Para diseñar el sistema de producción de energía de climatización para un edificio administrativo cerca de Barcelona, nos hemos planteado algunas combinaciones de generadores de producción térmica y sistemas adicionales de producción de energía eléctrica renovable, con el objetivo de obtener una solución de equilibrio desde un punto de eficiencia energética – viabilidad técnica – económica: Como lo hemos estructurado:
CONTENIDO
Tiempo estimado de lectura 25 minutos
- Capacidad pozos geotérmica
- Demanda de frio y de calor del edificio
- Funcionamiento bomba de calor geotérmica
- Fotovoltaica
- Comparativa de sistemas
- Equilibrio económico explotación
- Balance energético
- Balance económico
- Conclusiones
- CAPACIDAD POZOS GEOTERMIA
Evaluamos la capacidad real que tiene nuestro solar para realizar pozos geotérmicos (superficie efectiva del solar – distancia entre pozos – cimentación- otras interferencias). De esta manera podemos determinar la máxima potencia que se podría llegar a instalar, mediante bomba de calor geotérmica.Partiendo del diseño de los pozos realizados en el edificio adyacente ( TRT, etc. ), se ha grafiado una malla de pozos en el terreno separados 14m respecto la última línea de pozos del edificio adyacente.
Dicha bomba de calor dispone de dos circuitos frigoríficos independientes, con 2 compresores en cada circuito.
- DEMANDA DE FRÍO Y DE CALOR DEL EDIFICIO
Se ha evaluado la demanda máxima de refrigeración y calefacción de cada una de las oficinas que conforman el edificio, con el fin de dimensionar la potencia de generación de frío y calor global del mismo.Se han realizado las cargas térmicas partiendo de la misma bases de cálculo con las que se han realizado el edificio adyacente, es decir:
- Mismas condiciones exteriores e interiores de cálculo (temperatura y humedad)
- Mismo tipo de cerramientos de la envolvente térmica (fachadas, vidrios, techos, suelos, etc.…)
- Misma tipología de fachadas, en cuanto a tamaño de ventanas
- Mismo ratio de ocupación de las oficinas: 1 persona/10m2IMAGEN DEL NUEVO EDIFICIO
TABLA RESUMEN ESPACIO kW Frío kW Calor superficie Oficina 1.1 37,63 16,38 345,73 Oficina 1.2 21,76 9,96 222,60 Oficina 1.3 16,72 7,48 160,99 Oficina 1.4 47,66 20,18 458,03 Oficina 2.1 50,54 18,82 501,97 Oficina 2.2 21,04 7,19 203,46 Oficina 2.3 17,07 5,15 157,39 Oficina 2.4 40,44 13,27 347,53 Oficina 2.5 16,70 8,09 124,15 Oficina 3.1 54,10 18,48 469,35 Oficina 3.2 22,34 9,00 203,46 Oficina 3.3 18,08 5,94 157,39 Oficina 3.4 29,66 11,06 256,04 Oficina 3.5 30,84 11,45 258,31 Sala Usos Múltiples 28,93 5,94 260,00 453,51 168,39 4.126,40 La potencia necesaria de generación de frío está entorno a los 450 kW, mientras que la potencia de calor está entorno a los 170 kW.
En la siguiente imagen indicamos cual es la ubicación de cada una de las oficinas.
El funcionamiento de la bomba de calor geotérmica a 4 tubos de dos circuitos frigoríficos independientes es una tipología un poco particular, la cual puede producir frío y calor de manera simultánea (concepto muy eficiente), aunque no satisfacen cualquier demanda simultanea de frío y calor que esté por debajo de sus potencias nominales.
La producción de frío y calor simultanea entregada, varía y es limitada, según sea el modo de funcionamiento del equipo, por lo que estamos evaluando cómo funcionaria sobre este edificio exactamente y las posibles implicaciones que esto pueda tener, si es que las hay.
La bomba de calor geotérmica propuesta, dispone de dos circuitos frigoríficos independientes, con dos compresores en cada circuito frigorífico.
El modo de funcionamiento de cada circuito es independiente, pudiendo estar ambos circuitos en frío, ambos en calor, o bien, cada circuito en un modo de funcionamiento distinto.
Cuando un circuito funciona en modo frío, la potencia de refrigeración se adapta a la necesidad del sistema, modulando la potencia del circuito, según la cantidad y tipología de compresores que dicho circuito disponga. El calor residual generado por el circuito cuando trabaja en modo frio, es apto para poder ser recuperado por el sistema si hay demanda de calor, de manera que el rendimiento global del equipo, bajo esas condiciones de demanda simultanea es muy alto, porque con la misma electricidad necesaria para generar frío, el equipo genera un calor residual gratuito. Cabe mencionar, que el calor de recuperación es proporcional al frío generado, de manera que dicho calor es el que se “desprende” el equipo al generar frío, y no es la cantidad de calor que pueda llegar a necesitar el sistema. Si el calor residual generado está por encima de la demanda térmica, el sistema disipa el calor que no se aprovecha a los pozos. Si el calor residual generado está por debajo de la demanda térmica, el sistema lo absorbe todo por completo.
Cuando un circuito funciona en modo calor, la potencia térmica, se adapta a la necesidad del sistema, modulando la potencia del circuito, según la cantidad y tipología de compresores de que dicho circuito disponga. En cualquier caso, el frío se envía a los pozos y no se recupera nunca.
El rendimiento de las bombas de calor geotérmicas, están ligeramente por encima de las plantas enfriadoras o bombas de calor de condensación por aire, tanto en modo frío como en modo calor. Además, disponen de un gran rendimiento global, cuando hay demandas simultaneas de frío y calor, al aprovechar el calor residual.
Si comparamos los rendimientos estacionales de equipos de potencia similar, entorno 140-160 kW se obtiene la siguiente tabla:
| Equipos | Geotermia | Bomba de Calor | Planta Enfriadora |
| SCOP | 4,90 | 3,38 | – |
| SEER | 5,52 | 4,06 | 4,42 |
El rendimiento indicado para la bomba de calor geotérmica no tiene en cuenta la bomba circuladora de agua del circuito de pozos ni de los circuitos de agua de calefacción/refrigeración, mientras que la bomba de calor y enfriadora disponen de grupo hidrónico integrado.
Se evalúa la máxima capacidad de potencia fotovoltaica que se puede instalar en la cubierta del edificio, teniendo en cuenta los espacios disponibles que quedaran, una vez descontado : el espacio ocupado salas técnicas, los equipos de cubierta (recuperadores de calor aire de ventilación y bombas de calor/enfriadoras), espacio ocupado por la terraza/jardín destinado a los ocupantes del edificio, y además espacio en sombra generadas por la pérgola y/o muros de la terraza.
Se propone una instalación fotovoltaica situada en la cubierta plana del edificio, mediante una instalación de placas fotovoltaicas tipo “este-oeste”.
Esto tipología permite instalar la mayor cantidad de superficie fotovoltaica en los espacios disponibles de la cubierta, dado que no hay que mantener separaciones entre hileras de placas, obteniéndose una mayor densidad de producción energética, y además, produce una salida más estable y consistente a lo largo del día, comparada con una instalación tradicional de hileras.
El campo de captación que se ha previsto instalar, sería el siguiente, siendo las placas de color azul las instaladas hacia el noreste y las rojas hacia el suroeste.
Se han previsto 276 módulos de 440W (138 noreste + 138 suroeste), siendo la potencia total instalada de 121,44 kWp y disponiendo de un inversor de 100kWn nominales.
Esta instalación fotovoltaica generará a lo largo del año 148.923 kWh de energía fotovoltaica.
A nivel normativo, al tratarse de un edifico de nueva construcción con más de 1.000m2 de superficie construida, está obligado a disponer de una mínima instalación fotovoltaica, según el CTE DB-HE 5. La obligación establece una potencia mínima a instalar, que en este caso es de 49,42 kW pico, al disponerse de una superficie construida de 4.942,04m2.
La potencia pico instalada por encima de dicho valor, es una actuación voluntaria, no obligatoria.
La potencia de 49,42 kW representa entorno a un 41% de la potencia máximo pico total instalable (121,44 kWp), con lo que podemos afirmar que la electricidad fotovoltaica producida de manera voluntaria, “extra” a la mínima obligatoria, es de un +59%, es decir 87.864 kWh anuales, que representa una producción diaria media de 240 kWh.
Dicha producción, se produce a lo largo del año, de manera diaria, siendo la producción fotovoltaica mayor en los meses de verano donde se dispone de mayor radiación que en los meses de invierno, tal y como se puede observar en la siguiente gráfica por meses.
El horario de un edificio de oficinas es habitualmente de lunes a viernes de 7h a 19h, quedando también, dentro de este mismo horario, la producción fotovoltaica del edificio. La producción fotovoltaica se produce casi siempre dentro del horario de funcionamiento del edificio, con lo que la electricidad producida, será consumida por el edificio, y las exportaciones serán mínimas durante los días laborales.
Sin embargo, los fines de semana, períodos festivos o jornadas laborales con horario intensivo, habrá excedente de producción eléctrica, dado que varían de forma sustancial las necesidades de ventilación, ocupación, carga interna en general. En estas situaciones la demanda eléctrica del edificio suele estar habitualmente por debajo de la producción fotovoltaica, produciéndose exportación a la red eléctrica exterior y compensada en la facturación eléctrica.
Un ejemplo real de un edificio similar para explicar lo indicado:
En las siguientes dos gráficas, se muestra, a modo de ejemplo, el consumo eléctrico, de un edificio docente de 3.500m2 climatizado con bombas de calor, del cual se puede observar, la demanda eléctrica del edificio y la producción fotovoltaica (62 kWp instalados) de un día laborable de setiembre y de un día de fin de semana de septiembre, ambos días de la misma semana, en el que se ve claramente que durante la semana, la producción fotovoltaica queda absorbida completamente por el consumo del edificio (no hay exportación), y en cambio, durante el fin de semana, en el que solo está el consumo eléctrico “base” del edificio de 12 a 15 kW, existe exportación.
Dia Laborable
Dia fin de semana
En este caso, y desde un punto de vista prudente, para la comparativa técnico económica, no se tendrán en cuenta los beneficios económicos de la exportación de energía de la parte “voluntaria” (59%) de la instalación fotovoltaica del edificio, la cual cosa, permite pensar que los resultados propuestos siempre van a ser mejorados.
Sin embargo, para tener un orden de magnitud, partimos de la similitud entre el edificio docente con el edificio de oficinas, pudiendo observarse que el consumo eléctrico base del edifico docente es de 12 a 15 kW, con lo que es evidente que la instalación fotovoltaica obligatoria de nuestro edificio en estudio (49,42 kW) podrá cubrir perfectamente el consumo base durante las horas de sol, incluso generando dicha parte obligatoria, exportaciones.
Por lo tanto, la instalación fotovoltaica voluntaria, será prácticamente exportada al 100% con toda seguridad durante los fines de semana de todo el año, así como los días festivos nacionales/autonómicos y locales, en los que el edificio está bajo mínimos, lo que representa aproximadamente 116 días al año, a razón de 240 kWh de producción fotovoltaica media diaria (electricidad fotovoltaica de la parte voluntaria de la instalación) resultando un excedente eléctrico de 27.840 kWh anuales.
- COMPARATIVA DE SISTEMAS
La eficiencia eléctrica global de la producción de frío y calor, comparando un equipo más eficiente térmicamente como es la geotermia agua-agua, frente a un equipo menos eficiente como una bomba de calor aire-agua, a nuestro criterio debe ser completada con una instalación solar fotovoltaica de potencia superior a la mínima obligatoria por CTE.
Un edificio de oficinas, por naturaleza inherente al tipo de actividad, dispone de más demanda de frío que de calor, dado que se dispone de cargas térmicas interiores como son la carga por la ocupación, la carga por la iluminación o la carga de los equipos (ordenadores y pantallas). Si a esto le sumamos la carga de la radiación solar, presente a lo largo de todo el año, podemos afirmar que el interior del edificio recibe de manera “natural” un aporte de calor, con lo que para un edificio situado en una zona poco fría, las necesidades energéticas de calefacción del edificio serán de menor duración y de menor cantidad, que las necesidades energéticas de refrigeración.
A modo de ejemplo se ha buscado información contrastada de un edificio de oficinas que tiene registros de los consumos energéticos, con el fin de visualizar las demandas energéticas de frío y calor a lo largo del año, conociendo que evidentemente cada edificio tiene su propia casuística de ocupación, de orientación, de funcionamiento y de ocupación.
El ejemplo que seguidamente exponemos es un edificio de oficinas de alquiler situado en Barcelona distrito 22@, que está conectado a la red Districlima ( red urbana de distribución de calor y frío ), por el cual se conoce perfectamente la energía térmica y frigorífica que consume el edificio a lo largo del año. El objetivo no es ver ni valorar la demanda energética por metro cuadrado del edificio, sino la duración y cuantía de demanda de calor y frío del edificio, mes a mes, comparando las cantidades energéticas.
Mediante este gráfico es posible observar que:
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- La demanda de frío existe siempre a lo largo de todo el año
- La demanda de calor solo existe en invierno, y parcialmente en primavera y otoño
- La demanda de frío es mucho mayor que la demanda de calor
PROPUESTAS PARA EL EDIFICIO EN ESTUDIO : Planteamos 2 soluciones:
Solución 1 ( G+E+BC )
La potencia de la geotermia se ha ajustado a la máxima capacidad de los pozos.
Geotermia (141 kW Frio y 161 kW Calor)
Enfriadora (162 kW Frío)
Bomba de calor (145 kW de Frío o 155 kW de Calor)
Los tres equipos pueden dar una potencia total de frío de 448 kW, que es la máxima demanda del edificio, mientras que la geotermia y la bomba de calor, pueden, así, cada una de ellas por separado, satisfacer la máxima demanda de calor.
Solución 2 ( BC+BC+ER )
Partiendo de la base que se elimina la bomba de calor geotérmica, se propone la instalación de dos bombas de calor de idénticas características más una planta enfriadora con recuperación de calor total.
De esta manera hay tres equipos que pueden generar calor, dos de manera directa (155 kW cada unidad), y el otro de manera indirecta a través del circuito de recuperación.
Para la generación de frío, los tres equipos disponen de la capacidad de producir frío en base a la demanda del edificio, con una potencia total instalada de 452 kW.
Buscamos el punto de equilibrio en el que podamos decir que el equipo menos eficiente (enfriadora o bomba de calor aire-agua) se complementa con una fotovoltaica voluntaria “extra” a la mínima obligatoria, de potencia “X”, su conjunto, será comparativamente igual de eficiente que una geotermia agua-agua, siendo la instalación con un coste de inversión más económico que la geotermia ( pozos, zanjas, tubería enterrada, equipo agua-agua ).
A nivel energético, la comparativa es la siguiente:
Modo Calor
La comparativa entre la geotermia trabajando en modo calor y la bomba de calor trabajando en modo calor, se realiza comparando directamente el rendimiento de los equipos.
Esta comparativa solo serviría para los momentos en los cuales la geotermia trabajase en modo calor, prevé yendo que sea poco tiempo al año, dado que si en invierno hay demanda de refrigeración, la geotermia daría ese frío de manera prioritaria, obteniéndose calor gratuito, y solo en caso de que dicho calor no fuese suficiente, el segundo circuito de la geotermia podría ponerse a trabajar en modo calor.
La comparativa se realiza, mediante la eficiencia energética estacional SCOP.
161 kW Calor con Geotermia / SCOP (4,90) = 32,85 kW eléctricos.
161 kW Calor con Bomba de calor / SCOP (3,38) = 48,05 kW eléctricos.
La bomba de calor aire-agua consume una media de 15,2 kW eléctricos más que la bomba de calor geotérmica, cuando entrega una potencia de 161 kW de calor. No obstante, hay que tener en cuenta que los datos facilitados por la bomba de calor geotérmica son sin tener en cuenta la electricidad consumida por las bombas que mueven agua hacia los pozos, las cuales, son externas a la unidad. En cambio, la bomba de calor aire-agua, si tiene en cuenta la electricidad que gastan los ventiladores y grupo hidrónico.
Si tenemos en cuenta que estas bombas circuladoras pueden gastar 3 kW eléctricos, la diferencia real de electricidad sería de 12,2 kW.
Modo Frío con o sin recuperación de calor
Comparativa entre la geotermia trabajando en modo frío con o sin recuperación de calor y la planta enfriadora con o sin recuperación de calor.
Dado que ambas unidades trabajando en frío pueden recuperar calor o no, según las necesidades del edificio, la comparativa se realiza comparando directamente el rendimiento de los equipos, en modo frío.
La comparativa se realiza, mediante la eficiencia energética estacional SEER.
141,5 kW Frío con Geotermia / SEER (5,52) = 25,63 kW eléctricos.
141,5 kW Frío con Enfriadora / SEER (4,42) = 32,01 kW eléctricos.
La enfriadora aire-agua consume una media de 6,38 kW eléctricos más que la bomba de calor geotérmica, cuando entrega una potencia de 141,5 kW de frío. No obstante, hay que tener en cuenta que los datos facilitados por la bomba de calor geotérmica son sin tener en cuenta la electricidad consumida por las bombas circuladoras que mueven agua hacia los pozos, las cuales, son externas a la unidad. En cambio, la enfriadora aire-agua, si tiene en cuenta la electricidad que gastan los ventiladores y el grupo hidrónico.
Si tenemos en cuenta que estas bombas pueden gastar 3 kW eléctricos, la diferencia real de electricidad sería de 3,38 kW.
Para la comparativa energética, vamos a establecer las siguientes aspectos:
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- El horario de las oficinas es de 7h a 19h de lunes a viernes (12h al día)
- Los equipos arrancan una hora antes y paran una hora después del horario de oficinas, funcionando 14h al día, los días laborables.
- Se presupone que la geotermia es el primer equipo en funcionar cuando hay demanda, controlado por el BMS del edificio, dado que es el más eficiente y además, tiene la posibilidad de realizar recuperación de calor. Sin embargo, la realidad puede diferir, porqué el sistema puede repartir horas de funcionamiento, para no sobrecargar equipos.
- Vamos a suponer que el equipo funciona a máxima potencia, durante las 14 horas al día.
- Las oficinas de las empresas disponen de convenios colectivos, los cuales regulan el número máximo de horas realizadas anualmente por los trabajadores, que está entorno a las 1.800h, si bien es cierto que entre oficinas, puede haber distintos horarios, o bien, dentro de una misma oficina, puede haber también distinto horario entre sus trabajadores. Esto implica que durante las 12h diarias que el centro de oficinas puede estar abierto, difícilmente habrá plena ocupación durante todas las horas. Sin embargo, como la geotermia solo es el 33% de la máxima demanda, vamos a presuponer que funciona cubriendo la demanda base del edificio.
- El centro está abierto unos 250 días al año, una vez descontados los fines de semana y los festivos nacionales, siendo el total de horas anual de funcionamiento de los equipos de 3.500h anuales.
Si evaluamos, para cada solución (Solución 1 ( G+E+BC ) o Solución 2 ( BC+BC+ER )) el consumo eléctrico en un día de verano o un día de invierno obtenemos:
Verano
La Solución 2 ( BC+BC+ER ) gasta 3,38 kW eléctricos más, que durante 14h representa un consumo eléctrico de 47,32 kWh. Si embargo la instalación fotovoltaica no obligatoria, produce de media diaria anual, 240 kWh, por lo que compensa la diferencia de rendimiento eléctrico entre la geotermia y la enfriadora.
Invierno
La Solución 2 ( BC+BC+ER ) gasta 12,2 kW eléctricos más, que durante 14h representa un consumo eléctrico de 170,8 kWh. Si embargo la instalación fotovoltaica no obligatoria, produce de media diaria anual, 240 kWh, por lo que compensa la diferencia de rendimiento eléctrico entre la geotermia y la bomba de calor.
Es evidente que la solución 2, es energéticamente igual o mejor que la solución 1, dado que puede generar el frío/calor necesario para el edificio, con un balance eléctrico anual mejor, dado que la media de la energía eléctrica generada por la instalación fotovoltaica de carácter voluntario es superior al incremento eléctrico debido al menor rendimiento de la bomba de calor aire-agua o enfriadora aire-agua, respecto al sistema geotérmico.
El balance eléctrico, se debe mirar desde el punto de vista anual, dado que no cada día va a estar equilibrada la comparativa de los sistemas, simplemente porqué la producción fotovoltaica es mucho mayor en verano que en invierno, y la media de 240 kWh al día producidos, es una media anual, pudiéndose disponer de días con una producción fotovoltaica “extra” de tan solo 122 kWh (finales de diciembre y principios de enero) y otros días de 404 kWh (mediados de junio)
Disponer de una enfriadora aire-agua con recuperación de calor total, permite, disponer de un sistema equivalente a la geotermia cuando trabaja en modo frío y recuperación de calor.
Si se contabiliza tan solo aquello que es diferente entre la Solución 1 ( G+E+BC ) y la Solución 2 ( BC+BC+ER ), puede obtenerse la diferencia económica de inversión.
Solución 1 ( G+E+BC )
Los tres equipos generadores de frío/calor con la parte de pozos y trabajos varios asociados a los pozos (colectores, arquetas, zanjas , tuberías, aislamientos, bomba de pozos, etc.…)
| Geotermia (141 kW Frio – 161 kW Calor) | 55.000 € |
| Pozos Geotermia | 170.000 € |
| Enfriadora (162 kW Frío) | 54.000 € |
| Bomba de calor (145 kW Frío – 155 kW Calor) | 58.000 € |
| Total Solución 1 | 337.000 € |
Solución 2 ( BC+BC+ER )
Los tres equipos generadores de frío/calor, a lo que hay que añadir la pequeña parte del circuito de recuperación de la planta enfriadora y la parte de instalación fotovoltaica voluntaria de 72,02 kW (placas, soportes, inversores, cableados, cuadro eléctrico, etc…)
| Fotovoltaica extra de 72,02 kW | 75.000 € |
| Enfriadora con recuperación calor (162 kW Frío) y parte del circuito de recuperación de calor (tuberías, aislamiento, bomba, etc..) | 66.000 € |
| Bomba de calor (145 kW Frío – 155 kW Calor) | 58.000 € |
| Bomba de calor (145 kW Frío – 155 kW Calor) | 58.000 € |
| Total Solución 2 | 257.000 € |
La Solución 2 ( BC+BC+ER ) es aproximadamente 80.000€ más económica que la solución 1.
Analizando el funcionamiento y características de los distintos equipos, se puede concluir que la geotermia es el equipo con mejor rendimiento energético tanto en modo frío como en modo calor, y que además, cuando genera frío puede recuperar calor si el edificio dispone de demanda simultánea.
Sin embargo, esta solución no es energéticamente mejor que la propuesta en la solución 2, donde se dispone de una instalación con dos bombas de calor y una planta enfriadora con recuperación de calor, complementada con una instalación fotovoltaica voluntaria, resultando más favorable la solución 2 que ofrece:
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- Puede satisfacer la demanda de frío y calor el edificio, con un consumo eléctrico anual menor.
- Durante los fines de semana y periodos vacacionales, se producirá una exportación de electricidad adicional.
- La fotovoltaica es una inversión que genera ahorros todos los días del año, por disminución del consumo eléctrico del edificio o por la compensación de los excedentes, mientras que la geotermia, solo produce ahorros cuando funciona el equipo.
- La Solución 2 ( BC+BC+ER ) es una solución más rápida y fácil de ejecutar, que no tiene interferencias con la cimentación y estructuras del edificio, que se ejecuta durante la obra no formando parte del camino crítico y no al principio pudiendo recortar el tiempo de ejecución de la obra.
- La inversión inicial es más reducida. Los pozos y sistemas auxiliares de la geotermia encarecen mucho dicha tecnología.
