Diseño de Intercambiadores Enterrados (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad Politécnica de Valencia (UPV)
Grado Ingeniería de la Energía - 5º curso
Asignatura Nuevas Tecnologías Energéticas en Edificios
Año del apunte 2017
Páginas 4
Fecha de subida 11/06/2017
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Pau Carnero MUTEDS Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" Diseño de Intercambiadores Enterrados Datos de Partida A partir de cierta información se debe empezar el proyecto de diseño del intercambiador enterrado. Por ejemplo, los planos del edificio que se pretende climatizar con el intercambiador de geotermia y la composición de los cerramientos de los diferentes locales, se ha de conocer de antemano. Además, es posible hacer una estimación del tipo de suelo donde se enclava la instalación, mediante datos del Instituto Geológico y Minero de España.
Cálculo de la Carga y Demanda Térmica Con un conocimiento de los datos climáticos de la zona donde se ubica la instalación, la composición arquitectónica, las cargas internas, las exigencias de ventilación e infiltración, es posible llevar a cabo un cálculo y simulación de cargas térmicas mediante software especializado.
En función del valor de la carga máxima para el modo de calefacción y para refrigeración, se puede seleccionar una bomba de calor comercial que sea capaz de satisfacer a la instalación.
Bin Hours Se puede llevar a cabo una estimación de las cargas térmicas mediante el método simplificado de Bin Hours, consistente en suponer que la carga térmica es función lineal de la temperatura ambiente exterior. El procedimiento consiste en establecer una temperatura interior de confort tanto para calefacción como para refrigeración, existiendo una demanda térmica creciente cuanto mayor sea la diferencia entre la consigna de confort y la temperatura ambiente externa.
Dimensionado y Diseño de GSHP Una bomba de calor acoplada al terreno (GSHP, por sus siglas en inglés) cumple los siguientes balances de energía: Modo Refrigeración Modo Calefacción Potencia extraída del edificio Qf Potencia cedida al edificio Qc Trabajo de compresión Pa Bomba de Calor Potencia cedida al terreno Qt,r Bomba de Calor Trabajo de compresión Pa Potencia extraída del terreno Qt,c Pau Carnero MUTEDS Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" Para el modo refrigeración se tiene que la potencia extraída del edificio es el efecto útil, mediante la cual se enfría el fluido presente en el sistema de climatización interior en el edificio, acoplado al evaporador de la bomba de calor, 5ºC en un salto típico de 12ºC a 7ºC. Este efecto es a costa de ceder al terreno la siguiente cantidad de energía 𝑄𝑡,𝑟 = 𝑄𝑓 + 𝑃𝑎 La cual hace que el fluido caloportador presente en el intercambiador enterrado, acoplado al condensador de la bomba de calor, tenga un salto térmico de diseño de 30ºC a 35ºC. En conjunto, la eficiencia de la instalación viene dada por: 𝐶𝑂𝑃𝑟𝑒𝑓 = 𝑄𝑓 𝑄𝑓 1 → 𝑄𝑡,𝑟 = 𝑄𝑓 + = 𝑄𝑓 · (1 + ) 𝑃𝑎 𝐶𝑂𝑃𝑟𝑒𝑓 𝐶𝑂𝑃𝑟𝑒𝑓 Para el modo calefacción se tiene que la potencia cedida al edificio es el efecto útil, mediante la cual se calienta el fluido presente en el sistema de climatización interior en el edificio, acoplado al condensador de la bomba de calor, 5ºC en un salto típico de 45ºC a 50ºC. Este efecto es a costa de captar del terreno la siguiente cantidad de energía 𝑄𝑡,𝑐 = 𝑄𝑐 − 𝑃𝑎 La cual hace que el fluido caloportador presente en el intercambiador enterrado, acoplado al evaporador de la bomba de calor, tenga un salto térmico de diseño de 16ºC a 11ºC. En conjunto, la eficiencia de la instalación viene dada por: 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑙 = 𝑄𝑐 𝑄𝑐 1 → 𝑄𝑡,𝑐 = 𝑄𝑐 − = 𝑄𝑐 · (1 − ) 𝑃𝑎 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑂𝑃𝑐𝑎𝑙 Cálculo de la Conductividad del Terreno Para instalaciones pequeñas, normalmente, no es rentable económicamente llevar a cabo un Test de Respuesta Térmica del terreno, con las estimaciones tabuladas típicas suele ser suficiente.
Además de la conductividad del terreno, se tiene que el relleno que se introduzca en la perforación afectará notablemente a la transmisión de calor. Normalmente se tiene como orden de magnitud, una conductividad del relleno de 1,6 W/(m·K).
Modelado del Terreno La transmisión de calor en el terreno se modela mediante la Teoría de la Línea Infinita de Kelvin, mediante la cual se supone el intercambiador enterrado como una fuente de reducido espesor y longitud infinita, que emite únicamente en sentido radial.
Se tiene que el calor que se intercambia con el terreno, por unidad de longitud, viene dado por: 𝑞𝑖𝑛𝑡 = 𝑄𝑖𝑛𝑡 ∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑡𝑒𝑟 𝑄𝑖𝑛𝑡 · 𝑅𝑖𝑛𝑡 = → 𝐿𝑖𝑛𝑡 = 𝐿𝑖𝑛𝑡 𝑅𝑖𝑛𝑡 ∆𝑇𝑖𝑛𝑡−𝑡𝑒𝑟 La resistencia térmica que ofrece la convección interior del fluido circulante por el intercambiador enterrado es despreciable frente a la resistencia del tubo de plástico y la propia del terreno. Por lo tanto, 𝑅𝑖𝑛𝑡 = 𝑅𝑡𝑢𝑏 + 𝑅𝑡𝑒𝑟 · 𝐹 Pau Carnero MUTEDS Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" Siendo: 1 -𝑅𝑡𝑢𝑏 : la resistencia de la tubería viene dada por 𝑅𝑡𝑢𝑏 = 2·𝜋·𝑘 𝑡𝑢𝑏 √𝑛·𝐷𝑒𝑥𝑡 ) √𝑛·𝐷𝑒𝑥𝑡 −(𝐷𝑒𝑥𝑡 −𝐷𝑖𝑛𝑡 ) · 𝐿𝑁 · ( Siendo: - 𝑛: el número de tubos existentes en la perforación; 2 para simple U, 4 para doble U.
- 𝐹: el factor de utilización de la instalación en cada uno de los dos modos de funcionamiento.
A raíz de este modelo, la IGSHPA propone el siguiente modelo para determinar la longitud de intercambiador enterrado necesaria para poder hacer funcionar la instalación en modo refrigeración: 𝐿𝑖𝑛𝑡,𝑟𝑒𝑓 = 𝑄𝑓 · (1 + 1 )· + 𝑅𝑡𝑒𝑟 · 𝐹𝑟𝑒𝑓 ) 𝐶𝑂𝑃𝑟𝑒𝑓 (𝑅𝑡𝑢𝑏 𝑇𝑀𝐴𝑋,𝐵𝐶 − 𝑇𝑀𝐴𝑋,𝑡𝑒𝑟𝑟 Siendo: -𝑇𝑀𝐴𝑋,𝐵𝐶 : el promedio de las temperaturas máximas de la instalación, se dan en el condensador.
-𝑇𝑀𝐴𝑋,𝑡𝑒𝑟𝑟 : la temperatura máxima del terreno en la profundidad 𝑋𝑠 , obtenida mediante 𝑇𝑀𝐴𝑋,𝑡𝑒𝑟𝑟 (𝑋𝑠 ) = 𝑇𝑡𝑒𝑟𝑟,𝑠𝑝 + 𝐴𝑆 𝜋 (−𝑋𝑠 ·√365·𝛼) Siendo: -𝑇𝑡𝑒𝑟𝑟,𝑠𝑝 : temperatura del terreno sin perturbar.
-𝐴𝑆 : media entre la temperatura máxima ambiente y la mínima.
En modo calefacción: 𝐿𝑖𝑛𝑡,𝑐𝑎𝑙 = 1 𝑄𝑐 · (1 − 𝐶𝑂𝑃 𝑐𝑎𝑙 ) · (𝑅𝑡𝑢𝑏 + 𝑅𝑡𝑒𝑟 · 𝐹𝑐𝑎𝑙 ) 𝑇𝑀𝐼𝑁,𝐵𝐶 − 𝑇𝑀𝐼𝑁,𝑡𝑒𝑟𝑟 Siendo: -𝑇𝑀𝐼𝑁,𝐵𝐶 : el promedio de las temperaturas mínimas de la instalación, se dan en el evaporador.
-𝑇𝑀𝐼𝑁,𝑡𝑒𝑟𝑟 : la temperatura mínima del terreno.
𝑇𝑀𝐼𝑁,𝑡𝑒𝑟𝑟 (𝑋𝑠 ) = 𝑇𝑡𝑒𝑟𝑟,𝑠𝑝 − 𝐴𝑆 𝜋 (−𝑋𝑠 ·√365·𝛼) Conviene tener en cuenta que para favorecer la transmisión de calor en el intercambiador enterrado se ha de tener un cierto grado de turbulencia, lo cual puede conseguirse mediante diámetros pequeños que consigan cierta velocidad en el fluido caloportador. Sin embargo, los Pau Carnero MUTEDS Si necesitas más apuntes puedes encontrarlos en Unybook.com buscando el usuario "pcarnero" diámetros pequeños penalizan la eficiencia global de la máquina, en tanto en cuanto aumentan la pérdida de carga1 y, por ende, el consumo en las bombas hidráulicas.
Estimación de Espacio Dependiendo del espacio disponible, la longitud de intercambiador obtenida se tendrá que dividir, según: • • 1 Horizontal: 𝐿𝑖𝑛𝑡 = 𝑁𝑧𝑎𝑛𝑗𝑎𝑠 · 𝐿𝑧𝑎𝑛𝑗𝑎 · 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠/𝑧𝑎𝑛𝑗𝑎 Vertical: 𝐿𝑖𝑛𝑡 = 𝑁𝑝𝑜𝑧𝑜𝑠 · 𝐿𝑝𝑜𝑧𝑜 La pérdida de carga óptima se encuentra alrededor de 4 mca aproximadamente.
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