Calentamiento y refrigeración urbana mediante Geotermia en Meloneras

UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA Máster Oficial en Eficiencia Energética Trabajo de Fin de Máster Calentamiento y Refrigeración Urbana Mediante Geotermia en Meloneras Luis Casañas Salgado Tutores: Dr. D. Alejandro Ramos Martín D. Vicente Henríquez Concepción Fecha: 2 de diciembre de 2016 Me gustaría dedicar este trabajo a mi tío, Elías Casañas, por la ayuda que me ha prestado durante su elaboración, por sus inestimables consejos, y por los conocimientos con que, día a día, incansablemente, nos brinda a los que le rodeamos. Agradecimientos Previo a continuar con este trabajo de final de máster, me gustaría darle las gracias a mis padres y hermanos, por su ayuda y sustento durante estos inicios de mi carrera como ingeniero. También quiero agradecerle el apoyo a mi pareja, Silvia, que siempre ha sabido cómo hacerme mantener una actitud positiva ante las adversidades que surgían a lo largo de la elaboración de este documento. Por supuesto, agradecerle el tiempo y la voluntad que han empleado mis tutores, Alejandro Ramos y Vicente Gómez, en este trabajo, aconsejándome y guiándome en esta primera experiencia en la investigación. Por último, me gustaría agradecer a todos aquellos amigos, colegas y compañeros que han colaborado en este proyecto. Resumen El ritmo al que se está contaminando la atmósfera, y al que se consumen los recursos energéticos primarios de origen fósil en la actualidad es insostenible. Esto conlleva que la población se encuentre en constante búsqueda de métodos y estrategias innovadoras, que logren disminuir el consumo de recursos no renovables, y, consecuentemente, la contaminación atmosférica. La alta demanda turística de las Islas Canarias implica que una gran parte de la energía generada sea consumida por el sector residencial. Consecuentemente, disminuir el consumo energético de este sector implica un importante cambio en el consumo energético total de las Islas. La geotermia de baja entalpía se presenta como una alternativa innovadora a los actuales sistemas de generación de calor y frío en el sector terciario. En el presente estudio se pretende comparar el consumo energético de las tecnologías utilizadas en la actualidad, con aquel del sistema de aprovechamiento de energía geotérmica de baja entalpía de circuito abierto. Para ello, se analiza el consumo concreto de una instalación centralizada que cubre las demandas de calor y de frío de cinco hoteles situados en el sur de la isla de Gran Canaria, en la zona de Meloneras. Abstract The pace at which the atmosphere is being polluted, and the fossil primary energy resources are being consumed nowadays is untenable. This has forced the population to constantly search for innovative methods and strategies, that are capable of diminishing the rate at which non-renewable resources are consumed, and, consequently, diminishing the atmospheric pollution. As the Canary Islands are actually highly demanded by tourists, a large part of the energy generation is being used up by the residential sector. Therefore, reducing the energy consumption within this sector implies an important change on the Islands’ total energy consumption. Low enthalpy geothermal energy comes up as an innovative alternative to the actual HVAC systems within the third sector. The present study aims to compare the energy consumption of the actual technologies with that of an open loop ground-source heat pump. In order to achieve this, an analysis is carried out, relative to the energy consumption of a centralized heating and cooling plant that supplies the energy demands of five hotels located in the south of Gran Canaria, within the area of Meloneras. Contenido 1. Introducción ............................................................................................ 1 2. Antecedentes ........................................................................................... 3 2.1. Datos de Partida ................................................................................................. 3 2.1.1. Emplazamiento ...................................................................................................... 3 2.1.2. Datos de los hoteles ............................................................................................... 5 2.2. Estado del arte - generación de calor ................................................................. 6 2.2.1. La Caldera Eléctrica .............................................................................................. 6 2.2.2. La Caldera de Combustible Fósil .......................................................................... 7 2.2.3. La Caldera de Biomasa ......................................................................................... 8 2.2.4. La Bomba de Calor ............................................................................................... 9 2.3. Estado del arte - generación de frío ................................................................. 10 2.3.1. La Planta Enfriadora o Bomba de Calor ............................................................. 10 2.4. El Sistema Geotérmico de Baja Entalpía ......................................................... 12 2.4.1. Sistemas Centralizados con Aprovechamiento Geotérmico ................................ 17 2.5. La Instalación Propuesta .................................................................................. 18 2.6. Normativa de Aplicación ................................................................................. 18 3. Metodología .......................................................................................... 23 3.1. Cálculos de la Demanda de Calor .................................................................... 23 3.1.1. Cálculo de la Demanda de ACS .......................................................................... 23 3.1.2. Cálculo de la Demanda de Piscinas ..................................................................... 24 3.2. Cálculos de la Demanda de Frío ...................................................................... 29 3.3. Sistema Centralizado Geotérmico.................................................................... 32 3.4. Rendimiento de los Sistemas de Generación ................................................... 37 3.4.1. El Sistema Convencional .................................................................................... 37 3.4.2. El Sistema Geotérmico ........................................................................................ 38 4. Resultados ............................................................................................. 41 4.1. Resultados de la Demanda de Calor ................................................................ 41 4.1.1. Resultados Demanda ACS .................................................................................. 41 4.1.2. Resultados de la Demanda Energética de las Piscinas ........................................ 43 4.2. Resultados de la Demanda de Refrigeración ................................................... 47 4.3. Resultados del Sistema Centralizado Geotérmico ........................................... 50 4.4. Comparativa de Consumo Energético entre Sistemas de Generación ............. 55 4.4.1. Instalaciones Convencionales.............................................................................. 55 2 Tras implementar la metodología seleccionada sobre los datos de partida existentes, se obtienen valores comparativos entre los diferentes tipos de instalación tradicionales y la instalación geotérmica propuesta. Hablando de ahorros energéticos, la instalación propuesta reduce el consumo hasta en 22.796.246 kWh/año. A la reducción en el consumo energético le sigue una notable disminución en cuanto a las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, alcanzando valores de hasta 7.511 T de CO2/año. Por último, a nivel económico, los ahorros estimados ascienden a los 2.744.650 € anuales, una cifra nada despreciable. 3 2. Antecedentes Antes de comenzar a explicar la metodología empleada para el análisis de los consumos, se estima oportuno realizar un breve comentario sobre los antecedentes al proyecto, es decir, todo aquello conocido y relevante para el estudio en cuestión. Para ello, se definen los datos con los que se parte en este estudio, así como se comenta sobre la instalación propuesta. Además, se estudia el estado del arte en cuanto a la generación de calor y de frío en instalaciones hoteleras se refiere. 2.1. Datos de Partida Con el fin de poner en contexto al lector, se exponen los principales parámetros con los que se parte en este estudio. Como se menciona anteriormente, el presente estudio tiene como finalidad principal la de analizar el consumo energético de una instalación geotérmica centralizada en la isla de Gran Canaria, y comparar dicho consumo con aquellos correspondientes a diversas de las instalaciones típicas instaladas en los hoteles de las islas a día de hoy. Para dar comienzo a los cálculos pertinentes, es primordial conocer los parámetros que restringen y dan forma a la instalación. Para hacer el estudio más concreto, se investiga acerca del consumo energético de una instalación particular, y se compara el consumo energético de esta instalación con diferentes métodos de generación de frío y de calor. Por tanto, se estudian los sistemas de generación siguientes, diferenciados entre aquellos destinados a la generación de calor y de frío: Generadores de Calor  Caldera de Gas Propano  Caldera Eléctrica  Caldera de Biomasa  Bomba de Calor Geotérmica Generación de Frío  Planta Enfriadora Aerotérmica  Bomba de Calor Geotérmica Por una parte, se analizan aquellos parámetros que están relacionados con el consumo energético para la generación de frío, esto es para el aire acondicionado de habitaciones y de zonas comunes de los hoteles. Por otra, se procede a analizar los requerimientos desde el punto de vista de la generación de calor, esto es, la climatización de piscinas, así como la producción del agua caliente sanitaria. Es importante recalcar que los resultados obtenidos en este documento son meras estimaciones. El objetivo de este estudio no es el de presentar un método de fiable para el cálculo de la demanda energética de un hotel, sino el de comparar el consumo de distintas instalaciones al cubrir dicha demanda. 2.1.1. Emplazamiento La selección de la localización más adecuada para la instalación se realiza en base a diferentes parámetros. Dado que se pretende estudiar una instalación centralizada, la presencia de varios hoteles en un rango de distancia relativamente corto es imprescindible. Además, con el 4 objetivo de realizar un estudio completo, se requiere que los hoteles a los que la instalación abastezca cuenten con un número mínimo de habitaciones, con varias piscinas, y que ofrezcan el servicio de aire acondicionado tanto en zonas comunes como en sus habitaciones. Por último, el emplazamiento debe situarse en zona costera, con una distancia máxima al litoral de unos 200m, de esta manera cerciorando que la extracción de agua marina mediante pozos sea viable. Atendiendo a lo anterior, se toman en consideración tres principales localizaciones, siendo estas:  Zona del puerto de Las Palmas de Gran Canaria  Zona de Playa del Inglés  Zona de Meloneras La primera de las zonas dispone de una distancia a la costa inferior a los 200m en la mayoría de sus puntos y tiene una densidad de hoteles relativamente alta. No obstante, la mayoría de los hoteles de esta zona no disponen de piscina, dada su cercanía a la playa, por lo que queda descartada como opción. Por otra parte, la zona de Playa del Inglés, en el sur de la isla de Gran Canaria, tiene la mayor de las densidades hoteleras de entre las tres zonas preseleccionadas. Además, la mayoría de los hoteles existentes ofrecen un buen número de habitaciones, así como los servicios de piscina y aire acondicionado. Por el contrario, dado el alto grado de abrupción de esta zona, resulta improbable que se pueda acceder al agua marina con facilidad, por lo que, al igual que la primera zona, queda descartada. Por último, se estudia la zona de Meloneras, también situada en el sur de la isla de Gran Canaria. Esta zona, a diferencia de las dos anteriores, cumple con todos los diferentes requisitos previstos. Existen numerosos hoteles en la zona, con una distancia de separación entre ellos relativamente corta. Todos cuentan con un alto grado de ocupación, además de ofrecer los servicios de piscinas y de aire acondicionado. La separación de los hoteles de esta zona con respecto al mar es bastante corta, y dispone de diversos espacios donde emplazar la sala con la maquinaria pertinente. Por todo lo anterior, se escoge como punto de emplazamiento el de la zona de Meloneras. Una vez seleccionada la zona, se procede a la selección de los hoteles particulares a los que la instalación cubrirá con agua caliente y fría. Para ello, se escogen cinco hoteles -número que da lugar a variedad en el estudio, pero que no complica los cálculos demasiadosituados cerca entre sí. 5 Figura 2.1. Zona seleccionada para la implementación del sistema centralizado geotérmico de generación de frío y de calor (Grafcan Visor). La figura 2.1 muestra una vista aérea de la zona. Al analizar la figura en busca de cinco hoteles que cumplan todos los requisitos, se concluye en que los hoteles idóneos para la implementación de la instalación geotérmica centralizada, tal y como se indica en la figura anterior, son los siguientes:  Hotel LOPESAN Costa Meloneras  Hotel LOPESAN Baobab  Hotel LOPESAN Villa del Conde  Hotel RIU Gran Canaria  Hotel RIU Palace Meloneras. Además, marcada, se encuentra la localización designada para el emplazamiento de la central de generación geotérmica. Se selecciona este lugar al estar situado de manera centrada entre las cinco instalaciones a abastecer. 2.1.2. Datos de los hoteles Los datos de partida que era necesario recabar, incluyen dos parámetros principales, que se corresponden con el número de habitaciones de cada hotel, y la superficie total de sus piscinas. La tabla 2.1 resume algunos de los datos con los que se parte en este estudio. Tabla 2.1. Superficie total de las piscinas y número de habitaciones de cada hotel. Cadena Nombre S. piscinas (m2) Nº habitaciones LOPESAN Villa del Conde 2467 561 Central de Generación Geotérmica 6 LOPESAN Costa Meloneras 6348 1136 LOPESAN Baobab 4878 677 RIU Gran Canaria 919 639 RIU Palace Meloneras 870 515 Otros datos de parámetros de partida complementarios, como las características termodinámicas del agua, así como las temperaturas de agua de red y de suministro, o la ocupación media de cada hotel se muestran posteriormente en este estudio. 2.2. Estado del arte - generación de calor Cualquier instalación hotelera, independientemente del número de habitaciones que posea, requiere una instalación de generación de calor. Como mínimo, esta instalación debe suplir las necesidades energéticas de producción de agua caliente sanitaria del hotel, de manera que todos los clientes tengan acceso a la misma en cualquier momento del día. Además, una instalación de generación de calor puede abastecer otras necesidades suplementarias, como puede ser la climatización de piscinas, o la calefacción de las habitaciones y zonas comunes. Dado que el emplazamiento de este estudio se encuentra en una zona con inviernos relativamente cálidos, no se estudiarán los sistemas de generación de calor para la calefacción de espacios. Con el fin de poner al lector en situación, este capítulo comenta los sistemas de generación de calor que son típicamente instalados en los hoteles de la zona de emplazamiento designada, así como discute sus inconvenientes y aplicabilidad. Estas distintas tipologías de instalaciones serán posteriormente evaluadas y comparadas con el sistema centralizado geotérmico propuesto. 2.2.1. La Caldera Eléctrica Principio de Funcionamiento La preparación de agua caliente sanitaria (de aquí en adelante ACS) mediante el uso de la caldera eléctrica radica en el principio de funcionamiento del efecto Joule. Esto es, al hacer pasar una corriente eléctrica a través de un conductor, una parte de la energía que llevan los electrones se transformará en calor. Este calor puede ser aprovechado para subirle la temperatura a un fluido. En la caldera eléctrica, por tanto, se hace uso de un bobinado de cobre por el que se hace fluir la corriente eléctrica. Este bobinado se calienta hasta una cierta temperatura, en función de dos variables, estas siendo, por una parte, la corriente que pasa a través del bobinado, y por otra, el grosor del mismo. Cuanto mayor sean tanto la corriente eléctrica como el grosor de la bobina, mayor será la temperatura alcanzada, ya que la resistencia que encuentran los electrones a su paso aumentará. Características Como objeto de este estudio, se analizan primordialmente aquellas características que involucren la eficiencia energética de la caldera. El efecto Joule, principio fundamental estos tipos de calentadores, tiene la característica de transformar el 100% de la energía eléctrica que fluye a través de la bobina en energía calorífica. Esto quiere decir que cada kWh eléctrico inyectado en la caldera se transformará en 1 kWh térmico, cedido al fluido que rodea la bobina. 7 Inconvenientes Siempre que una corriente eléctrica se pasa a través de un metal sumergido en agua, se crea una diferencia de potencial entre dos metales diferentes, debido a la electrólisis. Al crearse un cátodo y un ánodo, algunos componentes del termo tenderán a oxidarse. Para evitar este proceso de corrosión, será necesario agregar al sistema un ánodo de sacrificio, normalmente hecho de Magnesio, y que sustituye a los propios componentes del termo como ánodo. Aplicabilidad Debido a su relativamente baja eficiencia, en comparación con otros métodos de calentamiento, suele utilizarse en instalaciones pequeñas o descentralizadas, en las que el caudal de ACS demandado no sea muy grande. Esto conlleva que, en los hoteles no suela implementarse, a excepción de algunos complejos de apartamentos que utilicen un calentador eléctrico para cada apartamento. Por ello, no formará parte de los sistemas estudiados en las siguientes secciones. 2.2.2. La Caldera de Combustible Fósil Principio de Funcionamiento En este apartado coexisten las calderas alimentadas por gases como el gas natural, el butano o el propano, y las alimentadas por combustibles líquidos, como el gasoil, todos ellos teniendo la característica de provenir de fuentes de fósiles. Estas calderas hacen uso del gran poder calorífico contenido en los combustibles fósiles para, a través de una reacción exotérmica de combustión, elevar la temperatura de un cierto fluido. La tabla 2.2 resume los poderes caloríficos superior e inferior de varios combustibles fósiles. Tabla 2.2. Poder Calorífico Inferior y Superior (PCI y PCS respectivamente) de algunos combustibles de origen fósil (Biblioteca Universidad Nacional del Sur). Combustible PCI PCS kJ/kg kJ/kg Gas Natural 39900 44000 Propano 46350 50450 Butano 45790 49675 Fuel-oil 40600 42695 Gasóleo 42275 43115 Gasolina 43950 46885 Cabrón 29300 33700 El principio de funcionamiento de la caldera se basa en la pulverización del fluido combustible, haciéndolo pasar a través de una llama que lo inflama. La reacción involucrada desprende tanto calor como el poder calorífico del fluido quemado; el calor es pasado al aire, y este aire se hace fluir a través de un intercambiador de calor aire-agua. De esta manera, se consigue preparar el ACS. 8 Características La eficiencia de estas calderas depende de varios factores, primeramente, el tipo de combustible utilizado, esto es, el estado en que se encuentra –siempre los fluidos en estado gaseoso reaccionan con mayor voracidad que aquellos en estado líquido. Por otra parte, cada combustible tiene un poder calorífico distinto; a mayor poder calorífico, mayor es la energía desprendida durante su combustión. Otro factor muy importante al evaluar la eficiencia energética de una caldera de combustión es hasta qué punto se aprovecha el calor desprendido durante la reacción. El mayor rendimiento se obtiene cuando a los gases de escape se les roba calor hasta el punto de condensarlos, siempre teniendo en cuenta el contenido en azufre de los gases, ya que, al condensarse forman ácido sulfúrico en combinación con agua, y pueden corroer la caldera. Inconvenientes Como es obvio, estas calderas hacen uso de fuentes de energía convencionales, es decir, no renovables. Esto conlleva, entre otros aspectos, una reducción de las reservas de combustible fósiles existentes. Además, uno de los productos de la reacción de combustión es el anhídrido carbónico, principal causante del efecto invernadero. Aplicabilidad De la misma manera que las calderas eléctricas, el rendimiento de estas calderas suele estar en torno al 95% [5], a veces incluso superándolo. No obstante, y dado que los combustibles fósiles son una fuente de energía primaria, y no un vector energético como lo es la electricidad, el precio de los combustibles es inferior a aquel de la electricidad. Esto conlleva que la mayoría de las instalaciones hoteleras hoy en día hagan uso de este tipo de caldera como elemento de preparación del ACS. 2.2.3. La Caldera de Biomasa Principio de funcionamiento Al igual que las calderas descritas en el apartado anterior, este tipo de caldera se basa en la combustión de un fósil para aprovechar su poder calorífico. La diferencia entre ambos tipos de combustión radica en que, en esta, el combustible se encuentra en estado sólido. El hecho de que el combustible sea un sólido conlleva que el mecanismo de introducción del mismo a la caldera sea mediante un tornillo sinfín, alimentado desde un silo. Además de esto, las calderas de biomasa requieren de un elemento de recogida de inquemados, normalmente tratándose simplemente de una bandeja en la parte inferior de la cámara de combustión. Características Normalmente se trata de rendimientos energéticos inferiores a aquellos de las calderas de combustión convencionales, dado que los sólidos no son pulverizables y por tanto siempre se generan inquemados. También, el combustible es clasificado según su contenido en humedad, así como según su poder calorífico, tal y como se aprecia en la tabla 2.3. Tabla 2.3. Poder Calorífico Superior de algunos biocombustibles utilizados en las calderas de biomasa (Biblioteca Universidad Nacional del Sur). Combustible PCS kJ/kg Orujo de uva 19126 9 Cáscara de almendras 36800 Celulosa 16500 Madera seca 19000 Viruta seca 13400 A pesar del menor rendimiento que ofrece esta caldera, medioambientalmente se trata de una energía no contaminante y 100% renovable, debido a que, por cada árbol o planta que se tala para ser utilizado como combustible, se planta otro igual, que absorba el anhídrido carbónico que haya sido expulsado a la atmósfera previamente. Inconvenientes A pesar de que el principio de funcionamiento de esta caldera lleva muchos años en práctica, el precio de las calderas y sobretodo del combustible sigue aún siendo elevado, ya que normalmente conlleva un proceso de preparación. Además, necesita de un espacio relativamente grande para la colocación del silo donde guardar las reservas de combustible. Otro inconveniente de esta tecnología radica en que genera una gran cantidad de residuos, que se depositan en la bandeja recolectora y que suelen dispersarse en el aire. Es por ello que se requieren salas específicas para este tipo de caldera. Aplicabilidad Suelen utilizarse en hoteles grandes en los que la demanda de calor sea importante, ya que requieren de una alta inversión inicial, no siendo rentable a pequeña escala. A pesar de tener un coste más elevado que el de las calderas convencionales, en los últimos años se apuesta cada vez más por la biomasa, ya que su instalación suele venir subvencionada por diversos organismos. 2.2.4. La Bomba de Calor Principio de funcionamiento Tal y como se especifica en el apartado 1 de la segunda sección de este estudio, la bomba de calor no transforma energía entre distintos tipos; únicamente mueve, o ‘bombea’ la energía calorífica de un punto al otro. En este caso, el interés se centra en usar esta máquina para la generación de calor, y no en la generación de frío. Características Este tipo de máquina se caracteriza por tener unos rendimientos muy por encima de los sistemas de generación de calor mencionados con anterioridad, aunque dicho rendimiento puede variar notablemente a causa de factores como la climatología o el estado de manutención de la bomba de calor. La proporción de energía aprovechable frente al consumo eléctrico de una bomba de calor a unas dadas condiciones de operación se define como el “Coeficiente de Operación” o COP, por sus siglas en inglés. Por otra parte, su rendimiento depende de cómo interactúa esta con el medio ambiente, es decir, si intercambia energía con el aire, o si intercambia energía con otro medio como puede ser el agua o el terreno. 10 Por tanto, el rango dentro del que puede variar el COP de una bomba de calor puede situarse entre 1,5 en el caso de aquellas aerotérmicas y con un alto grado de desgaste, hasta 8, si se trata de una máquina geotérmica de reciente fabricación. Inconvenientes El principal inconveniente de este tipo de generación de calor radica en su dependencia de las condiciones meteorológicas dadas en el lugar de implementación (en el caso de las bombas de calor aerotérmicas). Además, al estar expuestas al ambiente exterior, sufren un mayor desgaste y corrosión. Aplicabilidad Pueden ser aplicadas en cualquier tipo de instalación hotelera, ya sea de pequeño o de gran tamaño, ya que el rango que existe en cuanto a su potencia es considerablemente amplio. Dadas las relativamente moderadas características del clima de las Islas Canarias, este tipo de solución es frecuentemente seleccionado. 2.3. Estado del arte - generación de frío La gran mayoría de los complejos hoteleros de una cierta capacidad de huéspedes cuenta con un sistema de acondicionamiento del aire, que no sólo renueva el aire del hotel, sino que modifica su temperatura para crear sensación de bienestar térmico en su interior. En este apartado se habla sobre los métodos empleados en la actualidad para la generación de agua fría, empleada en el acondicionamiento del aire. 2.3.1. La Planta Enfriadora o Bomba de Calor Principio de funcionamiento La planta enfriadora, o bomba de calor, es un sistema que tiene como principio de funcionamiento el de bombear calor en contra de un gradiente de temperatura. En la naturaleza, existen una infinidad de procesos que conllevan un intercambio de temperatura, y, por tanto, un gradiente de temperatura. Un ejemplo sencillo podría ser el de la incidencia de la radiación solar sobre la tierra. Cuando sale el sol, a primera hora de la mañana, este irradia calor sobre la superficie terrestre, lo que hace que su temperatura se eleve. En este momento, se encuentra un gradiente de temperatura en la tierra, ya que la capa más superficial de la misma se encuentra a una temperatura superior que las capas inferiores, que no perciben la radiación solar. De forma natural, este gradiente de temperatura conlleva que la energía calorífica viaje desde el foco más caliente (la capa superior de la tierra) hacia el foco más frío (las capas inferiores de la tierra), siempre en busca de un equilibrio de temperaturas. No obstante, no siempre se desea que el calor viaje en ese sentido. Por ejemplo, lo natural sería que el calor del aire que rodea una nevera viajara hacia su interior, donde hace más frío. Sin embargo, esto conllevaría que la temperatura del interior de la nevera aumentase, por lo que los alimentos se echarían a perder. En este caso, se requiere que el calor viaje desde el foco frío (el interior de la nevera) hacia el foco caliente (el aire que la rodea). La figura 2.2 ilustra el flujo de calor inicial, QF, que, unido al trabajo realizado, W, se convierte en el calor final, QC, que se le transmite al foco caliente. 11 Figura 2.2. Flujo de calor en un ciclo termodinámico (elaboración propia). Este fenómeno es el que consigue generar una planta enfriadora, mediante un ciclo termodinámico. Son cuatro los principales componentes de la planta enfriadora: la válvula de expansión, el evaporador, el compresor y el condensador. El evaporador se sitúa en el foco frío, al que se le desea robar calor. A este calor se le sube la temperatura con el compresor, y es transmitido por medio de un fluido caloportador hacia el foco caliente, donde el calor robado se cede en el condensador. Posteriormente, la temperatura del fluido caloportador vuelve a ser reducida con la válvula de expansión, y pasa de nuevo por el evaporador para cerrar el ciclo. La figura 2.3 muestra un ciclo termodinámico con sus cuatro componentes principales. Figura 2.3. Principio de funcionamiento del ciclo termodinámico (elaboración propia). Rendimiento Energético El rendimiento de la planta enfriadora es el parámetro fundamental que se considera a la hora de mejorar su eficiencia energética, y este parámetro depende fundamentalmente de la diferencia de temperaturas entre el foco frío y el foco caliente, así como de la fase en la que se encuentre el fluido con el que se intercambia el calor. Cuanto mayor sea esta diferencia, mayor será el esfuerzo que la máquina tenga que hacer, y viceversa. Además, la eficiencia del intercambio de calor será mucho mayor cuando sea un fluido en fase líquida el que se haga pasar por el intercambiador, pues su coeficiente de convección es mucho mayor que el de la fase gaseosa. 18 Es en este punto en el que juega un papel importante la centralización de las instalaciones. Cada instalación es diferente, y se asume que las demandas de cada instalación variarán entre ellas, de manera que la proporción de demanda de calor frente a demanda de frío de cada hotel sea distinta. Esto se traduce en que, a la hora de equilibrar ambas demandas, será más fácil hacerlo cuantas más instalaciones estén conectadas a una misma red. Por ejemplo, si se estudian dos instalaciones, la primera con unas habitaciones mal aisladas del calor y con una piscina cubierta, y la segunda con un buen aislamiento en las habitaciones y con piscina al aire libre. La primera tendrá una demanda de frío mayor que la segunda, mientras que la segunda tendrá una demanda de calor mayor que la primera. Si estas instalaciones tuviesen una generación independiente, el consumo de ambas sería alto, pues ambas tienen una alta demanda (de frío y de calor respectivamente). Sin embargo, si la generación de ambas instalaciones se hiciera de manera conjunta, el calor residual generado para cubrir la alta demanda de refrigeración de la primera instalación sería aprovechado para calentar la piscina de la segunda instalación. La instalación conjunta tendría un consumo total mucho menor que la suma de las instalaciones individuales. Este fenómeno se mide con el factor de simultaneidad, que disminuye notablemente al aumentar el tamaño de las instalaciones. 2.5. La Instalación Propuesta En este estudio se propone una instalación geotérmica muy similar a la que ha sido descrita anteriormente en esta sección, esto es, aprovechará la energía del terreno por medio de pozos de agua marina. Esta agua siempre quedará separada del agua de circulación de las bombas de calor por un intercambiador de calor. Existirán dos tipos de bombas de calor, unas de mayor tamaño, a las que se denominará de aquí en adelante bombas de calor geotérmicas (o BCG), y otras más pequeñas llamadas bombas de calor de alta temperatura (o BCAT). Las primeras suplirán la demanda de aire acondicionado de los hoteles, a la par que la demanda de climatización de piscinas y parte de la demanda de producción de ACS. Las BCAT servirán para terminar de producir el ACS, elevándole la temperatura hasta los 60ºC que marca el reglamento. Una serie de bombas de circulación transportarán la energía, por medio de una serie de tuberías que discurren entre la central geotérmica y cada instalación hotelera a la que se surte. Las tuberías deberán ir debidamente asiladas para evitar pérdidas de calor o condensaciones innecesarias. Por último, y ya en cada hotel, se instalarán tres intercambiadores de calor, uno para el aire acondicionado, otro para el calor a baja temperatura (ambos procedentes de las BCG) y uno último para el calor a alta temperatura (procedente de las BCAT). De esta manera, quedarán interconectados todos los hoteles entre sí, y con la central de generación geotérmica. En el Anexo 3 de este documento se puede hallar un esquema térmico simplificado de la instalación propuesta. 2.6. Normativa de Aplicación En este apartado se trata de ofrecer al lector un punto de vista globalizado sobre la normativa actual que afecta al empleo de energías renovables, y en particular a la geotermia de baja entalpía. Se hará mención a las siguientes normativas:  Directiva 2010/31/UE, que habla sobre los edificios de consumo casi nulo 19  Directiva 2009/28/CE, en la que se especifica un método para obtener el balance energético de las bombas de calor  Reglamento de Instalación Térmicas en la Edificación o IT 1.2 – Exigencias de Eficiencia Energética o ITE 10.2 – Acondicionamiento de Piscinas  Código Técnico de la Edificación o Documento Básico HE-4 La directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo de 19 de mayo de 2010 relativa a la eficiencia energética de los edificios comenta la situación energética que vive la Unión Europea a día de hoy, señalando apuntes tales como es que el 40% de la energía consumida en esta zona, procede del sector residencial. Es por ello, que tiene como objetivo principal el de fomentar la eficiencia energética en los edificios, tanto existentes, como de nueva construcción, y siempre tomando en consideración las distintas climatologías de cada Estado miembro. Así mismo, propone el establecimiento de una serie de requisitos mínimos de eficiencia energética. De particular interés es la sección de las instalaciones técnicas de los edificios, en la que se hacen una serie de propuestas. La primera de ellas es la del establecimiento de una serie de requisitos relacionados con la eficiencia energética de las instalaciones técnicas, como son “la instalación correcta y el dimensionado, control y ajuste adecuados”. Estos requisitos serán necesarios en todas las instalaciones que sean nuevas, sustituyan a las existentes o las mejoren y sólo serán aplicables cuando sea técnica, funcional y económicamente viable. Merece recabar atención en que este documento considera, entre una de sus definiciones, a la energía geotérmica como energía de origen renovable. Esto representa un punto importante a la hora de implantar la tecnología geotérmica en las edificaciones de nueva construcción o en reformas de edificios, tal y como se explicará más adelante en este apartado. Además, esta Directiva propone la bomba de calor como uno de las alternativas a tener en cuenta a la hora de especificar el sistema de generación de calor y de frío de una nueva instalación, debido a sus prestaciones altamente eficientes. [14] La Directiva 2009/28/CE, en su Anexo VII, establece el método para calcular la cantidad de calor producido por las bombas de calor que debe considerarse procedente de fuentes de energía renovable. Este documento especifica, por tanto, las pautas a seguir para conocer y justificar cómo de renovable es esta tecnología. Una vez más, esta Directiva marca un paso hacia el empleo de la energía geotérmica en las edificaciones. La fórmula que sugiere esta Directiva hace uso de un factor del que no se ha hecho mención anteriormente en este estudio, que es el de las Prestaciones Medias Estacionales de las bombas de calor (SPF por sus siglas en inglés). Este es un cociente que, tal y como se detalla en el documento Prestaciones Medias Estacionales de las bombas de calor para producción de calor en edificios, del Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía, depende del tipo de máquina empleada. Diferencia entre plantas enfriadoras y bombas de calor, así como entre aquellas aerotérmicas, las geotérmicas, y las hidrotérmicas. Por su parte, el Código Técnico de la Edificación, en sus Documentos Básicos HE, establece una serie de pautas que promueven el uso de energías de carácter renovable en la edificación. En su DB HE-2, exige un rendimiento mínimo de las instalaciones térmicas, haciendo referencia al Reglamento de las Instalaciones Térmicas en la Edificación (RITE) en su IT 1.2. En el DB HE-4, se hace alusión a la contribución solar mínima de agua caliente sanitaria, 20 concretándose que, en Canarias, el valor de dicha contribución mínima corresponde al 70%. En su punto 2.2.1, apartado 4, se especifica que: La contribución solar mínima para ACS y/o climatización de piscinas cubiertas podrá sustituirse parcial o totalmente mediante la instalación alternativa de otras energías renovables, procesos de cogeneración o fuentes de energía residuales procedentes de la instalación de recuperadores de calor ajenos a la propia generación de calor del edificio; bien realizada en el propio edificio o bien a través de la conexión a una red de climatización urbana. El RITE, en su IT 1.2 habla sobre las exigencias en cuanto a eficiencia energética de las instalaciones de producción de calor y de frío. A modo de resumen, esta IT comenta que las instalaciones térmicas deben diseñarse y ejecutarse de forma que se reduzca el consumo de energía convencional y las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes mediante la utilización de sistemas eficientes energéticamente, de sistemas que permitan la recuperación de energía y la utilización de las energías renovables. Concretamente, la IT 1.2.4.6.1. Contribución de calor renovable o residual para la producción térmica del edificio, se comenta lo siguiente: 1. En los edificios nuevos o sometidos a reforma, con previsión de demanda térmica una parte de las necesidades energéticas térmicas derivadas de esa demanda se cubrirán mediante la incorporación de sistemas de aprovechamiento de calor renovable o residual. 2. Estos sistemas se diseñarán para alcanzar los objetivos de ahorro de energía primaria y emisiones de CO2 establecidos en el CTE. En la selección y el diseño de la solución se tendrán en consideración los criterios de balance de energía y rentabilidad económica. 3. La determinación de los coeficientes de paso de la producción de CO2 y de energía primaria, se realizarán de acuerdo con lo establecido en el apartado 2 de la IT 1.2.2. 4. Las fuentes de calor reversible y residual pueden estar integradas en la propia generación térmica del edificio o ser accesibles a través de una red de distribución de energía térmica de distrito. Por último, haciendo referencia a la ITE 10.2 del RITE, que trata sobre el acondicionamiento de piscinas, se especifica que, en piscinas al aire libre solo podrán utilizarse para el calentamiento del agua fuentes de energías residuales o de libre disposición, como la energía solar, el aire, el agua o el terreno. No puede utilizarse energía eléctrica para el calentamiento por efecto Joule como apoyo a las fuentes anteriores. Por tanto, para la producción de ACS, un mínimo del 70% de la energía empleada debe ser de origen renovable (en Canarias), mientras que, en el caso de las piscinas descubiertas, se amplía al 100% del consumo energético el que debe ser renovable. Volviendo a la Directiva 2010/31/UE, en la que se clasifica a la energía geotérmica como renovable, y a la Directiva 2009/28/CE, que establece el método para conocer la cantidad de energía renovable generada por una bomba de calor, se entiende que la bomba de calor geotérmica podrá ser empleada para la generación de ACS, siempre y cuando más del 70% de la energía que genere sea renovable, y podrá ser empleada para la climatización de una piscina al aire libre de manera que se aproveche su energía residual al generar frío. Si bien esta es una manera correcta de interpretar la normativa vigente, no es la única; tal y como comenta la IT 1.2.4.6.1., no será necesario que la fracción de energía procedente de origen renovable coincida o supere a la contribución mínima establecida, siempre y cuando se justifique 21 que el método alternativo propuesto conlleve una reducción tanto en las emisiones de CO2, como en el consumo energético final comparado con un sistema que cumpla con la normativa. Otros tipos de energías renovables que pueden ser empleados para la producción de ACS incluyen la energía solar, la caldera de biomasa, o las bombas de calor aerotérmicas. Por otra parte, los únicos competidores para la generación de calor para la climatización de piscinas son el panel solar y la caldera de biomasa. A diferencia de la bomba de calor geotérmica, una inversión en estas tecnologías únicamente servirá para generar calor, mientras que invertir en una bomba de calor geotérmica cubrirá tanto la generación de frío como la de calor. Además, la bomba de calor geotérmica garantiza la generación de calor para climatizar piscinas en cualquier momento, mientras que los paneles solares solamente podrán calentar durante las horas de sol. Esto último conllevaría, en el caso de que se instalasen paneles solares, a sobredimensionar la instalación solar, a fin de garantizar la climatización de las piscinas durante el invierno y en días en los que la incidencia solar sea mínima, consecuentemente incrementando notablemente tanto los costes iniciales como los de mantenimiento. Se concluye, por todo lo anterior en que, a día de hoy, la energía geotérmica de baja temperatura se presenta como la candidata más adecuada, tanto técnica como económicamente, para la generación de energía térmica en la edificación. 22 23 3. Metodología A lo largo de esta sección, se tratará de explicar, con el mayor detalle posible, la metodología empleada para el cálculo de la demanda energética de la instalación, así como el consumo energético y económico, y las emisiones de CO2 de cada uno de los sistemas convencionales comentados anteriormente. 3.1. Cálculos de la Demanda de Calor A continuación, se exponen las metodologías empleadas para el cálculo de la demanda de generación de calor, tanto en el caso de la producción del agua caliente sanitaria, como en el caso de la climatización de las piscinas. 3.1.1. Cálculo de la Demanda de ACS El procedimiento para la estimación de la demanda energética relacionada con el agua caliente sanitaria (ACS) se divide en dos secciones. La primera de las secciones trata de establecer un valor del volumen de consumo de ACS para cada hotel [18]. Este valor se estima atendiendo a la siguiente fórmula: 𝑉 =𝑂·𝐻·𝑃·𝐶 Donde, v es el caudal volumétrico de ACS requerido diariamente (L/día) O corresponde al nivel de la ocupación (%) H es el número de habitaciones por hotel (hab.) P es el número de ocupantes por habitación (pers./hab.) C es el consumo estimado de ACS por persona y día (L/pers.día) Para estimar el consumo de ACS por persona y día, se ha hecho uso de las tablas del CTE HE-4, donde se estipula que el consumo correspondiente a un hotel de 4* es de 70 litros por persona y día. Teniendo en cuenta que estos son, en su mayoría, hoteles de 5*, se asume que el consumo de ACS asciende a los 100 litros por persona y día. Dado que los caudales volumétricos de los hoteles estudiados son relativamente altos, las unidades de litros por día no son las más adecuadas para trabajar. Es por ello que se convierten los valores de caudales volumétricos a metros cúbicos al mes, de manera que quedan números más manejables y fácilmente comprensibles. La segunda sección del procedimiento para la estimación de la demanda energética relacionada con el consumo de ACS calcula la energía requerida para elevar la temperatura del caudal volumétrico calculado en la ecuación anterior desde la temperatura de la red, hasta 60ºC, la temperatura de suministro del ACS. La ecuación es como sigue: 𝑉·(𝑇𝑆−𝑇𝑅)·𝑃𝑒 0,86 Donde, Q es la demanda energética mensual relacionada con el ACS (kWh/mes) 24 Ts es la temperatura de suministro del ACS, con un valor de 60ºC Tr es la temperatura del agua de red, variante a lo largo del año (ºC) Pe es un coeficiente relacionado con las pérdidas de calor asociadas al transporte del ACS por el hotel 3.1.2. Cálculo de la Demanda de Piscinas El mercado turístico ofrece cada vez mayores prestaciones para sus clientes, por lo que los hoteles deben saber adaptarse a las necesidades del turista en cada momento. Una de las prestaciones que se está convirtiendo actualmente, casi en obligatoria, es la de tener las piscinas atemperadas, de manera que el cliente pueda disfrutar de ellas en cualquier época del año, e independientemente de las condiciones climatológicas. En este estudio, se asume que las piscinas serán climatizadas durante todo el año, de manera que se encuentren a una temperatura constante. Esto conlleva un gasto energético importante, especialmente durante el invierno, y, por tanto, se lleva a cabo un estudio pormenorizado de la demanda energética asociada a la climatización de las piscinas. Para llevar a cabo el balance energético de las piscinas se ha tomado como referencia el método empleado por el Chartered Institute of Building Services Engineers en su artículo CIBS Guide, Section C-3, ya que muestra y cuantifica de una manera clara y concisa cómo pierden y ganan calor las piscinas descubiertas. Los principales datos requeridos para completar la estimación de la demanda energética de las piscinas de los cinco hoteles en cuestión se dividen en dos grupos. El primero de los grupos representa las características de las instalaciones, es decir, qué número de piscinas tienen, cual es la superficie de cada una de ellas, y a qué temperatura se quieren mantener. Este grupo de datos se muestra en la tabla 3.1. Tabla 3.1. Datos de las piscinas de los cinco hoteles. Cadena Nombre Superficie de la piscina (m2) Temp. de la piscina (ºC) Piscina 1 Piscina 2 Piscina 3 Piscina 4 Piscina 5 Piscina 6 LOPESAN Villa del Conde 911,31 869,75 379,25 65,1 241,69 0 24 LOPESAN Costa Meloneras 3621,3 1726,32 227,29 480,64 229,4 62,7 24 LOPESAN Baobab 457,84 144,83 2142,16 455,7 1608,55 68,82 24 RIU Gran Canaria 918,65 0 0 0 0 0 24 RIU Palace Meloneras 521,4 16,94 331,93 0 0 0 24 El segundo grupo de datos requerido para la estimación de la demanda energética de las piscinas es el de las condiciones ambientales. Los datos que se muestran en la tabla 3.2 han sido recogidos de diversas la base meteorológica de Gando, al ser esta la que se sitúa más cerca de la zona de Meloneras. Tabla 3.2. Datos meteorológicos para el emplazamiento. Mes Días H.R. T.amb V.vto. Rad.horz. Pv amb. % G.C. m/s Kc/d/m2 Kg/cm2 ENE 31 74 16,9 5,55 2950 0,0148 FEB 28 71 17,4 5 3100 0,0146 MAR 31 66 18,6 6,67 4170 0,0146 ABR 30 67 18,8 6,39 4510 0,0149 MAY 31 66 19,8 7,5 5180 0,0156 25 JUN 30 68 21 7,22 5570 0,0173 JUL 31 67 23,2 8,33 5900 0,0194 AGO 31 70 24,4 7,78 5400 0,0217 SEP 30 73 24,3 6,11 4410 0,0225 OCT 31 73 22 5,55 3880 0,0197 NOV 30 71 19,9 5,28 3080 0,0169 DIC 31 72 17,9 5 2540 0,0152 Una vez estipulados los datos de partida, se procede a explicar la metodología a seguir para estimar la demanda energética relacionada con la climatización de piscinas. Existen 5 tipos de pérdidas en las piscinas, siendo estas las siguientes:  Conducción  Convección  Radiación  Evaporación  Reposición Conducción El primer tipo de pérdidas basa su principio en la conducción de calor a través de las paredes de la piscina, tanto por los laterales como por el fondo, hacia la tierra o el aire que las rodea [20]. La ecuación que describe estas pérdidas es la siguiente: 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑈·𝐴·∆𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑 ·𝑛 Donde, Qcond es el calor transmitido por conducción (kWh/mes) U es el coeficiente de transmitancia global (kW/m2·ºC) A es la superficie que entra en contacto con los alrededores (m2) ΔTcond es la diferencia de temperatura entre el agua de la piscina y los alrededores de la misma (ºC) n se corresponde con el tiempo, medido en horas, de cada mes Tal y como se observa en la ecuación, existen varios parámetros que influencian el ritmo al que el vaso de la piscina pierde calor por conducción. Quizás, el más importante de todos los parámetros sea el coeficiente de transmitancia global, ya que influencia en gran medida el valor final de las pérdidas. Un valor típico de transmitancia para piscinas enterradas está sobre los 0,32 W/m2K, mientras que el valor normal de transmitancia en piscinas descubiertas es mucho mayor, rondando los 12,6 W/m2K, a lo que habría que sumarle las pérdidas asociadas a la convección por las paredes en contacto con el aire [19]. Para el caso de este estudio, se considera que todas las piscinas de los cinco hoteles se encuentran completamente enterradas. Teniendo esto en cuenta, y dado el valor tan bajo del coeficiente de transmitancia global a través de las paredes y del suelo de la piscina, se considera que las pérdidas por conducción de la piscina son despreciables. Convección Las pérdidas por convección pueden ser evaluadas atendiendo a la siguiente ecuación: 26 𝑄𝑐𝑣 = ℎ𝑐𝑣 ·𝑣·𝐴𝑙𝑎𝑚 ·∆𝑇𝑙𝑎𝑚 ·𝑛 Donde, Qcv representa las pérdidas por convección (kWh/mes) hcv es el coeficiente de convección (kW/m2ºC) v corresponde con el coeficiente de viento, con un valor de 0,6 Alam es el área de la superficie de la lámina de agua en contacto con el aire (m2) ΔTlam es la diferencia de temperatura entre el agua de la piscina y el aire que la rodea (ºC) Es importante notar que el coeficiente de convección varía en función de dos parámetros fundamentales: la diferencia de temperatura entre el agua de la piscina y el aire que la rodea, y la velocidad del viento. Siempre, a mayor diferencia de temperatura, mayor ritmo de transferencia de calor entre las dos fases, pues el gradiente de temperatura aumenta. Además, las velocidades de viento altas hacen que el calor acumulado en la capa de aire inmediatamente superior a la capa del agua sea perdido, lo que crea una mayor diferencia de temperaturas, y por consiguiente unas mayores pérdidas de calor. Hay que notar que este fenómeno no sólo afecta a la piscina de manera negativa, sino que, en el caso de que la temperatura del aire de los alrededores supere la temperatura del vaso de la piscina, la transferencia de calor será hacia la piscina, y por tanto esta ganará calor en lugar de perderlo. El coeficiente hcv, que determina cómo de eficiente es la transferencia de calor por convección, varía en función de la velocidad del viento atendiendo a la figura 3.1. Figura 3.1. Variación de los coeficientes de convección (hcv) y de evaporación (hev) con respecto a la velocidad del viento. Con el fin de obtener datos precisos sobre el valor del coeficiente de convección en función de la velocidad del viento, se traza una recta que conecta los puntos del área sombreada por su parte más baja, es decir, desde un punto de vista conservador. La ecuación de la recta que 0 10 20 30 40 50 60 012345678910 11 12 13 14 15 hcv (W/m2.ºC) Velocidad del viento (m/s) hcv hev 27 describe la variación del coeficiente de convección en función de la velocidad del viento queda de la siguiente forma: ℎ𝑐𝑣 =3,67𝑥10−3 ·𝑣+1,97𝑥10−3 Radiación Las transferencias de calor asociadas a la radiación entre el aire y el agua de la piscina vienen dadas por la siguiente ecuación: 𝑄𝑟𝑎𝑑 =𝐴𝑟𝑎𝑑 ·𝜀·𝜎·[(𝑇𝑤)4−(𝑇𝑎𝑚𝑏)4]·𝑛 Donde, Qrad representa las pérdidas por radiación (kWh/mes) Arad es el área de la superficie en contacto con el aire (m2) ε es la emisividad del agua de la piscina (se asume un valor de 0,9) σ es la constante de Stefan Boltzmann, con un valor de 5,67x10-11 kW/m2·K4 Tw es la temperatura del agua de la piscina (K) Tamb es la temperatura de los alrededores de la piscina, o del cielo (K) Se asume que la temperatura del cielo es igual a la temperatura ambiente del aire que rodea la piscina, ya que, según el artículo mencionado, no conlleva un error considerable. Evaporación La cantidad de calor perdido asociado a la evaporación normalmente es la mayor de las pérdidas energéticas. Una ecuación muy simple es utilizada para evaluar estas pérdidas: 𝑄𝑒= 𝐿𝑤·𝐾𝑒·∆𝑃·𝑛·𝐴 Donde, Qe representa las pérdidas por evaporación (kWh/mes) Lw es el calor latente de evaporación del agua a la temperatura de la superficie (se asume un valor de 2425,5 kJ/kg) Ke es el coeficiente de transferencia de masa (kg/m2·s·Pa) ΔP es la presión parcial ejercida por la superficie de la piscina menos la presión parcial ejercida por la humedad del aire (Pa) A es el área de la superficie de la piscina (m2) A pesar de que la fórmula es relativamente sencilla, la selección del valor de Ke apropiado no lo es; a continuación, se comenta el método seleccionado para su estimación. Czarnecki siguiere que se aproxime de la manera siguiente: 𝐾𝑒=315,1·ℎ𝑒𝑣 El valor del hcv, relacionado con la sección de la convección, es tomado de la serie de valores de la figura 3.1. Dado que las pérdidas por evaporación se consideran mayores q las de convección, se traza una recta por la parte superior del área de la gráfica, que tiene la siguiente ecuación: 34 El mismo procedimiento se aplica para calcular la cantidad de energía residual recuperada para la climatización de piscinas. Se debe tener en cuenta que la kACS se convierte el kPISC. 𝑘𝑃𝐼𝑆𝐶 =1−𝑘𝐴𝐶𝑆 Una vez obtenidos los valores de energía residual recuperada tanto para la producción de ACS como para la climatización de piscinas, se procede a calcular la cantidad de energía a rechazar a los pozos geotérmicos. 𝑄𝑅𝐸𝐶 = 𝑄𝐴𝐶𝑆 +𝑄𝑃𝐼𝑆𝐶 𝑄𝑃𝐼𝑆𝐶 =𝑄𝑅𝐸𝑆 −𝑄𝑅𝐸𝐶 Donde, QREC es la cantidad de energía recuperada en el mes i (kWh/mes) QPISC es la energía residual recuperada para la climatización de las piscinas del mes i (kWh/mes) QPOZOS es la cantidad de energía residual que debe ser rechazada para el mes i (kWh/mes) El siguiente cálculo hace referencia a los valores anuales, tanto de las demandas energéticas de las piscinas y del ACS, como del calor residual disponible. 𝑄𝑅𝐸𝐶 = 𝑄𝐴𝐶𝑆+𝑄𝑃𝐼𝑆𝐶 𝑄𝑃𝑂𝑍𝑂𝑆 =𝑄𝑅𝐸𝑆 +𝑄𝑅𝐸𝐶 Finalmente, se halla el porcentaje del calor residual total rechazado a los pozos, variable objetivo de la función. Este punto representa el final de la primera iteración del cálculo del valor del porcentaje de calor residual rechazado a los pozos, sin embargo, se procede a realizar varias iteraciones seguidamente, hasta que el valor mínimo de la variable sea hallado. 𝑘𝑃𝑂𝑍𝑂𝑆 =𝑄𝑃𝑂𝑍𝑂𝑆 𝑄𝑅𝐸𝐶 Una vez se obtenga el valor del porcentaje del calor residual total rechazado a los pozos mínimo, se hayan los valores reales de los porcentajes de aprovechamiento del calor residual para la producción de ACS, de la misma manera de la que se muestra en la ecuación sobre estas líneas. Aporte de Calor para ACS No Recuperado Una vez se haya recuperado todo el calor posible de las bombas de calor, será necesario tener en cuenta otros métodos de preparación del ACS. Para ello, se dividirá el proceso en dos pasos. En el primer paso, se hace uso de la bomba de calor geotérmica para elevar la temperatura del agua desde la temperatura de red hasta los 45ºC. Para calcular la demanda energética que debe ser cubierta con este método, se calculará el volumen de ACS demandado anualmente (a partir de los cálculos de la sección 3.1.1), y se multiplicará este por la diferencia de temperatura a vencer, por lo que queda de la siguiente forma: DP1 = VANUAL · CP · ΔTP1 Donde, DP1 es la demanda energética cubierta en el paso 1, kWh. 35 VANUAL es el volumen de ACS preparada anualmente, L. CP es el calor específico del agua, kW/ºC L. ΔTP1 es la diferencia de temperatura entre el agua de red y 45ºC. El segundo paso consiste en la elevación de la temperatura del agua desde los 45ºC hasta los 60ºC, requeridos para evitar la proliferación de bacterias como la legionella, así como para asegurar que ningún huésped de los hoteles estudiados se quede sin agua caliente. En este paso, se hace uso de una segunda bomba de calor, con la singularidad de que esta última se trata de una bomba de calor de alta temperatura, específicamente diseñada para la preparación del ACS. De manera similar al primer paso, la ecuación del segundo paso de preparación del ACS es como sigue: DP2 = VANUAL · CP · ΔTP2 Donde, DP2 es la demanda energética cubierta en el paso 2, kWh. VANUAL es el volumen de ACS preparada anualmente, L. CP es el calor específico del agua, kW/ºC L. ΔTP2 es la diferencia de temperatura entre los 45ºC alcanzados en el primer paso y 60 ºC. Descripción de la Instalación Teniendo en cuenta lo anterior, la instalación deberá ser capaz de recuperar el calor sobrante cuando se está refrigerando. Además, en el caso de que la instalación no requiera un aporte adicional de calor, este deberá ser rechazado a los pozos geotérmicos. Por otra parte, dado que se prevé preparar el ACS, será necesaria la instalación de unas bombas de calor de alta temperatura que permitan, como su nombre indica, alcanzar altas temperaturas en los depósitos de acumulación. Por tanto, la instalación dispondrá de una bomba de calor geotérmica (se asume que dispondrá de una sola, pero podrían ser varias en paralelo) que se conecta, por un lado con un colector de frío, funcionando entre 7 y 12ºC, y, por otro, con un colector de calor, que trabaja entre 35 y 40ºC. El primero de los colectores servirá para abastecer a los hoteles de agua fría para la climatización, por lo que dispondrá de 5 ramales, uno por cada hotel. El colector de calor, dispondrá así mismo de 5 ramales, que, a la entrada de cada hotel, serán divididos en otros 2 ramales: para las piscinas y para el precalentamiento del ACS. Además, ambos colectores dispondrán de un ramal que se interconectará con el intercambiador de los pozos geotérmicos. Por el circuito secundario de los pozos geotérmicos discurrirán dos tuberías, una a cada pozo (captación y rechazo) que conectarán los pozos con un intercambiador de calor. Sumergida en el pozo de captación se dispondrá de una bomba que extraiga el agua del subsuelo y la haga fluir por el circuito mencionado. Al hacer contacto con el intercambiador de calor, el agua proveniente de los pozos absorberá o cederá calor, en función de la temperatura del circuito primario. Por último, la parte de la instalación que se encarga de preparar el ACS dispondrá de una bomba de calor de alta temperatura, que evapore con el circuito del precalentamiento del ACS proveniente de la bomba de calor geotérmica, y que condense entre 60 y 70ºC a un circuito de calentamiento de depósitos de acumulación. 36 Demanda de ACS no cubierta con Calor Recuperado Una vez se haya aprovechado al máximo la energía residual disponible procedente del funcionamiento de las bombas de calor, es necesario evaluar si la instalación continúa demandando calor o si, por el contrario, no es preciso continuar con la generación de calor. En el probable caso de que la demanda de calor para la producción de ACS de la instalación sea mayor al calor residual disponible, será necesario que se continúe generando calor por otras vías. La propia bomba de calor, como se ha ido comentando previamente, es capaz de satisfacer una demanda de frío (generando calor residual), así como una demanda de calor (generando frío residual). Con el objetivo de satisfacer la demanda de calor no cubierta con el calor residual de la bomba de calor, se hará uso de la misma bomba de calor, sólo que, en este caso, el calor aprovechado no será del carácter residual. La limitación principal de la utilización de la bomba de calor geotérmica para la producción de ACS es su baja temperatura máxima de condensación, que ronda los 45-50ºC. Por tanto, es necesaria la implementación de un segundo sistema, que eleve la temperatura del agua desde los 45ºC hasta los 60ºC necesarios para el ACS. El segundo sistema seleccionado se trata de una bomba de calor de alta temperatura (BCAT). Esta máquina se diseña para ofrecer una diferencia de temperatura entre evaporación y condensación mucho más amplia que el resto de bombas de calor convencionales. Su intercambiador de evaporación se conectará con los pozos geotérmicos, de los que extraerá calor para entregárselo al ACS, con la que se encuentra en el intercambiador de condensación. El cálculo de las cantidades de calor requeridas en cada uno de los pasos mencionados sobre estas líneas, se comenta a continuación. Primeramente, se ha de comparar la demanda de calor para la producción de ACS con la cantidad de calor residual disponible. Para ello, simplemente se calcula la diferencia entre ambas: 𝑄𝐴𝐷 = 𝐷𝐴𝐶𝑆 −𝑄𝑅𝐸𝑆 Donde, QAD corresponde al calor adicional requerido (kWh/mes) DACS es la demanda de calor total para la producción de ACS (kWh/mes) QRES representa la cantidad de calor residual disponible (kWh/mes). Seguidamente, se procede a dividir el calor adicional requerido entre los dos pasos mencionados. Conociendo el caudal de ACS demandado por la instalación, y sabiendo que el segundo de los pasos (la BCAT) eleva la temperatura del agua 15ºC, se calcula la parte del calor adicional que será cubierta por la BCAT. 𝑄𝐵𝐶𝐴𝑇 =𝑚·𝐶𝑝·∆𝑇𝐵𝐶𝐴𝑇 Donde, QBCAT es la parte del calor adicional cubierta por la BCAT (kWh/mes) m representa el caudal másico de ACS requerido por la instalación (kWh/mes) Cp es el calor específico del agua, asumido constante (kW/kg ºC) ΔTBCAT diferencia de temperatura generada por la BCAT (ºC) 37 Por último, se halla la cantidad de calor (no residual) que deberá ser aportada por la bomba de calor geotérmica para la preparación de ACS. Para ello, se calcula la diferencia entre el calor adicional requerido y el calor aportado por la BCAT, de la siguiente manera: 𝑄𝐵𝐶𝐺 =𝑄𝐴𝐷 −𝑄𝐵𝐶𝐴𝑇 Donde, QBCG representa el calor aportado por la bomba de calor geotérmica (kWh/mes) Simultaneidad de la Demanda A la hora de dimensionar las máquinas que la instalación requiere, es importante tener en cuenta el factor de simultaneidad, o diversificación, que representa la medida en que las cargas se darán de manera simultánea. Dada la centralización de los cinco hoteles, el factor de simultaneidad de las instalaciones dentro de cada hotel, deberá ser multiplicado por aquel del conjunto de los cinco hoteles. Cabe destacar que los datos de potencia de refrigeración media obtenidos a partir de la empresa Incanae, ya cuentan con la aplicación de un factor de simultaneidad de 0,7, que tiene en cuenta, como su nombre indica, el grado de simultaneidad que presentan las cargas de refrigeración dentro de cada complejo hotelero individualmente. También es importante notar que, al centralizar todas las instalaciones en una única, existe un cierto grado de similitud en las curvas de demanda energética de cada hotel. Siempre que la curva de demanda de cada hotel no sea idéntica en todas las instalaciones, se puede hablar de que existe un cierto grado de no simultaneidad. El grado de no simultaneidad en entre hoteles no presenta un valor alto, dado que, por norma general y en base a la experiencia, los clientes suelen realizar las mismas actividades a las mismas horas, independientemente del hotel en el que se encuentren. A pesar de que no sea este un parámetro muy relevante (en este caso particular), se decide tenerlo en cuenta, a fin de aumentar la precisión de los cálculos. Por tanto, se le aplica, a la potencia de la bomba de calor geotérmica, un factor de simultaneidad de 0,9. 3.4. Rendimiento de los Sistemas de Generación En esta sección se muestra de una manera detallada el rendimiento de cada parte de los dos sistemas estudiados, el convencional y el sistema geotérmico. 3.4.1. El Sistema Convencional El sistema de generación convencional es al que se trata de sustituir con el método de la geotermia. Este sistema consta, tal y como lo hace el sistema de la geotermia, de una instalación dedicada a la generación de frío y a la generación de calor, que cubra satisfactoriamente ambas demandas. El sistema convencional se divide en dos secciones, la instalación que se dedica a la refrigeración y la instalación que cubre la demanda de calor. Sistema de Refrigeración El sistema de refrigeración convencional que se estudia para el sistema convencional es el de una planta enfriadora, condensada por aire y sin recuperación de calor. En la sección de metodología, se muestra el EER que se asume para la planta enfriadora convencional, que tiene un valor de 3,35. Esto quiere decir que la planta enfriadora evacuará 3,35 unidades de energía calorífica desde el interior del edificio hacia su exterior, por cada unidad de energía eléctrica que consuma. 38 Sistema de Generación de Calor El sistema de generación de calor varía entre tres métodos principales, basados en los sistemas empleados más comunes de las instalaciones existentes, estos siendo los siguientes:  Sistema 1 o 70% - Bomba de calor aerotérmica (EER = 2,8) o 30% - Caldera de Propano (rendimiento η = 95%) [5]  Sistema 2 o 100% - Caldera de Propano (η = 95%) [5]  Sistema 3 o 100% - Caldera de Biomasa (η = 90%) [26] No se considera el método de generación de calor por efecto joule, al no ser muy común entre las instalaciones hoteleras de este tamaño. A modo de resumen de esta sección se muestra la tabla 3.7, donde se resumen los sistemas de generación a estudiar, así como sus respectivos rendimientos. Tabla 3.7. Sistemas de generación convencionales y sus rendimientos [26, 5]. Sistema Método Distribución Rendimiento Refrigeración Sistemas 1,2 y 3 Planta Enfriadora 100% 3,35 Calor Sistema 1 Bomba de Calor 70% 2,8 Caldera de Propano 30% 95% Sistema 2 Caldera de Propano 100% 95% Sistema 3 Caldera de Biomasa 100% 90% 3.4.2. El Sistema Geotérmico Sistema de Refrigeración El sistema de refrigeración de esta instalación está formado por una bomba de calor (se asume una bomba de calor única para simplificar los cálculos, pero podrían ser varias). Esta bomba de calor cuenta con un rendimiento medio de 7,24, tal y como se muestra en secciones anteriores. Además, la bomba de calor es capaz de recuperar el calor de condensación durante la generación de frío. Sistema de Generación Calor En el caso del sistema geotérmico, la generación de calor se llevará a cabo haciendo uso de dos bombas de calor distintas. La primera de las bombas de calor está conectada a los pozos y tiene la capacidad de recuperar calor; la segunda es una bomba de calor de alta temperatura condensada por agua, que evapora sobre unos 25ºC, aprovechando el calor proveniente de los pozos geotérmicos. La proporción de energía aprovechable frente al consumo eléctrico de una bomba de calor a unas dadas condiciones de operación se define como el “Coeficiente de Operación” o COP, por sus siglas en inglés. El COP depende de la temperatura de entrada del agua procedente del pozo geotérmico, que, a su vez, depende de las condiciones geológicas (parámetros térmicos e hidráulicos del terreno, zona climática) y de parámetros técnicos (profundidad y caudal del pozo, materiales empleados, etc.). Otros factores que afectan el COP de una bomba de calor son la carga 39 de calentamiento/refrigeración, el tipo de sistema de distribución del agua en el edificio y las temperaturas de suministro [13, 27]. Dado de ambas bombas de calor funcionarán a temperaturas distintas dependiendo de las necesidades, se muestran los rendimientos de cada una de ellas cuando se le somete a cada diferente temperatura de condensación (se asume que las temperaturas de evaporación de ambas bombas de calor permanecerán constantes) en la tabla 3.8. Tabla 3.8. Temperaturas de evaporación y rendimiento correspondiente de cada BCAT. Tª de evaporación Rendimiento ºC COP Bomba de Calor Geotérmica 45 6,34 60 4,43 Bomba de Calor de Alta Temperatura 60 3,05 40 41 4. Resultados Una vez se haya llevado a cabo la metodología pertinente, se obtiene una serie de resultados, que incluye datos acerca de la demanda de calor y de refrigeración de la instalación, así como del consumo para cubrir dicha demanda, asociado al sistema geotérmica y a cada uno de los sistemas convencionales. Además, se realiza una comparativa entre el consumo energético, económico y las emisiones de CO2 de cada uno de los distintos sistemas. 4.1. Resultados de la Demanda de Calor En esta sección se comentan los resultados obtenidos tras realizar los cálculos descritos anteriormente, relacionados con las demandas de producción de ACS, así como de climatización de las piscinas. 4.1.1. Resultados Demanda ACS Los cálculos de la demanda energética relacionada con el consumo de ACS de cada hotel se ven reflejada en la tabla 4.1, donde se muestran, de izquierda a derecha, los meses del año, los días de cada mes, la ocupación asociada a cada mes del año, el consumo diario y el consumo mensual, la temperatura del agua de abasto o de red, y la demanda energética, primeramente, sin tener en cuenta las pérdidas de calor hacia el ambiente, y, seguidamente, tomando en consideración estas últimas. Los datos de la tabla 4.1 se corresponden con el Hotel Lopesan Baobab. Tabla 4.1. Cálculos de la demanda energética asociada con el consumo de ACS del hotel Baobab. NECESIDADES ENERGÉTICAS ACS Mes Días Porcentaje Ocupación Consumo diario Consumo mensual Temp. Agua Red Necesidades Energéticas Nec. Tot. + pérdidas % lts./día m3/mes ºC kWh/mes kWh/mes ENE 31 100 133400 4135,4 13 226.004,42 259.905,08 FEB 28 100 133400 3735,2 14 199.789,77 229.758,23 MAR 31 100 133400 4135,4 15 216.387,21 248.845,29 ABR 30 100 133400 4002 16 204.753,49 235.466,51 MAY 31 100 133400 4135,4 18 201.961,40 232.255,60 JUN 30 100 133400 4002 19 190.793,02 219.411,98 JUL 31 100 133400 4135,4 19 197.152,79 226.725,71 AGO 31 100 133400 4135,4 19 197.152,79 226.725,71 SEP 30 100 133400 4002 18 195.446,51 224.763,49 OCT 31 100 133400 4135,4 16 211.578,60 243.315,40 NOV 30 100 133400 4002 15 209.406,98 240.818,02 DIC 31 100 133400 4135,4 13 226.004,42 259.905,08 Total 365 100,0 1.600.800,0 48.691,0 16,3 2.476.431,4 2.847.896,1 42 Se observa cómo la demanda energética asociada al consumo de ACS varía principalmente en función de la temperatura de la red, por lo que durante los meses de invierno es relativamente más elevada que durante los meses de verano. No obstante, la diferencia entre la diferencia entre la temperatura de abasto de invierno (13ºC), y la de verano (19ºC) es de apenas 6ºC, por lo que no representa cambios significativos. Otro factor que causa variaciones a lo largo del año, aunque casi despreciables, es el número de días con los que cuenta cada mes. La suma de la demanda energética de cada mes es una cifra relativamente elevada, con 2.847.869,1 kWh al mes si se tienen en cuenta las pérdidas a través de las paredes de las tuberías. Se observa que la diferencia entre las pérdidas de calor no son nada despreciables, significando un 15% de la demanda energética total. Al realizar la suma de todos los hoteles, se obtienen valores que representan la demanda que debería de cubrir la instalación si se fuera a realizar de manera centralizada. La tabla 4.2 muestra las demandas energéticas asociadas al consumo de ACS de manera individualizada -por hotelasí como de manera conjunta en la columna de la derecha. El valor total de la demanda energética se eleva hasta los 15.020.837 kWh al año. Tabla 4.2. Cálculos de la demanda energética asociada con el consumo de ACS. Mes Consumo ACS (kWh/mes) Baobab Costa Meloneras Villa del Conde Gran Canaria Palace Meloneras Total ENE 259.905,08 442.656,93 218.600,83 248.994,52 200.676,34 1.370.833,70 FEB 229.758,23 391.312,37 193.244,93 220.113,21 177.399,53 1.211.828,28 MAR 248.845,29 423.820,47 209.298,66 238.399,01 192.136,92 1.312.500,35 ABR 235.466,51 401.034,42 198.046,05 225.581,86 181.806,98 1.241.935,81 MAY 232.255,60 395.565,77 195.345,42 222.505,74 179.327,79 1.225.000,33 JUN 219.411,98 373.691,16 184.542,91 210.201,28 169.411,05 1.157.258,37 JUL 226.725,71 386.147,53 190.694,34 217.207,99 175.058,08 1.195.833,65 AGO 226.725,71 386.147,53 190.694,34 217.207,99 175.058,08 1.195.833,65 SEP 224.763,49 382.805,58 189.043,95 215.328,14 173.543,02 1.185.484,19 OCT 243.315,40 414.402,23 204.647,58 233.101,26 187.867,21 1.283.333,67 NOV 240.818,02 410.148,84 202.547,09 230.708,72 185.938,95 1.270.161,63 DIC 259.905,08 442.656,93 218.600,83 248.994,52 200.676,34 1.370.833,70 Total 2.847.896,1 4.850.389,8 2.395.306,9 2.728.344,2 2.198.900,3 15.020.837,3 Al analizar la tabla 4.2, se observa que la demanda varía de manera considerable entre unos hoteles y otros. Más concretamente, el Hotel Lopesan Costa Meloneras tiene la mayor de las demandas, con un valor de 4.850.390 kWh, mientras que el hotel RIU Palace Meloneras cuenta con la demanda más pequeña, 2.198.900 kWh, menos de la mitad que el valor máximo. Los valores de la demanda energética relacionada con el consumo del ACS de los cinco hoteles forman parte de los datos necesarios para el cálculo de 43 Figura 4.1. Demanda energética asociada con el consumo de ACS de los cinco hoteles. La figura 4.1. muestra claramente cómo la variación entre la demanda energética máxima y mínima no es de carácter notable; apenas 200.000 kWh es la diferencia energética entre el mes con la mayor demanda, diciembre, con 1.370.833 kWh, y el mes con la demanda energética menor de todas, junio, con 1.157.258 kWh. Esto se traduce en un consumo también relativamente constante, ya que la demanda y el consumo están directamente relacionados. 4.1.2. Resultados de la Demanda Energética de las Piscinas La cantidad de energía total perdida por los procesos de convección, radiación, evaporación y reposición, así como la ganancia directa, para la piscina número 1 del hotel Lopesan Baobab se muestran en la tabla 4.3. Además, se realiza un balance entre las pérdidas y las ganancias energéticas, dando un valor de la demanda energética diaria y por metro cuadrado de superficie de la piscina, y mostrado en la columna de la derecha. Tabla 4.3. Pérdidas y ganancias energéticas de la piscina número 1 del hotel Lopesan Baobab. Mes Pérdidas energéticas (kWh/día m2) Ganancia (kWh/día m2) Calor perdido (kWh/día m2) Convección Radiación Evaporación Reposición QC QR QE QM GD QT ENE 2,418 1,857 6,928 0,017 2,916 8,305 FEB 2,056 1,802 6,450 0,016 3,064 7,260 MAR 2,159 1,670 8,174 0,020 4,122 7,902 ABR 2,002 1,648 7,734 0,019 4,458 6,946 MAY 1,863 1,536 8,456 0,021 5,120 6,756 JUN 1,287 1,400 7,239 0,018 5,505 4,439 JUL 0,390 1,146 6,866 0,017 5,831 2,588 AGO (0,183) 1,006 5,107 0,013 5,337 0,605 SEP (0,111) 1,017 3,776 0,009 4,359 0,333 OCT 0,681 1,285 4,739 0,012 3,835 2,883 NOV 1,338 1,525 5,752 0,014 3,044 5,585 DIC 1,900 1,747 6,204 0,015 2,510 7,356 Se observa a partir de la tabla, que, a diferencia de los resultados obtenidos para la demanda energética relacionada con la producción de ACS, el calor perdido de la piscina hacia los alrededores varía significativamente de un mes a otro. En este caso, el valor máximo de pérdidas de calor se produce en enero, y equivale a 8,305 kWh por día y metro cuadrado, mientras 800 900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400 1.500 1.600 1.700 1.800 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Demanda energética (MWh/mes) Mes del año 50 El valor máximo de refrigeración se da durante el mes de agosto, con 4.705.981 kWh/mes, debido a las altas temperaturas que se dan sobre estas fechas. Por otro lado, la demanda de refrigeración mínima corresponde al mes de enero, con 1.405.989 kWh/mes, como es de esperar, ya que solo el 25% de la potencia posible es aportada. Figura 4.4. Demanda energética de refrigeración y energía aportada a la instalación con respecto al mes. El perfil de la demanda energética de refrigeración que muestra la figura 4.4 muestra que los valores más significativos se dan en verano, mientras que los valores más bajos son dados durante las épocas invernales. Este patrón se debe a la relación que surge entre la demanda de aire acondicionado, y por ende, de refrigeración, y la temperatura exterior; a mayores temperaturas exteriores, mayor es la necesidad de climatizar los ambientes interiores, a fin de mantener condiciones de confort en el interior de los edificios. Volviendo al tema discutido antes, y teniendo en cuenta la distribución de la demanda de refrigeración a lo largo del año, será difícil igualar las demandas de calor y de frío de la instalación, ya que, durante el verano se requiere de mucha refrigeración y de poco calor, mientras que en invierno pasa al contrario. Sin embargo, durante las épocas del año en las que el tiempo se encuentra en estado cambiante -esto es, durante la primavera y el otoño-, las demandas de calor y de frío son relativamente similares, por lo que podrán ser aprovechadas para mejorar el rendimiento de la instalación. 4.3. Resultados del Sistema Centralizado Geotérmico Siguiendo los principios explicados en las secciones anteriores, se trata en la sección presente de hallar los valores del cubrimiento de la demanda requerida con la instalación propuesta. Como primer objetivo, se intenta que la mayor parte del calor recuperado por la bomba de calor al generar frío para la climatización sea aprovechada, ya sea destinado a la producción de ACS, o a la climatización de las piscinas. Visto de otra manera, el calor recuperado que se rechaza a los pozos geotérmicos ha de ser el mínimo posible. Distribución del Calor Recuperado Atendiendo a los resultados obtenidos para la demanda energética relacionada con el ACS y con las piscinas, se propone, como objetivo, que una tercera parte del calor recuperado de la bomba de calor sea destinada a la producción de ACS, mientras que las restantes dos terceras 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 1 3 5 7 9 11 Energía (MWh/mes) Mes del año Demanda de refrigeración Energía Aportada 51 partes se destinen a la climatización de piscinas. Es obvio que estos valores son ideales, pues no todo el calor podría ser recuperado. La figura 4.5 muestra tres curvas muy relevantes, siendo estas la de la demanda de calor por parte del ACS, la demanda de calor para la climatización de las piscinas, y el calor recuperado disponible. Figura 4.5. Demanda de ACS, demanda de piscinas, Demanda de calor total y Calor residual disponible de la instalación centralizada. La figura 4.5 muestra cómo el calor residual aumenta durante el verano, mientras que la demanda de calor total disminuye en la misma época. De manera contraria, en invierno, el calor residual es bajo, mientras que la demanda es bastante alta. Por tanto, tan solo cuando la línea de la demanda total de calor se encuentra por encima de la línea del calor residual generado, la instalación requerirá un trabajo extra para cubrir las necesidades de calor (es decir, la instalación no solo trabajará para cubrir la demanda de refrigeración, sino que deberá aumentar su carga parcial para cubrir también la demanda de calor total). Esto quiere decir que, durante una gran parte del año, la bomba de calor no tendrá que trabajar exclusivamente para generar calor o para generar frío, sino que estará trasladando el calor desde el interior del edificio hacia las piscinas y el ACS. Volviendo al principio de que la tercera parte del calor recuperado sea destinada a la producción de ACS y las otras dos terceras partes se destinen a la climatización de las piscinas, se puede observar que, durante el verano, el calor total recuperado es aproximadamente cinco veces mayor que la demanda total de calor, por lo que, en este caso, no todo el calor podrá ser recuperado. Concretamente, sólo una quinta parte del calor será recuperado, mientras que las restantes cuatro partes deberán ser rechazadas. Es en este punto en el que la geotermia juega un papel importante, ya que permite que la bomba de calor disipe las cuatro quintas partes rechazadas a un foco a baja temperatura, de manera que el rendimiento de la bomba de calor no se vea perjudicado. Los pozos geotérmicos funcionarán durante el verano como un sumidero de calor, donde verter los excesos. Durante el invierno la demanda de calor supera el calor recuperado disponible. Esto quiere decir que todo el calor disponible es recuperado en la proporción mencionada previamente 0 1.000.000 2.000.000 3.000.000 4.000.000 5.000.000 6.000.000 0 2 4 6 8 10 12 14 Energía (kWh/mes) Mes del año Demanda de ACS Demanda de Piscinas Calor Residual Demanda calor total 52 (1/3 ACS y 2/3 piscinas). Para cubrir la demanda adicional, la bomba de calor extrae calor de los pozos geotérmicos, y vierte el calor en el ACS y en las piscinas. De esta manera, los pozos geotérmicos funcionarán como una fuente de calor durante el invierno. La tabla 4.10 muestra la distribución del calor residual disponible, así como la cantidad de calor adicional necesaria para cubrir la demanda durante los meses de más frío. Tabla 4.10. Recuperación del calor residual generado por la instalación (el mes 1 corresponde a enero). MES Demanda ACS Demanda piscinas Calor residual disponible Recuperación para ACS Demanda ACS sin cubrir Recuperación para piscina Demanda sin cubrir para climatización de piscinas Calor a disipar kWh / mes kWh / mes kWh / mes kWh / mes kWh / mes kWh / mes kWh / mes kWh / mes 1 1.370.834 4.002.128 1.631.308 534.722 836.112 1.096.586 2.905.542 0 2 1.211.828 3.160.096 2.003.878 656.846 554.983 1.347.032 1.813.063 0 3 1.312.500 3.807.684 2.936.354 962.499 350.001 1.973.855 1.833.829 0 4 1.241.936 3.239.051 3.220.518 1.055.645 186.291 2.164.873 1.074.178 0 5 1.225.000 3.255.822 3.849.887 1.225.000 0 2.587.943 667.880 36.943 6 1.157.258 2.069.858 4.167.729 1.157.258 0 2.069.858 0 940.613 7 1.195.834 1.247.313 4.893.924 1.195.834 0 1.247.313 0 2.450.777 8 1.195.834 291.547 5.460.145 1.195.834 0 291.547 0 3.972.765 9 1.185.484 155.110 4.862.350 1.185.484 0 155.110 0 3.521.756 10 1.283.334 1.389.116 3.915.139 1.283.333 1 1.389.116 0 1.242.690 11 1.270.162 2.604.405 2.589.043 848.655 421.506 1.740.388 864.017 0 12 1.370.834 3.544.821 1.957.569 641.666 729.167 1.315.903 2.228.917 0 TOTAL 15.020.837 28.766.950 41.487.843 11.942.776 3.078.061 17.379.523 11.387.427 12.165.544 Al analizar la tabla, de derecha a izquierda se encuentran cuatro grupos principales; el primero corresponde a las demandas y el calor residual, resultados obtenidos previamente en este estudio. El segundo grupo es el de la recuperación de calor destinada a la producción de ACS. Se observa cómo la recuperación aumenta hacia la mitad del año y es menor en los primeros y últimos meses, lo que conlleva que la demanda de ACS sin cubrir sea mayor en los meses con menos recuperación, y se iguale a cero durante los meses de verano, donde todo el calor es recuperado. Siguiendo con los grupos de columnas, el tercero se corresponde con la recuperación para la climatización de piscinas. Un fenómeno distinto al del ACS se produce en este caso, y es que, la recuperación no solo no aumenta en verano, sino que disminuye. Esto se debe a que las piscinas tienen la particularidad de que su demanda en épocas de verano disminuye, por lo que el calor residual simplemente no puede ser aprovechado. No obstante, la demanda sin cubrir en invierno de las piscinas (2.905.542 kWh/mes) es mayor que la de la producción de ACS (836.112 kWh/mes), lo que vuelve a estar relacionado con las fluctuaciones en la demanda de las piscinas, que aumentan considerablemente durante el invierno. Por último, el cuarto grupo es el del calor residual a disipar, y, como es de esperar, se disipa calor únicamente cuando sobra, que viene siendo cuando más calor hay (esto es durante mediados de año). El valor máximo de calor residual que tiene que ser disipado a pozo se da lugar en el mes de agosto, y equivale a 3.972.765 kWh/mes. Para resumir esta sección, se analiza la tabla 4.11, donde se muestra la distribución generalizada del calor residual. Se observa como el resultado final de la distribución del calor 53 dista del objetivo inicial, ya que, el porcentaje del calor recuperado destinado a las piscinas es del 41,89%, y el calor recuperado para la producción de ACS es de 28,79%, mientras que el calor que ha de ser disipado alcanza el 29,32%. Estas diferencias con los objetivos iniciales, que marcaban que una tercera parte del calor se destinaría al ACS, y las dos restantes se destinarían a la climatización de las piscinas, se deben principalmente a que el calor residual no se distribuye a lo largo del año de la misma manera que lo hace la demanda total de calor, sino que lo hace de manera opuesta. No obstante, se debe hacer hincapié en que se obtiene una recuperación del 71,21% del calor residual disponible, lo que quiere decir que la demanda total de calor se reduce en nada menos que 29.543,5 MWh al año. Tabla 4.11. Distribución de la recuperación del calor residual generado por la instalación. Energía (kWh/año) Porcentaje del total Calor de condensación 41.487.843,30 - Calor recuperado para ACS 11.942.776,04 28,79% Calor recuperado para Piscinas 17.379.523,04 41,89% Calor rechazado a pozos 12.165.544,23 29,32% Aporte de Calor para ACS No Recuperado Tal y como se menciona previamente, no toda la demanda de calor puede ser suplida únicamente con el calor recuperado, sino que la instalación deberá generar un aporte adicional de calor. El aporte adicional del calor que se debe de aportar se obtiene de la tabla 4.10, sumando los valores de la demanda de ACS sin cubrir de cada mes, con un valor total de 3.078.061 kWh anuales. Siguiendo el método establecido previamente, se calcula que, como promedio, 24,1 litros de los 100 que se estiman por usuario y día deben de calentarse con otro método que no sea aprovechando el calor residual de la bomba de calor. Se recuerda, que dicho aporte de calor se plantea en tres pasos, siendo estos:  Paso 1: 100% del agua desde Tª de red hasta los 45ºC con la bomba de calor geotérmica  Paso 2: El 85% del volumen de agua se eleva de los 45ºC a los 60ºC con la bomba de calor geotérmica (BCG)  Paso 3: El restante 15% del volumen de agua se sube de los 45ºC a los 60ºC con una bomba de calor de alta temperatura (BCAT) Siguiendo estos pasos, se hallan los valores de energía requerida en cada paso, que en total deberán sumar la demanda de calor sin cubrir por el calor recuperado. La tabla 4.12 resume los valores de energía requerida para cada uno de los pasos. Tabla 4.12. Energía requerida para la producción de ACS asociada a cada etapa. Etapa Energía requerida (kWh/año) Paso 1 1.996.775 Paso 2 919.093 Paso 3 162.193 Total 3.078.061 El mayor valor de energía requerida corresponde al paso 1 (1.996.775 kWh/año), que conlleva elevar el 100% del agua a un salto térmico relativamente grande. Por otra parte, la menor 54 cantidad de energía es la consumida por la bomba de calor de alta temperatura (162.193 kWh/año), ya que se ocupa de un porcentaje muy bajo del total de la demanda. Para esquematizar todo lo anterior, y a forma de conclusión de la parte de producción de ACS, se muestra la tabla 4.13, que resume los métodos de generación utilizados para cubrir esta demanda. La primera fila muestra el total de la demanda de ACS, y cómo se cubre; la segunda, muestra la cantidad de demanda cubierta con el calor residual de la bomba de calor geotérmica. Por otra parte, la tercera fila señala la cantidad de demanda que proviene de fuentes de energía renovables y la última, la demanda que se cubre con energía convencional. La proporción entre la cantidad de energía procedente de fuentes renovables y la energía procedente de fuentes convencionales dependerá del rendimiento energético de las bombas de calor empleadas. Cabe destacar que, atendiendo a la columna más hacia la derecha, tan solo el 3,8% de la energía empleada para la producción del ACS es de origen no renovable. Tabla 4.13. Métodos empleados para cubrir la demanda de ACS y su fuente de energía primaria. Demanda ACS (kWh) Calor residual (kWh) Calor con BCG a 45ºC (kWh) Calor con BCG a 60ºC (85% Vol.) (kWh) Calor con BCAT a 60ºC (15% Vol.) (kWh) Balance (kWh) Balance Final Demanda ACS 15.020.837 11.942.776 1.996.775 919.093 162.193 Residual 11.942.776 11.942.776 79,5% Renovable 1.681.846 711.520 108.928 2.502.293 16,7% Convencional 314.929 207.573 53.265 575.768 3,8% Aporte de Calor para Piscinas No Recuperado De manera similar a la anterior, se procede a obtener los resultados de los métodos empleados para cubrir la demanda energética derivada de la climatización de las piscinas. En este caso, y debido a que la diferencia de temperatura entre el agua de red y la de las piscinas es relativamente baja, solamente se realizará un paso a la hora de cubrir la demanda energética. A partir de la tabla 4.14, tal y como se realiza en la sección anterior, se obtiene el valor de demanda energética no cubierta con el calor residual, siendo este 8.820.711 kWh/año. Tabla 4.14. Demanda de calor de piscinas, y energía suministrada. Demanda piscinas 24.941.362 kWh Calor residual recuperado 16.120.651 kWh Resto sin cubrir 8.820.711 kWh Se observa que, en este caso, alrededor de dos terceras partes de la demanda energética se cubren haciendo uso del calor residual generado por la bomba de calor geotérmica, mientras que la otra tercera parte ha de ser aportada por calor no residual. A pesar de que parte del calor no sea de carácter residual, una gran parte de la energía suministrada por la bomba de calor en forma de calor es de origen renovable, por lo que la gran mayoría de la energía total suministrada a las piscinas no promueve el calentamiento global. La tabla 4.15 muestra un balance energético similar al que se realiza en la tabla 4.13, con la diferencia de que analiza la demanda de las piscinas en lugar de la del ACS. La distribución de las filas de las tablas es idéntica en ambas con la demanda de las piscinas en la primera fila, 55 seguida de la energía asociada a cada tipo de generación, dependiendo de su fuente primaria (residual, renovable y convencional). Tabla 4.15. Métodos empleados para cubrir la demanda de piscinas y su fuente de energía primaria. Demanda ACS (kWh) Calor residual (kWh) Calor con BCG a 35ºC (kWh) Balance (kWh) Balance Final Demanda Piscinas 28.766.950 17.379.523 11.387.427 Residual 17.379.523 17.379.523 60,4% Renovable 9.933.799 9.933.799 34,5% Convencional 1.453.627 1.453.627 5,1% En la tabla 4.15 se observa cómo el 60,4% de la demanda se cubre con calor recuperado, mientras que el restante 39,6% se cubre mediante el empleo de la bomba de calor geotérmica. Dentro del 39,6% que no se cubre con el calor residual, el 34,5% es renovable, y el restante 5,1% proviene de fuentes de energía convencionales. Una vez más, la proporción entre la energía renovable y la energía convencional depende del rendimiento energético para la producción de calor de la bomba de calor. 4.4. Comparativa de Consumo Energético entre Sistemas de Generación El objetivo de esta sección es el de mostrar las diferencias entre el consumo de la misma instalación con un sistema de generación geotérmico frente a los sistemas de generación convencionales comentados en secciones previas. Para ello, primeramente, se analizarán los consumos energéticos de los sistemas convencionales, y, seguidamente, se estudiará el consumo de la instalación geotérmica. Finalmente, se procederá a hacer una comparativa entre los consumos energéticos de ambas instalaciones. 4.4.1. Instalaciones Convencionales Primeramente, se hará un análisis del consumo energético dedicado a la generación de frío para la climatización de las instalaciones. El consumo energético dependerá fundamentalmente de dos factores: la demanda energética y el rendimiento de la máquina de generación. La tabla 4.16 resume los valores de consumo de refrigeración de las instalaciones convencionales. Tabla 4.16. Demanda, rendimiento y consumo eléctrico anual en la generación de frío para las instalaciones convencionales. Demanda anual Rendimiento Consumo eléctrico kWh/año EER kWh/año 35.757.478 3,35 10.660.827 Se trata de un consumo energético considerable, aunque, teniendo en cuenta que se trata del consumo energético de cinco hoteles de los hoteles más grandes de la isla de Gran Canaria, sería razonable emplear 10.660.827 kWh eléctricos al año en climatizar el interior de los edificios. 56 Una vez tratado el consumo eléctrico dedicado a la generación de frío de las instalaciones convencionales, se procede a calcular el consumo empleado en la generación de calor. Al igual que en el caso anterior, los valores que se obtengan dependerán primordialmente de la demanda y del rendimiento de las máquinas empleadas. En el caso de la generación de calor, existen tres sistemas alternativos convencionales que se estudian en este trabajo; le primer sistema de generación y sus respectivos consumos se muestran en la tabla 4.17. Se deduce de la tabla un consumo eléctrico anual de 8.498.632 kWh, bastante reducido, gracias a la acción colectiva de la bomba de calor y a los paneles solares. Tabla 4.17. Demanda, rendimiento y consumo eléctrico anual en la generación de calor del Sistema 1 de los convencionales. Demanda anual Rendimiento Consumo Sistema 1 kWh/año EER / % kWh/año Producción de ACS Bomba calor con recuperación (70%) 10.514.586 2,80 3.755.209 Caldera propano (30%) 4.506.251 95% 4.743.422 Climatización de Piscinas Paneles Solares 28.766.950 - - Total del Sistema 43.787.787 8.498.632 Seguidamente, se analiza el consumo de la instalación con el segundo de los sistemas de generación de calor convencionales. La tabla 4.18 muestra los cálculos del consumo eléctrico de la misma. En este caso, se observa un consumo energético mucho mayor que en el sistema de generación anterior, de 17.671.573 kWh eléctricos al año. Tabla 4.18. Demanda, rendimiento y consumo eléctrico anual en la generación de calor del Sistema 2 de los convencionales. Demanda anual Rendimiento Consumo Sistema 2 kWh/año EER / % kWh/año Producción de ACS Caldera propano (100%) 15.020.837 95% 15.811.408 Climatización de Piscinas Paneles Solares 28.766.950 - - Total del Sistema 43.787.787 15.811.408 Por último, se analiza el tercero de los sistemas de generación de calor convencionales, que cuenta con una caldera de biomasa que cubre el 100% de la demanda de ACS y paneles solares cubriendo la demanda de climatización de las piscinas. En la tabla 4.19 se puede observar el consumo eléctrico de este sistema de generación de calor, que, debido al menor rendimiento de la caldera de biomasa con respecto de la de propano, es el mayor de entre los tres sistemas. Con 18.776.047 kWh eléctricos al año. 57 Tabla 4.19. Demanda, rendimiento y consumo eléctrico anual en la generación de calor del Sistema 3 de los convencionales. Demanda anual Rendimiento Consumo Sistema 3 kWh/año ESEER / % kWh/año Producción de ACS Caldera biomasa (100%) 15.020.837 90% 16.689.819 Climatización de Piscinas Paneles Solares 24.941.362 - 0 Total del Sistema 39.962.200 16.689.819 4.4.2. Instalación Geotérmica Tal y como se hace para la instalación convencional, se procede a calcular el consumo de la parte de generación de frío de la instalación geotérmica, para posteriormente estudiar el consumo de la instalación de generación de calor. En este caso, el rendimiento de la instalación se sitúa cercano al doble del rendimiento de la instalación convencional, con un EER de 7,24, por lo que el consumo derivado de la refrigeración obtenido es de 4.938.878 kWh eléctricos al año. La tabla 4.20 muestra el consumo de la instalación geotérmica para la refrigeración. Tabla 4.20. Consumo eléctrico anual en la generación de frío para la instalación geotérmica. Demanda anual Rendimiento Consumo kWh/año EER kWh/año 35.757.478 7,24 4.938.878 Seguidamente, se procede al cálculo de la generación de calor de la instalación geotérmica, que, en el caso del ACS, se divide en los 4 pasos mostrados en la tabla 4.21, y en el caso de la climatización de piscinas, se divide en otros dos pasos. Se observa cómo el consumo eléctrico del sistema geotérmico equivale a un 4% de del valor de la demanda de calor, por lo que es realmente eficiente. Tabla 4.21. Demanda, rendimiento y consumo eléctrico anual en la generación de calor del Sistema Geotérmico. Demanda anual Rendimiento Consumo Sistema Geotérmico kWh/año EER / % kWh/año Producción de ACS Calor Residual 11.942.776 - 0 BCG hasta los 45ºC 1.996.775 6,34 314.929 BCG hasta los 60ºC 919.093 4,43 207.573 BCAT hasta los 60ºC 163.193 3,05 53.265 Climatización de Piscinas Calor Residual 17.379.523 - 0 BCG hasta los 35ºC 11.387.427 7,83 1.453.627 Total del Sistema 43.787.787 2.029.035 58 4.4.3. Comparativa entre los Sistemas La comparativa, en primer lugar, se realiza en base a los sistemas de generación de frío de ambas instalaciones. La figura 4.6 muestra gráficamente las diferencias entre los consumos de los diferentes sistemas, pudiéndose observar en ella que el consumo de la instalación geotérmica es prácticamente la mitad del consumo energético de la instalación convencional. Esta diferencia de 5.721.948 kWh eléctricos al año supone unos ahorros en la refrigeración del 54%, un dato nada despreciable. Figura 4.6. Consumos energéticos de refrigeración del sistema convencional y geotérmico. La segunda comparativa que se realiza en este estudio es la de la generación de calor, que se divide en cuatro sistemas distintos –el sistema geotérmico y los 3 sistemas convencionales. Se observa en la figura 4.7, cómo el consumo del sistema geotérmico es notablemente inferior al consumo de cualquiera de los otros tres sistemas. También es importante observar el amplio margen de variación que presentan los sistemas convencionales, que se ha querido reflejar en este estudio con el fin de realizar unas comparativas verídicas y fundamentadas. Figura 4.7. Consumos energéticos de calor del sistema geotérmico y los sistemas convencionales. 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 11.000 12.000 Geotermia Sistema 1 Consumo de refrigeración (MWh/año) 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000 Geotermia Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Consumo gener. de calor (MWh/año) 59 Por último, se estudian las diferencias entre los consumos totales de las instalaciones en cuestión. Para ello, se realiza la sumatoria de ambos consumos, el de generación de frío y el de generación de calor. Figura 4.8. Consumos energéticos totales del sistema geotérmico y los sistemas convencionales. Tal y como era de esperar teniendo en cuenta las figuras anteriores, se muestra, en la figura 4.8, que el consumo del sistema geotérmico es muy inferior al de los sistemas convencionales. Tanto es así, que el consumo de la instalación de geotermia es tres veces menor que el consumo del Sistema Convencional 1, el más eficiente de entre los convencionales. De la misma manera, cabe destacar que, con una demanda de 79.545 MWh anuales, el sistema geotérmico consume tan solo 6.968 MWh al año para suplirla, esto es un consumo que no representa ni el 9% de la demanda. El sistema convencional 1, el siguiente con menor consumo, requiere de 19.159 MWh al año para suplir la demanda, y el consumo energético de los otros dos sistemas convencionales se sitúa muy por encima del consumo del sistema geotérmico, con valores de 26.472 y 27.351 MWh anuales. Figura 4.9. Rendimiento de la generación energética del sistema geotérmico y de los sistemas convencionales. 0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 Geotermia Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Consumo total (MWh/año) 40 50 60 70 80 90 100 Geotermia Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Rendimiento de la Instalación (%) 66 hotel es son relativamente grandes. Además, dadas las dimensiones de los hoteles, las bombas de circulación deben ser capaces de entregar altos caudales de agua a presiones elevadas. También la generación, 1.805.099,08 € de los 6.582.703,21 € totales, representa una porción importante. Tabla 5.1. Presupuesto alzado de instalación geotérmica. Generación 1.805.099,08 € Bombas de Calor Geotérmicas 1.442.100,28 € Bombas de Calor A.T. 362.998,80 € Distribución 3.044.385,80 € Bombas de circulación 659.464,00 € Tuberías 2.384.921,80 € Intercambio 889.225,96 € BCG - hoteles 167.854,00 € BCAT - hoteles 6.990,00 € BC - pozos 363.342,00 € Excavación pozos 351.039,96 € Electricidad 406.339,75 € Obra Civil 1.097.117,32 € Total Sistema Geotérmico 6.582.703,91 € 5.2. Rentabilidad de la Instalación Tal y como se comenta previamente, se analiza la rentabilidad de la instalación, proponiéndose el caso de que fuera a reemplazar a uno de los sistemas convencionales propuestos en este estudio. Es decir, para investigar la viabilidad económica del sistema geotérmico, se estudia, primeramente, el coste que tendría instalar un sistema geotérmico nuevo que sustituya a uno de los sistemas convencionales propuestos, y, seguidamente, los ahorros anuales que se generarían al realizar dicho cambio. Por tanto, teniendo en cuenta el coste inicial de la instalación, y los ahorros que se generan año a año, resulta sencillo calcular el periodo de retorno de la instalación. Para el cálculo de dicho periodo, se propone el método del Valor Neto Actualizado, o VAN, con una tasa de actualización del 0,1. Además del periodo de retorno, con el cálculo del VAN se obtienen datos acerca del beneficio actualizado que se obtendría al realizar la inversión descrita. Donde la Vt representa el valor del flujo de caja, la k representa la tasa de actualización, y el símbolo I0 corresponde a el valor de la inversión inicial. 67 Figura 5.1. VAN de la sustitución de los sistemas convencionales estudiados por el sistema geotérmico. Siguiendo este método, se obtiene la gráfica mostrada en la figura 5.1. En ella se observan tres curvas del VAN correspondiente a la comparación de la geotermia con cada uno de los tres sistemas convencionales estudiados. La curva del S2 muestra la evolución del VAN de una instalación que pasase del SC2 al sistema geotérmico, obteniéndose el mínimo VAN a quince años de los tres sistemas, e igual a 4.123.386 €. Por otra parte, el VAN correspondiente al comparar la instalación propuesta con el SC2 asciende hasta los 12.379.939 €. Además, en cuanto al periodo de retorno, se observa que, en el mejor de los casos, la inversión en el sistema geotérmico se recuperaría en poco más de tres años. Por otra parte, si la instalación geotérmica sustituyera a una con el SC3, habría que esperar hasta bien entrado el séptimo año. En cualquiera de los casos, el periodo de retorno es relativamente corto, siendo siempre inferior a los 10 años, y generando un beneficio a quince años por encima de los 4.000.000 €. -10.000 -5.000 0 5.000 10.000 15.000 0 2 4 6 8 10 12 14 VAN (M €) Tiempo (años) SC1 SC2 SC3 68 69 6. Conclusión Tal y como se evidencia a lo largo del estudio realizado, el aprovechamiento de la energía geotérmica de baja entalpía es una tecnología con muchas aptitudes para convertirse en la energía del futuro para las instalaciones hoteleras en el litoral de las Islas Canarias. Al compararse con otras tecnologías actualmente empleadas, presenta una serie de ventajas. Primeramente, esta es una instalación que se diferencia de otras por su versatilidad. Las calderas de propano, las de biomasa, o los paneles solares son todas tecnologías empleadas para la generación de frío; las plantas enfriadoras aerotérmicas son, como su nombre indica, utilizadas cuando se pretende generar frío. Sin embargo, y a diferencia de las bombas de calor geotérmicas, ninguna de ellas es capaz de generar, simultáneamente, calor y frío de manera aprovechable. Además, el sistema de bombas de calor geotérmicas requiere de unas dimensiones relativamente reducidas, pues se trata de máquinas compactas, conectadas a pozos subterráneos, que, a simple vista, parecen ser alcantarillas. Por tanto, en aquellas instalaciones con restricciones estrictas en cuanto espacio, y con demandas de tanto de frío como de calor, la geotermia presenta una gran ventaja. Tal y como se comenta en la segunda sección de este estudio, las instalaciones de generación de frío dependen directamente de la climatología exterior. Es por ello que, durante las épocas de entretiempo, cuando las temperaturas son moderadas, el consumo energético de los hoteles desciende notablemente. El sistema geotérmico aprovecha la temperatura casi constante a lo largo del año que existe bajo la tierra para generar unas condiciones de intercambio de calor idóneas, por tanto, reduciendo el consumo energético, no sólo en las épocas de entretiempo, sino durante la totalidad del año. Además, unas condiciones exteriores moderadas implican que la instalación se encuentra, a lo largo de su vida útil, un menor número de horas bajo grandes esfuerzos. A la larga, esto implica que el sistema se encuentra bajo menor riesgo de fallos o averías, y, por tanto, genera unos menores gastos de mantenimiento. Cabe mencionar que, con relación a la normativa vigente, esta tecnología se presta como una de las alternativas más interesantes. Durante los últimos años, la normativa con respecto a las energías renovables en Europa ha ido cambiando, e incentivando aquellas tecnologías con más futuro. Por último, se ha reconocido que, parte de la energía entregada por una bomba de calor geotérmica, puede clasificarse como energía de origen renovable, pues es una energía existente en el medio, y que será devuelta al mismo eventualmente. Por otra parte, el RITE y el CTE permiten que la contribución mínima solar para la producción de ACS sea sustituida por otros tipos de energía renovable, a la vez que obligan a que el 100% de la energía empleada para la climatización de piscinas sea de origen renovable o de carácter residual. Todo ello implica que las bombas de calor geotérmicas sean, junto con los paneles solares y las calderas de biomasa, las únicas tecnologías capaces de cumplir con la normativa vigente, sin combinarse con otros tipos de aprovechamiento energético renovable (como la fotovoltaica o la eólica). Al analizar los resultados del estudio, se observa que la demanda de refrigeración anual de la instalación conjunta de los cinco hoteles es de 35.757.478 kWh, y, por tanto, el calor de condensación residual disponible es de 41.487.843 kWh. Del calor residual disponible, el 71,2% del calor residual generado es aprovechable, debido a que existen momentos en los que la demanda se sitúa por encima de la generación. Por otra parte, la demanda de calor de la misma instalación tiene un valor ligeramente superior, y equivalente a 43.787.787 kWh. Esto, a primera vista, muestra cómo el calor residual, si bien puede cubrir una gran parte del calor necesario, no es suficiente como para cubrirlo en su totalidad. La cantidad de energía restante, 11.898.772 kWh, 70 se completa con el sistema geotérmico, lo que garantiza un alto rendimiento y minimiza el consumo energético. En términos de consumo energético, la generación de frío con el sistema geotérmico conlleva el consumo de 4.938.878 kWh, mientras que el sistema alternativo (planta enfriadora condensada por aire) requiere 10.660.827 kWh al año para satisfacer la demanda. Esto conlleva más de un 50% de ahorros energéticos en la generación de frío. Por otra parte, para la generación de calor, la geotermia se vuelve a posicionar como aquella con menor consumo, necesitando tan solo 2.029.035 kWh anuales para suplir la demanda impuesta. De entre los demás sistemas propuestos, el Sistema Convencional (SC) 1 -combinando una bomba de calor aerotérmica con recuperación, con una caldera de propano y paneles solareses el de menor consumo, conllevando 8.200.000 kWh al año, mientras que el SC3 -caldera de biomasa y paneles solaresnecesita 39.962.200 kWh anuales para abastecer la demanda de calor. En cuanto a la huella ecológica de las instalaciones hoteleras a las que este sistema trata de suministrar, se ve reducida en todos los casos al compararla con la geotermia. En contraste con el SC3, el sistema geotérmico reduce las emisiones en 3.045 t de CO2 al año, mientras que, en comparación con el SC1, la reducción en emisiones alcanza las 7.121 t de CO2 anualmente. Consecuentemente, estos ahorros energéticos implican unos considerables ahorros económicos. Sumando la generación de calor y la generación de frío, anualmente, el sistema geotérmico tiene un ahorro económico anual de 1.445.327 € si lo comparamos con el SC1. Al compararlo con el SC2, el ahorro anual aumenta hasta los 2.493.090 €, mientras que la diferencia entre el SC3 y el sistema geotérmico estudiado es de 1.407.570 €. Por último, y en el caso de que el sistema geotérmico fuera a ser instalado sustituyendo a uno de los sistemas convencionales, se estima que el beneficio, a quince años vista, varía entre los 4.123.386 € y los 12.379.939 €, dependiendo de cuál, de los convencionales, sea el sistema al que se sustituye. En términos del periodo de recuperación de la inversión, los 6.582.704 € de costes iniciales, serían recuperados entre 3 y 6 años y medio, dependiendo, una vez más, del sistema convencional con el que se compare la instalación geotérmica. Estos -nada desdeñablesahorros, tanto económicos como de emisiones de CO2, pueden ser el incentivo que requiere esta tecnología para ser impulsada a nivel de las Islas Canarias. No solo estamos ante una tecnología con un gran potencial de mejora del medio ambiente, sino que, además, nos encontramos con una tecnología que es, actualmente, más rentable que cualquier otra para grandes instalaciones. Bibliografía [1] Tae Hwan Lim, Robert D. De Leine, Gregory A. Koeleian, Energy use and carbon reduction potentials from residental ground source heat pumps considering spatial and economic barriers, Energy a/nd Buildings 128 (2016) 287-304. [2] P.J. Hughes, Goethermal (Ground-Source) heat pumps: market status, barriers to adoption, and actions to overcome barriers, Oak Ridge National Laboratory (2008). [3] X. 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Dias/mes Mes Hrs / mes Porcentaje de energía aportada respecto a su máximo potencial Frío requerido por la instalación (kWh/mes) Calor recuperado por la instalación (kWh/mes) 31 ENE 372 25,00% 1.405.989,12 1.631.307,89 28 FEB 336 34,00% 1.727.098,90 2.003.877,57 31 MAR 372 45,00% 2.530.780,42 2.936.354,21 30 ABR 360 51,00% 2.775.694,66 3.220.517,52 31 MAY 372 59,00% 3.318.134,33 3.849.886,63 30 JUN 360 66,00% 3.592.075,44 4.167.728,55 31 JUL 372 75,00% 4.217.967,37 4.893.923,68 31 AGO 372 83,68% 4.705.981,45 5.460.145,14 30 SEP 360 77,00% 4.190.754,68 4.862.349,98 31 OCT 372 60,00% 3.374.373,89 3.915.138,94 30 NOV 360 41,00% 2.231.440,80 2.589.043,49 31 DIC 372 30,00% 1.687.186,95 1.957.569,47 A.2 – Cálculos de Calor Tabla A.2.1. Demanda de calor para la producción de ACS para el hotel Costa Meloneras. Necesidades Energéticas ACS Mes Días Porcentaje Ocupación Consumo diario Consumo mensual Temp. Agua Red Necesidades Energéticas Nec. Tot. + pérdidas % lts./día m3/mes ºC kWh/mes kWh/mes ENE 31 100 227200 7043,2 13 384.919,07 442.656,93 FEB 28 100 227200 6361,6 14 340.271,63 391.312,37 MAR 31 100 227200 7043,2 15 368.539,53 423.820,47 ABR 30 100 227200 6816 16 348.725,58 401.034,42 MAY 31 100 227200 7043,2 18 343.970,23 395.565,77 JUN 30 100 227200 6816 19 324.948,84 373.691,16 JUL 31 100 227200 7043,2 19 335.780,47 386.147,53 AGO 31 100 227200 7043,2 19 335.780,47 386.147,53 SEP 30 100 227200 6816 18 332.874,42 382.805,58 OCT 31 100 227200 7043,2 16 360.349,77 414.402,23 NOV 30 100 227200 6816 15 356.651,16 410.148,84 DIC 31 100 227200 7043,2 13 384.919,07 442.656,93 Total 365 100,0 2.726.400,0 82.928,0 195,0 4.217.730,2 4.850.389,8