PFC Bomba de calor geotérmica para bodega

Sistema de aporte termico a bodega mediante bomba de

calor geotermica

Alumno: Giovanni Lemes PachecoTutor: Dr. Juan Carlos Santamarta Cerezal

Universidad de La Laguna

13 de junio de 2014

Ingenierıa Tecnica Industrial, especialidad MecanicaUniversidad de La Laguna

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 1 / 29

Indice

1 Objetivos y alcance

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Indice

1 Objetivos y alcance

2 Energıa geotermica

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Indice

1 Objetivos y alcance

2 Energıa geotermica

3 Unidades de disenoCalculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaSeleccion de la Bomba de Calor GeotermicaDiseno de los captadores geotermicosDiseno de otras instalaciones

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Indice

1 Objetivos y alcance

2 Energıa geotermica

3 Unidades de disenoCalculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaSeleccion de la Bomba de Calor GeotermicaDiseno de los captadores geotermicosDiseno de otras instalaciones

4 Estudios de viabilidad

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Indice

1 Objetivos y alcance

2 Energıa geotermica

3 Unidades de disenoCalculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaSeleccion de la Bomba de Calor GeotermicaDiseno de los captadores geotermicosDiseno de otras instalaciones

4 Estudios de viabilidad

5 Conclusiones

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

Objetivos Secundarios

Seleccion del sector industrial: Elaboracion de vinos.

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

Objetivos Secundarios

Seleccion del sector industrial: Elaboracion de vinos.

Gran Tradicion en Canarias.

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

Objetivos Secundarios

Seleccion del sector industrial: Elaboracion de vinos.

Gran Tradicion en Canarias.

Consumo de frıo y calor considerable.

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

Objetivos Secundarios

Seleccion del sector industrial: Elaboracion de vinos.

Gran Tradicion en Canarias.

Consumo de frıo y calor considerable.

Pico de consumo en meses mas calurosos.

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

Objetivos Secundarios

Seleccion del sector industrial: Elaboracion de vinos.

Gran Tradicion en Canarias.

Consumo de frıo y calor considerable.

Pico de consumo en meses mas calurosos.

Calculo de las necesidades de frıo y calor.

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

Objetivos Secundarios

Seleccion del sector industrial: Elaboracion de vinos.

Gran Tradicion en Canarias.

Consumo de frıo y calor considerable.

Pico de consumo en meses mas calurosos.

Calculo de las necesidades de frıo y calor.

Diseno de las instalaciones.

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Objetivos y alcance

Objetivo Principal

Aplicacion de un sistema de Bomba de Calor Geotermica para la industria.

Objetivos Secundarios

Seleccion del sector industrial: Elaboracion de vinos.

Gran Tradicion en Canarias.

Consumo de frıo y calor considerable.

Pico de consumo en meses mas calurosos.

Calculo de las necesidades de frıo y calor.

Diseno de las instalaciones.

Estudios de viabilidad.

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Energıa GeotermicaSegun el tipo de recurso

Yacimientos de alta entalpıa.

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Energıa GeotermicaSegun el tipo de recurso

Yacimientos de alta entalpıa.

Temperatura 150oC a 300oC.Zonas volcanicas, subduccion de placas.Aplicaciones: Generacion vapor, energıa electrica.

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Energıa GeotermicaSegun el tipo de recurso

Yacimientos de alta entalpıa.

Temperatura 150oC a 300oC.Zonas volcanicas, subduccion de placas.Aplicaciones: Generacion vapor, energıa electrica.

Yacimientos de baja entalpıa.

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 4 / 29

Energıa GeotermicaSegun el tipo de recurso

Yacimientos de alta entalpıa.

Temperatura 150oC a 300oC.Zonas volcanicas, subduccion de placas.Aplicaciones: Generacion vapor, energıa electrica.

Yacimientos de baja entalpıa.

Temperatura 50oC a 90oC.Cuencas sedimentarias.Aplicaciones: Banos termales, calefaccion.

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Energıa GeotermicaSegun el tipo de recurso

Yacimientos de alta entalpıa.

Temperatura 150oC a 300oC.Zonas volcanicas, subduccion de placas.Aplicaciones: Generacion vapor, energıa electrica.

Yacimientos de baja entalpıa.

Temperatura 50oC a 90oC.Cuencas sedimentarias.Aplicaciones: Banos termales, calefaccion.

Yacimientos de muy baja entalpıa.

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 4 / 29

Energıa GeotermicaSegun el tipo de recurso

Yacimientos de alta entalpıa.

Temperatura 150oC a 300oC.Zonas volcanicas, subduccion de placas.Aplicaciones: Generacion vapor, energıa electrica.

Yacimientos de baja entalpıa.

Temperatura 50oC a 90oC.Cuencas sedimentarias.Aplicaciones: Banos termales, calefaccion.

Yacimientos de muy baja entalpıa.

Temperatura ambiental.Localizado en toda la corteza a menor profundidad.Aplicaciones: Bomba de calor geotermica.

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Energıa geotermicaBomba de calor

Figura: Bomba de calor en modo calentamiento

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Energıa geotermicaVentajas de la bomba de calor geotermica

Ventajas:No hay instalacion exterior.

Impacto visual.Espacio.Durabilidad, corrosion, ...

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Energıa geotermicaVentajas de la bomba de calor geotermica

Ventajas:No hay instalacion exterior.

Impacto visual.Espacio.Durabilidad, corrosion, ...

Temperatura del suelo constante.

Figura: Temperatura del sueloGiovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 6 / 29

Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Aspectos a tener en cuenta:

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Aspectos a tener en cuenta:

El calendario de vendimia y entrada de uva.

Proporcion del mosto que se fermenta a temperatura controlada.

La climatologıa media durante el perıodo de vendimia.

Condiciones mas adecuadas de fermentacion.

Cinetica de fermentacion.

Tamano de los depositos de fermentacion y nivel de llenado.

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Sistema complejo:

Elaboracion de vinos de calidad - Proceso no estandar.

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Sistema complejo:

Elaboracion de vinos de calidad - Proceso no estandar.

Dimensionamiento a consumo pico y a consumo acumulado.

Sumidero de calor estatico - Efecto de acumulacion.

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Sistema complejo:

Elaboracion de vinos de calidad - Proceso no estandar.

Dimensionamiento a consumo pico y a consumo acumulado.

Sumidero de calor estatico - Efecto de acumulacion.

Produccion variable en el tiempo.

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Solucion propuesta:

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Solucion propuesta:

Simulacion con sistema de 10 funciones de matlab.

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 9 / 29

Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Solucion propuesta:

Simulacion con sistema de 10 funciones de matlab.

Operaciones que demandan refrigeracion:

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 9 / 29

Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Solucion propuesta:

Simulacion con sistema de 10 funciones de matlab.

Operaciones que demandan refrigeracion:

Desfangado.Fermentacion.Modelo matematico empırico publicado por A. Lopez y P. Secanell.Perdidas en las lıneas de distribucion.

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 9 / 29

Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Solucion propuesta:

Simulacion con sistema de 10 funciones de matlab.

Operaciones que demandan refrigeracion:

Desfangado.Fermentacion.Modelo matematico empırico publicado por A. Lopez y P. Secanell.Perdidas en las lıneas de distribucion.

32 parametros de entrada (logıstica, propiedades del mosto,condiciones ambientales, cubas, lıneas de distribucion, ...).

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

Solucion propuesta:

Simulacion con sistema de 10 funciones de matlab.

Operaciones que demandan refrigeracion:

Desfangado.Fermentacion.Modelo matematico empırico publicado por A. Lopez y P. Secanell.Perdidas en las lıneas de distribucion.

32 parametros de entrada (logıstica, propiedades del mosto,condiciones ambientales, cubas, lıneas de distribucion, ...).

Potencia diaria necesaria en cada dıa de la vendimia.

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de refrigeracion

)Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 10 / 29

Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de calentamiento

Operaciones que demandan calentamiento:

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de calentamiento

Operaciones que demandan calentamiento:

Desinfeccion lınea de embotellado.

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 11 / 29

Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de calentamiento

Operaciones que demandan calentamiento:

Desinfeccion lınea de embotellado.

Limpieza de depositos.

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Calculo de necesidades de frıo y calor en una bodegaDemandas de calentamiento

Operaciones que demandan calentamiento:

Desinfeccion lınea de embotellado.

Limpieza de depositos.

Agua Caliente Sanitaria.

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Seleccion de la Bomba de Calor GeotermicaConsumos termicos de la bodega

Mes Refrigeracion (kW) Calentamiento (kW)

Enero 2.6 2.2

Febrero 2.6 2.2

Marzo 2.6 2.2

Abril 2.6 2.2

Mayo 2.6 2.2

Junio 2.6 2.2

Julio 2.6 2.2

Agosto 26.2 2.2

Septiembre 2.6 2.2

Octubre 2.6 2.2

Noviembre 2.6 2.2

Diciembre 2.6 2.2

Cuadro: Consumos termicos en la bodega a lo largo del ano

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Seleccion de la Bomba de Calor GeotermicaConsumos termicos de la bodega

Consumo de frıo > Consumo de calor.

Dimensionamiento en funcion de las necesidades de refrigeracion:

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Seleccion de la Bomba de Calor GeotermicaConsumos termicos de la bodega

Consumo de frıo > Consumo de calor.

Dimensionamiento en funcion de las necesidades de refrigeracion:Potencia media diaria el dıa mas desfavorable del ano = 26.2 kW

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 13 / 29

Seleccion de la Bomba de Calor GeotermicaConsumos termicos de la bodega

Consumo de frıo > Consumo de calor.

Dimensionamiento en funcion de las necesidades de refrigeracion:Potencia media diaria el dıa mas desfavorable del ano = 26.2 kWSe considera en funcionamiento el 75% del tiempo:

Potencia de diseno =26,2

0,75= 34,9(kW)

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Seleccion de la Bomba de Calor GeotermicaConsumos termicos de la bodega

Consumo de frıo > Consumo de calor.

Dimensionamiento en funcion de las necesidades de refrigeracion:Potencia media diaria el dıa mas desfavorable del ano = 26.2 kWSe considera en funcionamiento el 75% del tiempo:

Potencia de diseno =26,2

0,75= 34,9(kW)

Tecnologıa de aprovechamientode calor de escape.BCG produccion calor > frıo.

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Seleccion de la Bomba de Calor GeotermicaDatos tecnicos

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Diseno de los captadores geotermicosCaptadores geotermicos

Colectores horizontales

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Diseno de los captadores geotermicosCaptadores geotermicos

Pilotes geotermicos

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Diseno de los captadores geotermicosCaptadores geotermicos

Colectores verticales

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Diseno de los captadores geotermicosMetodo de calculo

Metodo ASHRAE

L =qhRb + qyR10y + qmR1m + qhR6h

Tm − (Tg − Tp)

L: Longitud total de la perforacion.

Tm: Temperatura media del fluido.

Tg: Temperatura del suelo imperturbado.

Tp: Penalizacion de la temperatura (influencia entre perforaciones).

qy, qm, qh: Carga anual, mensual y diaria.

R10y,R1m,R6h: Resistencias termicas efectivas del suelo.

Rb: Resistencia termica efectiva de la perforacion.

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Diseno de los captadores geotermicosDatos para el calculo

Qinyectado = Qrefrigeracion +Wrefrigeracion

COPrefrigeracion =Qrefrigeracion

Wrefrigeracion= 5,2

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Diseno de los captadores geotermicosDatos para el calculo

Mes Refrigeracion Calor a inyectar Calor a inyectar(kJ) (kJ) (kWh)

Enero 6,74 106 8,04 106 2233Febrero 6,74 106 8,04 106 2233

Marzo 6,74 106 8,04 106 2233Abril 6,74 106 8,04 106 2233Mayo 6,74 106 8,04 106 2233Junio 6,74 106 8,04 106 2233Julio 6,74 106 8,04 106 2233Agosto 4,32 107 5,15 107 14305

Septiembre 6,74 106 8,04 106 2233Octubre 6,74 106 8,04 106 2233

Noviembre 6,74 106 8,04 106 2233

Diciembre 6,74 106 8,04 106 2233

Cuadro: Energıa frigorıfica demandada por la instalacion a lo largo del ano

Carga de refrigeracion (kW) Carga a inyectar (kW)

26.2 31.2

Cuadro: Potencia instantanea de la instalacionGiovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 20 / 29

Diseno de los captadores geotermicosCaracterısticas del terreno

Suelo bastante heterogeneo.

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Diseno de los captadores geotermicosCaracterısticas del terreno

Suelo bastante heterogeneo.

Herramienta GRAFCAN:

Coladas antiguas mas piroclastos.No se han obtenido datos bibliograficos, ası que se asimila a arena:

Conductividad termica 2,0 Wm*K

Capacidad termica volumetrica 2,0 MJm3

∗K

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Diseno de los captadores geotermicosResultados

12 sondeos de 109 metros de profundidad.

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Diseno de otras instalaciones

Otras instalaciones:

Instalacion electrica

Sistema hidraulico

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Estudio de viabilidadAhorro energetico y economico

Sistema convencional Bomba calor geotermica

Consumo refrigeracion 16310 kWh 7767 kWh

Consumo calentamiento 9356 kWh 0

Total 25666 kWh 7767 kWh

Cuadro: Energıa electrica consumida anualmente por las instalaciones

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Estudio de viabilidadAhorro energetico y economico

Sistema convencional Bomba calor geotermica

Consumo refrigeracion 16310 kWh 7767 kWh

Consumo calentamiento 9356 kWh 0

Total 25666 kWh 7767 kWh

Cuadro: Energıa electrica consumida anualmente por las instalaciones

Ahorro energetico =25666 − 7767

25666=

17899

25666= 69,7%

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Estudio de viabilidadAhorro energetico y economico

Sistema convencional Bomba calor geotermica

Consumo refrigeracion 16310 kWh 7767 kWh

Consumo calentamiento 9356 kWh 0

Total 25666 kWh 7767 kWh

Cuadro: Energıa electrica consumida anualmente por las instalaciones

Ahorro energetico =25666 − 7767

25666=

17899

25666= 69,7%

Ahorro economico = 17899 x 0,184855 e

kWh = 3308,90 e

ano

Giovanni Lemes Pacheco (ULL) Bomba de Calor Geotermica para bodega 13-06-2014 24 / 29

Estudio de viabilidadCalculo VAN 1

Inversion 148525.89 e

Tasa de descuento 6%

Aumento ahorro energetico 7% anual

Cuadro: Datos economicos VAN

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Estudio de viabilidadCalculo VAN 2

Inversion 74262.94 e

Tasa de descuento 6%

Aumento ahorro energetico 7% anual

Cuadro: Datos economicos VAN

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Estudio de viabilidad medioambiental

Toneladas de CO2 que se dejan de emitir:

tCO2 = DA x *FE = 17,899(MWh) x 0,811( tCO2MWh) = 14.51( toneladas CO2

ano )

*Factor emision electricidad convencional Canarias 2013

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Estudio de viabilidad medioambiental

Toneladas de CO2 que se dejan de emitir:

tCO2 = DA x *FE = 17,899(MWh) x 0,811( tCO2MWh) = 14.51( toneladas CO2

ano )

*Factor emision electricidad convencional Canarias 2013

Ahorro emisiones = 14,51(tCO2) x **5,68( e

tCO2) = 82,45( eano )

**Precio medio del mercado marzo 2014

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Conclusiones

Sistema novedoso que tiene oportunidades de ser aplicado.

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Conclusiones

Sistema novedoso que tiene oportunidades de ser aplicado.

Sistema viable y amortizable.

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Conclusiones

Sistema novedoso que tiene oportunidades de ser aplicado.

Sistema viable y amortizable.

Puede ser aplicable en otros sectores industriales.

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Muchas gracias por su atencion.

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