan 0.02 1.05 2000 840 0,019

Mortero de cemento 0.01 1.4 2000 1050 0,007

Poliestireno

extrusionado

0.05 0.03 33 1590 1,667

Láminas

bituminosas

0.003 0.19 1100 1680 0,016

Mortero de cemento 0.01 1.4 2000 1050 0,007

Hormigon celular

sin aridos

0.02 0.09 305 1050 0,222

Forjado cerámico 0.21 0.4 1250 880 0,525

Enlucido de yeso 0.01 0.3 800 920 0,033

Tabla 2.4. Cubierta (de arriba abajo) , absortividad exterior 0.7 – “forjado cubierta”

La separación entre espacios está constituida por un tabique con coeficiente global de

transferencia U = 3.26 W/(m²·K)

Acristalamientos

Los vidrios son dobles translucidos 6-6-6 mm.

Espacios

Los espacios quedan definidos a partir de los parámetros que caracterizan sus fuentes

internas y caudales de ventilación. Además, al ser un edificio terciario, debemos definir

los horarios de ocupación y operación de los sistemas de climatización. En las

siguientes líneas se resume la definición del caso en CE3.

Espacio Ocupación

(m²/persona)

Sensible

ocupante

(W/persona

)

Latente

ocupante

(W/persona

)

Equipos

(W/m²)

Iluminación

(W/m²)

Ventilación

(rnv/h)

Sur 10 75.00 55.00 10 15 1

Este 10 75.00 55.00 10 15 1

113

Oeste 10 75.00 55.00 10 15 1

Norte 10 75.00 55.00 10 15 1

Interior 10 75.00 55.00 10 15 1

Tabla 2.5. Cargas internas

Las cargas internas debidas a ocupación, iluminación y equipo eléctrico, están presentes

de 8:00 a 16:00 para todos los días laborales (los fines de semana y el mes de agosto, el

edificio está desocupado). El resto de las horas del día el edificio está desocupado por

lo que los valores de la tabla anterior valen cero para dichas horas. Dicho esto, se define

en CE3 usando la “definición ocupacional” que queda representada en la siguiente

figura:

Figura 2.4. Definición ocupacional – Horarios

A su vez los valores de cargas internas, se definen en la misma pestaña “Definición

ocupacional” en su ventana principal:

114

Figura 2.5. Definición ocupacional – Cargas internas y horarios de operación de los equipos de acondicionamiento

La ventilación es igual a 1 rnv/h para todos los espacios, considerando que las

infiltraciones son nulas cuando el equipo funciona (sobrepresión).

115

Figura 2.6. Definición ocupacional – Ventilación Equipos

Como se ha comentado con anterioridad el sistema de climatización del edificio se



climatizadoras.

En las siguientes figuras se muestran tres figuras que representan los tres pasos que se

deben de dar en el programa: definición de primarios, definición de secundarios y unión

a zonas, y vinculación entre primarios y secundarios.

116

Figura 2.7. Definición de grupos de primarios para la producción de agua caliente o fría

Figura 2.8. Definición de los sistemas secundarios y acoplamiento a las zonas climatizadas

Figura 2.9. Árbol de uniones entre primarios y secundarios

Para la demanda de ACS del edificio se define un sistema secundario especial que tiene

CE3, cuya función es contemplar las diferentes demandas de ACS que puede tener el

edificio. En el caso estudiado se tiene una demanda diaria de 1200L, repartidos de

forma uniforme entre las 8:00 y 20:00 más la hora previa y de cierre de este horario que

117

se demanda la mitad, y con una consigna de 60 ºC. La producción de esta agua caliente

se hace a través de una caldera eléctrica de 20 kW.

EJEMPLO DE RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN EN CE3

Tabla 2.6. Conjunto de tablas resultado del CE3.

EJEMPLO DE RESULTADOS NUMÉRICOS DE

SIMULACIÓN CON CE3

118

Demanda de calefacción (kWh/m2) = 111.6665

Consumo de energía final de calefacción (kWh/m2) = 11.97381

Consumo de energía primaria de calefacción (kWh/m2) =30.77227

Demanda de refrigeración (kWh/m2) = 12.74191

Consumo de energía final de refrigeración (kWh/m2) =6.539089

Consumo de energía primaria de refrigeración (kWh/m2) =17.02125

Demanda de ACS (kWh/m2) = 127.0146

Consumo de energía final de ACS (kWh/m2) = 0.3749340

Consumo de energía primaria de ACS (kWh/m2) = 0.9759531

Emisiones de CO2 de ACS (kg/m2) = 0.2433321

Rendimiento medio estacional del sistema de ACS = 0.9598292

ANÁLISIS DE ESQUEMAS CON PROGASGHP CCE3

El objetivo es sustituir la producción de agua caliente y fría del edificio por uno de los

esquemas que ofrece la herramienta. En este caso se elige el esquema hidrónico 3,

correspondiente a una combinación entre bomba de calor a gas con elemento productor

de agua fría o caliente, más el apoyo de una enfriadora y una caldera (existentes en la

instalación de partida). También se contará con una red de ACS acoplada al esquema

que contará con la caldera de ACS de la instalación de partida.

Definición del esquema

Los siguientes puntos describen los pasos que hay que dar para el análisis de uno de los

esquemas vinculados al proyecto CE3 de partida.

119

Paso 1: Gestor de complementos

Es una herramienta de enlace entre el software CE3 y sus complementos. En este caso,

el gestor carga el proyecto que queremos analizar con los diferentes esquemas, y genera

el material necesario. La siguiente captura representa la interfaz del gestor, y a su vez el

menú que aparece cuando selecciono la opción de abrir para car el proyecto a estudio.

Figura 2.10. Interfaz y operaciones a realizar en el Gestor de Complementos de CE3

En este caso, vamos a analizar el caso inicial que se corresponde con el proyecto que se

ha descrito en los epígrafes anteriores. Una vez abierto, se lanza el complemento

haciendo clic en el icono de la derecha de abrir.

Paso 2: Interfaz de ProgasGHP

La interfaz del programa intenta ser bastante práctica. En ella existen cuatro operaciones

principales, que se pueden ejecutar con los cuatro iconos de la izquierda La descripción

de cada uno de ellos (izquierda – derecha):

120

- Guardar el caso

- Definir el caso

- Calcular el caso

- Herramienta de análisis de resultados

Figura 2.11. Interfaz y funciones generales de ProgasGHP

Paso 3: Elección y definición GHEP

El menú de definición presenta el siguiente grafismo.

121

Figura 2.12. ProgasGHP – Menú de definición de esquemas

Lo primero que destaca es que la localidad y la zona climática están fijadas. Eso es así

porque se han cargado los datos procedentes del proyecto CE3 lanzado desde el gestor.

La herramienta permite definir varios esquemas, e incluso mantenerlos en su base de

datos para su reutilización en el futuro. Los posibles esquemas aparecen en la parte

inferior de la pantalla con el logotipo de SEDIGAS y la nomenclatura que se usó en los

epígrafes anteriores. Para este caso, se ha decidido implementar el esquema 3 o

Hidrónico 3:

Figura 2.13. ProgasGHP – Elección del esquema

122

En los fundamentos del programa se han explicado los esquemas y el principio de

funcionamiento de cada uno de ellos. No obstante, la siguiente imagen muestra la

información que el programa ofrece al usuario.

Figura 2.14. ProgasGHP – Definición de los componentes del esquema elegido.

En esta ventana destacan los siguientes aspectos:

1. El icono “información” aporta al usuario los detalles más relevantes de este tipo

de instalación y los consejos prácticas recomendado por SEDIGAS.

2. A la derecha, aparece un árbol de selección. Este árbol ofrece los grupos de

primarios del proyecto CE3 sustituibles por este esquema. En el caso que se

aborda, así quedaría el árbol cuando lo que se desea es producir el ACS con el

esquema y a la par combatir la demanda de agua fría y caliente que tiene el

grupo vinculado a la climatizadora multizona del edificio.

123

Figura 2.15. Selección de grupos de primarios del proyecto CE3 sustituibles

3. Lo siguiente es la definición de cada uno de los componentes. Para ello lo único

que hay que hacer es posicionar el ratón encima del dibujo del elemento, y esté

cambiará su forma para poder ejecutar el menú de definición del componente al

hacer clic. A modo de ejemplo se presenta la caldera convencional:

Figura 2.16. Ejemplo de interfaz para caldera convencional

En el caso que se aborda la caldera auxiliar de calefacción es la que trae por defecto la

instalación de CE3, cuyas características ya se comentaron. Para la bomba de calor a

gas, se elige una del catálogo cuya potencia de frío sea superior a 20 kW, y en calor

superior a 18 kW en el lazo de producción de agua fría o caliente. En este caso la

elección es la unidad PANASONIC ECO-g U-16 con el hidrokit que se presenta en la

siguiente figura.

124

Figura 2.17. Interfaz de la elección del hidrokit.

ALTERNATIVA AL CASO BASE – SISTEMA MIXTO

El sistema mixto que se contempla parte del caso anterior pero sustituye la

climatizadora a caudal variable, que acondicionaba los espacios norte, oeste e interior

junto con su grupo de primarios vinculado, por un sistema autónomo multizona. AUT

VBLE RESTO: autónomo a caudal variable de aire multizona.

- Espacios vinculados: zona norte, oeste e interior

- 12000 m3/h

- Batería Frío: Potencia frío 20 kW – consumo eléctrico 8.3 kW

- Batería Calor: 24 kW – consumo eléctrico 8 kW

125

De esta forma el edificio sigue teniendo una caldera para producir ACS, un grupo de

primarios compuestos con una caldera y una enfriadora para alimentar a dos

climatizadoras a caudal constante (espacios sur y este), y un autónomo a caudal variable

de aire que climatiza los espacios norte, oeste e interior.

Figura 2.18. Capturas correspondientes a la definición de la alternativa mixta en CE3

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