AGRUPACION DE GALICIA

Jornada Técnica sobre Eficiencia Energética en Calefacción y Refrigeración Aprovechamientos Geotérmicos mediante Bomba de Calor

"FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR. Ventajas de la bomba de calor geotérmica” José L. García Angulo 01 de noviembre de 2009 14:40

1

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Cambio de estado. Calor latente Los cambios de estado llevan asociados intercambios de energía: calor latente de cambio de estado Cuando el cambio de estado es a presión constante

 entalpía t l í de d cambio bi d de estado t d

Ejemplo: agua a 1 atm sometida a un calentamiento continuo

T (ºC) 100

agua + vapor

hielo + agua

597 kcal/kg 80 kcal/kg 0 1 kcal/kg·ºC  0.5 kcal/kg·ºC

hielo

agua

vapor

q

El cambio líquido  vapor lleva asociado un gran intercambio de energía! Bomba de Calor

2

1

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR CIRCUITO FRIGORIFICO Pa 1 7,6

Q

R-134a líquido P=6 6 kg/cm2 P=6.6 Tª= 25 ºC

t -26,5 25

R-134a gas P= 6.6 kg/cm2 Tª=60 ºC

Q

R-134a líquido 2 P=6.6kg/cm g Tª=25ºC

R-134a Pr 0 6,6

R-134a vapor P=0 kg/cm 2 Tª=-26.5 ºC

q

q

Bomba de Calor

3

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR EL CICLO FRIGORIFICO EN EL DIAGRAMA DE MOLLIER Subenfriamiento

3

2

Condensación

Expansión

4

5

Bomba de Calor

1

Evaporación

7 6

Recalentamiento 4

2

Circuito frigorifico elemental EVAPORADOR

COMPRESOR

CONDENSADOR

RECIPIENTE

V EXPANSION

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR CIRCUITO FRIGORIFICO

QC

COMPONENTES DEL CIRCUITO FRIGORIFICO DE COMPRESION 1. COMPRESOR 2. CONDENSADOR 3. SISTEMA DE EXPANSION (Válvula de  expansión, tubo capilar etc..) 4. EVAPORADOR 5. Opcionalmente recipiente de  líquido La cantidad de energía cedida al foco caliente es la suma de la energía cedida al fluido por el foco frío, mas el trabajo neto aportado al ciclo (compresor) QC= QF + QCP

QCP

QF

Coeficiente de prestación: Eficiencia Energética de Refrigeración Bomba de Calor

COP = QC / QCP EER = QF / QCP COP = EER + 1 6

3

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR CLASIFICACION DE LAS BOMBAS DE CALOR La Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras  

Según medio o de origen y de des stino de la energía a

la p primera corresponde p al medio del q que absorbe el calor ((foco frío)) la segunda al medio receptor (foco caliente) Medio del que extrae la energía (Foco frio)

Medio al que se cede energía

AIRE

AIRE

AIRE

AGUA

AGUA

AIRE

AGUA

AGUA

TIERRA

AIRE

TIERRA

AGUA

(Foco caliente)

Bomba de Calor

7

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR FOCO FRIO Un foco frío ideal es aquel que tiene  una temperatura elevada y estable a lo largo de la estación en que es necesario calefactar,  está á di disponible ibl en abundancia, b d i no es corrosivo i o contaminante, i  tiene propiedades termodinámicas favorables, y  no requiere costes elevados de inversión o mantenimiento. Fuente de calor o foco frío Aire ambiente Aire de extracción Agua subterránea Agua de lagos o ríos Agua de mar Suelos Subsuelo Aguas residuales y de procesos Bomba de Calor

Rango de temperaturas (ºC) -10 / 15 15 / 25 4 / 10 0 / 10 3/8 0/5 0 / 16 >10 8

4

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR FOCO FRIO Aire Atmosférico  Su utilización presenta problemas de formación de escarcha.  Se resuelve invirtiendo el ciclo durante pequeños periodos, lo que supone un gasto adicional de energía.  La temperatura debe ser superior a -5ºC 5 C para que el COP resulte interesante. interesante  Para temperaturas por encima de 5ºC no es necesario el desescarche. Aire de extracción  Esta es una fuente de calor común en edificios residenciales y comerciales.  Recupera el calor del aire de ventilación y proporciona calefacción.  Existen sistemas diseñados para trabajar con una combinación de aire natural y de aire de extracción en función de las necesidades. Aguas naturales  Se pueden utilizar como focos fríos las aguas de ríos, lagos, aguas subterráneas o del mar.  La eficiencia obtenida es muy elevada y no presenta problemas de desescarche.  La temperatura del agua del mar a cierta profundidad (25-50 m) es constante (5/8ºC) e independiente de cambios climáticos en el exterior, además la congelación no tiene lugar hasta -1 ó -2ºC.  Cuando se utiliza agua del mar hay que prever problemas de corrosión y de 9 proliferación de algas en la superficie del intercambiador. Bomba de Calor

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR FOCO FRIO Energía solar  Consiste en la captación de energía solar mediante paneles solares, en combinación con la Bomba de Calor. Energía geotérmica del suelo y subsuelo  Estas bombas se suelen utilizar en climas fríos donde las temperaturas extremas no permiten el funcionamiento de bombas que utilicen como foco frío el aire exterior.  Para aprovechar la energía del suelo es necesario un sistema de tuberías.  Estas instalaciones tienen un coste elevado, y requieren una gran superficie de terreno. Energías residuales y procedentes de procesos  Como foco frío se pueden utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos de la industria o de los condensadores de producción de energía eléctrica, aguas residuales, etc.  Son fuentes con una temperatura constante a lo largo del año.  Los principales problemas para su utilización son: La distancia al usuario, la variabilidad del caudal y en el caso de aguas residuales la corrosión y obstrucción del evaporador como consecuencia de las sustancias contenidas en las mismas. Bomba de Calor

10

5

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR FOCO CALIENTE Aire El calor obtenido del foco frío se cede al aire Pasa al recinto por una unidad interior ó por conductos.

Agua g  Producción de agua para calefacción o agua, ACS y procesos industriales.  A través de un sistema de tuberías se distribuye a radiadores, sistemas de suelo radiante fan-coils, que funcionan a temperaturas de 45-55ºC. Aplicación

Temperatura de distribución (ºC)

Distribución de aire para calefacción

30-50

Distribución de agua para calefacción: - Calefacción a través del suelo - Fan-coils - Radiadores convencionales

30-45 45-55 60-90

Calefacción de distrito: - Agua caliente - Agua caliente-vapor Bomba de Calor

70-100 100-180 11

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR COEFICIENTE DE PRESTACION (COP)

Se define el coeficiente de prestación de una Bomba de Calor COP (Coefficient of perfomance) como el cociente entre la energía térmica cedida por el sistema y la energía de tipo convencional absorbida. COP teórico En un ciclo ideal de Carnot: Siendo T1: Temperatura absoluta del foco caliente T2: Temperatura absoluta del foco frío

Bomba de Calor

12

6

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR COP PRÁCTICO DE UNA BOMBA DE CALOR 

es un coeficiente de rendimiento tiene en cuenta que el ciclo real no se desarrolla en condiciones perfectas de isoentropicidad, isoentropicidad (los procesos son irreversibles y no perfectamente adiabáticos).

Este coeficiente oscila entre  0,3, en máquinas pequeñas,  0,65 en las de gran potencia. T2 temperaturas absolutas de -----evaporación e apo ac ó T1 temperaturas absolutas de -----condensación del fluido refrigerante. Bomba de Bomba de calor calor con motor de eléctrica combustión Bomba COP de Calor 2,5-4

0,8-2

Bomba de calor de absorción de simple efecto

Bomba de calor de absorción de doble efecto

1-1,7

1,8-2,4

13

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR COP MEDIO ESTACIONAL Las condiciones del foco caliente y del frío van variando a lo largo del año, y en consecuencia las temperaturas a las que debe trabajar el fluido también deben variar. Por esta razón es posible que haya que aportar al sistema energías adicionales a la del compresor en los momentos más desfavorables. A la hora de estudiar la viabilidad e interés de una Bomba de Calor en una determinada aplicación es necesario determinar el valor de este coeficiente.

Siendo: – Q1 : Calor total cedido para la calefacción en el periodo considerado en valor l absoluto. b l t – W : Trabajo realizado por el compresor sobre el fluido en el periodo considerado en valor absoluto. – W : Resto de energías consumidas en el periodo considerado: pérdidas en el motor eléctrico, aportaciones externas de calor, etc.. Es con este factor con el que se deben de comparar los gastos de funcionamiento de las diferentes alternativas de calefacción. 14 Bomba de Calor

7

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES: REDUCCIÓN DE LAS EMISIONES DE CO2. Las Bombas de Calor ofrecen una clara ventaja en relación con el medio ambiente, si las comparamos con otros equipos de calefacción convencional, analizando el impacto medioambiental de las cinco opciones siguientes:

EMISIÓN RELATIVA DE CO2 DE SISTEMAS  EMISIÓN RELATIVA DE CO DE SISTEMAS DIFERENTESDE   CALEFACCIÓN   

Caldera convencional de gasóleo Caldera convencional de gas B.de Calor eléctrica, de generación eléctrica convencional  B.de Calor a gas  B.de Calor eléctrica, obtenida a partir de energías renovables –Las emisiones de CO2 originadas por las calderas y Bombas de Calor a gas, dependen de la eficiencia energética de los equipos y del tipo de combustible. –En las Bombas de Calor eléctricas, la electricidad empleada para accionarlas, lleva implícita la emisión de CO2 en origen, (las centrales de generación eléctrica, las pérdidas de transporte y distribución de la energía eléctrica (632 gr CO2/Kwh). –En la figura se observa, que tanto la Bomba de Calor eléctrica como la de gas, emiten considerablemente menos CO2 que las calderas. –Una Bomba de Calor eléctrica que funcione con electricidad de fuentes de energías 15 Bomba de Calor no desprende CO2. renovables

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Reversibilidad La bomba de Calor, en determinadas circunstancias, puede actuar de forma reversible, tomando calor de un uno u otro alternativamente, utilizando una válvula inversora de Cuatro Vías, utilizándose `para obtener calor en invierno y frio en verano. VALVULA INVERSORA DE 4 VIAS

La línea del medio siempre va a la succión del compresor

A la línea simple siempre viene la descarga del compresor que es derivada al condensador

Bomba de Calor

16

8

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Reversibilidad FUNCIONAMIENTO DE LA VALVULA INVERSORA (4 VIAS)

Bomba de Calor

17

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Reversibilidad FUNCIONAMIENTO DE LA VALVULA INVERSORA (4 VIAS)

Bomba de Calor

18

9

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Reversibilidad BOMBA DE CALOR FUNCIONANDO EN MODO ENFRIAMIENTO

Bomba de Calor

19

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Reversibilidad BOMBA DE CALOR FUNCIONANDO EN MODO ENFRIAMIENTO

Bomba de Calor

20

10

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Reversibilidad BOMBA DE CALOR FUNCIONANDO EN MODO CALENTAMIENTO

Bomba de Calor

21

FUNDAMENTOS DE LA BOMBA DE CALOR Reversibilidad BOMBA DE CALOR FUNCIONANDO EN MODO CALENTAMIENTO

Bomba de Calor

22

11

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA La tierra posee en su interior un núcleo incandescente que se encuentra a gran temperatura. Como consecuencia de la existencia de grietas parte de este núcleo, también llamado magma, puede aflorar a la superficie terrestre, creando lo que llamamos volcanes.

Es pues evidente que la tierra experimenta un aumento de temperatura al aumentar la profundidad en dirección al núcleo. Este aumento puede estimarse en unos 24 K/km de profundidad, con gradientes que oscilan entre los 9 y los 48 K/km.

Geotermia

23

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA A la energía que la tierra desprende se le conoce como GEOTÉRMICA y al uso de dicha energía se le conoce como aplicaciones geotérmicas. El uso directo de los fluidos termales es la aplicación más común. En función de la temperatura y la profundidad el uso de la energía geotérmica se clasifica en:  

Aplicaciones de alta temperatura: Por encima de los 150ºC (utilizada en centrales eléctricas por ejemplo).



Aplicaciones de media temperatura: Entre los 35 y 150ºC, es empleada de forma directa para calefacción o producción d ió de d frío f í por absorción. b ió





Geotermia

Aplicaciones de baja temperatura

24

12

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA APLICACIONES DE BAJA TEMPERATURA. Dentro de éstas últimas se encuadran los captadores geotérmicos unidos a la bomba de calor. Los equipos empleados normalmente son del tipo agua-agua o bien agua-aire de forma que q e en la unidad nidad exterior e terior del equipo eq ipo el fluido fl ido de intercambio es agua, ag a que q e cederá la energía sobrante o lo captará del terreno según el modo de funcionamiento frío o calor. Esta aplicación geotérmica es indirecta, ya que lo que realmente se aprovecha del terreno, es -la temperatura constante que éste tiene a unos metros de distancia de la superficie -su invariabilidad en función de las condiciones exteriores. Es precisamente este hecho lo que hace interesante el uso de esta energía, ya que al ser la temperatura del terreno prácticamente constante, también lo es la temperatura de intercambio en el circuito de agua y como consecuencia la temperatura frigorífica en la bomba de calor, lo que implica que el rendimiento es muy constante a lo largo de toda la temporada. Este hecho unido a la selección del captador de manera que dicho rendimiento sea suficientemente alto es lo que supone un ahorro de energía frente a un sistema convencional. Geotermia

25

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA DIMENSIONADO DE LOS CAPTADORES Es la pieza clave de este tipo de instalaciones. Son múltiples los factores que influyen en el cálculo de la longitud del intercambiador. Lcaptador = f (Q,Ts,Tf,Cap,Rs) [4] Donde: Q = Calor a disipar o captar por el terreno Ts = Temperatura del suelo Tf = Temperatura del fluido que circula por los tubos Cap = Morfología y tipo de material del captador Rs = Resistencia térmica del suelo Dato fundamental es la energía necesaria a lo largo de toda la estación.  Viene impuesta por el perfil horario de uso del edificio.  Demandas intermitentes permiten la recuperación del terreno y favorecen un mejor intercambio. La temperatura del suelo se calcula según la profundidad a que se monta el captador La temperatura del fluido influye ya que cuanta más diferencia exista entre ésta y el terreno la transferencia de calor será mejor el ahorro económico será mayor. La temperatura del fluido también influye en el rendimiento del equipo frigorífico y el comportamiento es el contrario, cuanto mas baja sea la temperatura del fluido en el lado del condensador, mejor será el rendimiento del equipo Deberemos pues llegar a una solución de compromiso. Conforme avanza el tiempo, el terreno se ‘satura’, es decir se enfría y por tanto el 26 agua retorna cada vez más fría del intercambiador. El COP se deteriora Geotermia

13

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA TIPOS DE CAPTADORES Depende del tipo de fluido que circula por el interior de los tubos:  refrigerante • tuberías de cobre plastificada a lo largo del terreno • requiere un gran volumen de refrigerante y una instalación delicada. delicada • riesgo de fugas y mantenimiento complejo  agua / agua glicolada. •Intercambiadores: Horizontales •Intercambiadores Verticales.

Geotermia

27

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA CAPTADORES HORIZONTALES Los horizontales son muy fáciles de instalar,  la profundidad debe ser como mínimo de 1,5 metros, oscilando normalmente entre los 2 y los 5 metros  la disposición puede ser muy variada  su ventaja principal es el bajo coste de la instalación, sobre todo si se aprovecha el movimiento de tierra del edificio y al tiempo excavar la superficie del i t intercambiador. bi d Desventajas  • •  Geotermia

Necesitamos mayor superficie de intercambiador, conductividad térmica menos favorable sistema es más sensible a los cambios de temperatura exterior. La superficie necesaria para instalarlo en la mayoría de las ocasiones no está disponible. 28

14

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA CAPTADORES VERTICALES Los verticales consisten en dos tubos plásticos de pequeño diámetro en forma de U enterrados en un pozo que puede tener una profundidad variable entre los 50 y los 200 metros.  Los tubos son uno de ida y otro de vuelta, vuelta y pueden llevar cada cierta profundidad algún sistema de separación que los mantenga siempre a distancia,  Se pueden poner distintos tipos de relleno entre los tubos (arena, el propio material del terreno o material de más alta conducción).  No se ven influenciados por la temperatura exterior  Se requiere q muy y p poca superficie p para su p instalación,  Se necesita menos longitud de tubo por ser la transferencia de calor mayor por metro lineal de captador. Desventajas 

su coste de instalación es mucho mayor debido a la perforación del pozo.

Geotermia

29

VENTAJAS DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA

Geotermia

30

15

BOMBA DE CALOR GEOTERMICA Diversos Sistemas Sistema Expansión directa Suelo(Gas Regrigerante)-Suelo Radiante(Gas Ref.)) Calefaccion-Frio El sistema de trabajo es hacer circular un gas Refrigerante (R-410) tanto por el captador enterrado como por la tubería d l suelo del l radiante. di t Se consiguen rendimientos muy elevados y ahorros por lo tanto muy importantes desde un 80%. La instalación es muy sencilla y rápida debido a los materiales utilizados, cobre recubierto de PVC para los dos captadores. El precio es prácticamente el mismo a una instalación estándar de suelo radiante. Las potencias de máquinas son: (Kw) 2.3, 3.95, 5.5, 7.15, 9.5, 11.3 Los C.O.P. dependerán de la temperatura de Entrada y Salida, Para una entrada a 0º C y salida 35º C estamos con un COP sobre el 4,8. Geotermia

31

BOMBA DE CALOR GEOTERMICA Diversos Sistemas Sistema Suelo Gas-Regrig.-Suelo Radiante Agua (Convencional)). Con la Tecnología anterior en el captador enterrado y utilizando menos superficie, podremos hacer funcionar el suelo radiante si y ya se ha realizado la instalación con anterioridad. Servirá para cubrir las necesidades cuando ya se tenia el suelo radiante en su vivienda con Caldera. Seguimos teniendo unos ahorros importantes y con todo el confort de un suelo radiante. Funciona con R-410A en el captador enterrado t d y con Agua A en ell circuito i it de la vivienda. Hará falta incorporar un intercambiador para poder hacerla funcionar correctamente. Las potencias en esta maquina son: (Kw) 5.1, 7.4, 9.4, 12, 15.1, 18.6, 20.3, 23.4, 27.4, 29.4.

Geotermia

32

16

BOMBA DE CALOR GEOTERMICA Diversos Sistemas Sistema Agua Glicolada/Agua o Capa Freatica Agua/Agua). Es el sistema mas standarizado dentro de las máquinas de Geotermia. S puede Se d realizar li t t con captador tanto t d vertical o por captador horizontal, el inconveniente de esta ultima es que necesitamos mucho espacio para poder colocar el captador. Los ahorros si se trata de Agua por capa Freática son de hasta el C.O.P 78. En la maquina Agua Glicolada-Agua podemos conseguir un C.O.P entre el 4-5 dependiendo de las zonas geográficas y la calidad del suelo. Potencia de maquina: (Kw): 5.1, 8.4, 10.6, 12.3, 15, 17.9, 22.9, 26.7, 31.2, 15.1, 18.6, 20.3, 23.4, 27.4, 29.4. Geotermia

33

BOMBA DE CALOR GEOTERMICA Diversos Sistemas Sistema Bomba de Calor Aerotermia-Suelo Radiante Agua) Utiliza Bombas de Calor para captar el calor del ambiente para poder así llevarlo al suelo radiante d la de l vivienda. i i d Adamas para bajar el consumo en caso de bajas temperaturas en el ambiente, se dispone una resistencia eléctrica a la entrada para poder así garantizar en funcionamiento en las peores condiciones climáticas. Es una opción adecuada en zonas donde la media de las temperaturas mínimas no sean muy bajas.

Geotermia

34

17

Gracias por su atención

AGRUPACION DE GALICIA

35

18