2012 02-gonzalez

1. UNIVERSIDAD CENTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN FACTIBILIDAD TÉCNICA – ECONÓMICA DE CLIMATIZACIÓN A TRAVÉS DE ENERGÍA GEOTÉRMICA, PARA VIVIENDAS UBICADAS EN LA REGIÓN METROPOLITANA, ENTRE 3.000 – 5.000 U.F. “MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO CONSTRUCTOR”. SANTIAGO EDUARDO GONZALEZ LLANOS PROFESOR GUÍA: JAIME ARRIAGADA ARAYA PROFESORES INFORMANTES: MIGUEL MELLADO ESPINOZA FERNANDO MOORE UNDURRAGA Noviembre 2012 Santiago - Chile

2. UNIVERSIDAD CENTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA DE INGENIERÍA EN CONSTRUCCIÓN FACTIBILIDAD TÉCNICA – ECONÓMICA DE CLIMATIZACIÓN A TRAVÉS DE ENERGÍA GEOTÉRMICA, PARA VIVIENDAS UBICADAS EN LA REGIÓN METROPOLITANA, ENTRE 3.000 – 5.000 U.F. “MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE INGENIERO CONSTRUCTOR”. SANTIAGO EDUARDO GONZALEZ LLANOS PROFESOR GUÍA: JAIME ARRIAGADA ARAYA PROFESORES INFORMANTES: MIGUEL MELLADO ESPINOZA FERNANDO MOORE UNDURRAGA Noviembre 2012 Santiago - Chile

3. © Santiago González Llanos Se autoriza la reproducción parcial o total de esta obra, con fines académicos. Por cualquier forma, medio o procedimiento, siempre y cuando se incluya la cita bibliográfica del documento.

4. i DEDICATORIA Quiero dedicar con mucho afecto el presente proyecto de título a mi hermano Luciano González Llanos, por el apoyo incondicional que nos ha brindado siempre a mí y a mi hermana Anita. Gracias hermano por confiar siempre en mí y por haber estado conmigo en los momentos más difíciles de este largo trayecto, sin duda que sin tu ayuda no podría estar ahora acá. Te amo. Santiago Eduardo González Llanos

5. ii AGRADECIMIENTOS Cuando se cumple una etapa en la vida, y me pongo a pensar en todos los momentos vividos, no puedo dejar de agradecer el apoyo incondicional durante todos estos años de mi familia, que se han sacrificado para poder darme un nivel educacional superior. A mis hermanos; Luciano, Anita, Pamela, que han sido un pilar fundamental en mi vida, que siempre han confiado en mis decisiones y caminos que he decidido tomar, mis padres, y sobrinos que han estado incondicionalmente conmigo. Me gustaría agradecer a mis compañeros y amigos de carrera: Cristian Sandoval, María José Briones, María José Orellana, y especialmente a Patricio Espinoza, que fue un apoyo fundamental en un momento complicado de mi carrera. Gracias a ustedes por estar siempre conmigo en las buenas y en las malas. Santiago Eduardo González Llanos

6. iii RESUMEN El presente proyecto de título reúnen los antecedentes necesarios para realizar la climatización de una vivienda ocupando Energía Geotérmica, mostrando los beneficios tanto ecológicos como económicos de esta. La vivienda a climatizar se esta edificando actualmente en la Región Metropolitana, esta constara de 140 de edificación y un terreno libre de 617 . Se describen los detalles y las características principales del sistema para determinar las variables y modelos teóricos que se utilizaran para el diseño de climatización a través de piso radiante. Para ello se establecen los parámetros que permiten realizar la selección de la Bomba de Calor Geotérmica. Los modelos matemáticos que se presentan, permiten englobar un sistema geotérmico y hacerlo aplicable con distintos tipos de serpentines de tierra (horizontal o vertical), para esto se muestra la factibilidad técnica y económica de ambos tipos de arreglos geométricos. Se realiza una comparación entre un sistema Geotérmico y otro convencional, de modo de establecer cual es la mejor alternativa en cuanto a costo. El trabajo finaliza con la descripción de las conclusiones, obtenidas del desarrollo de este proyecto y de todas las consideraciones que se deben tomar en cuenta para el momento de optar por un sistema de climatización, no solo el aspecto del costo inicial de la instalación, si no que también el consumo mensual y el impacto ecológico que este provoca. Finalmente se debe acotar que en cálculos matemáticos y económicos complejos, se recurrió a la asesoría gratuita de la empresa Enativa, empresa de climatización a través de energía geotérmica, ya que mucho de lo desarrollado en el presente proyecto, no es parte de los contenidos programáticos de los cursos de nuestra carrera.

7. iv ABSTRACT The present draft title meet the necessary background to perform the air conditioning of a housing occupy Geothermal Energy, showing the benefits both ecological and economic. Conditioned housing is currently under construction in the Metropolitan Region, this will consist of 140 sqm of building and a land free of 617 sqm. It describes the details and features of the system to determine the variables and theoretical models that were used for the design of cooling through radiant floor. This will set the parameters for the selection of the geothermal heat pump. The mathematical models are presented, allow encompass a geothermal system and make it applicable to different types of ground coils (horizontal or vertical), for this is shown the technical and economic feasibility of both types of geometric arrangements. A comparison is realized between a conventional and a geothermal system, so as to establish which is the best alternative in terms of cost. The paper ends with a description of the conclusions drawn from the development of this project and all the considerations to be taken into account when choosing a heating system, not only the appearance of the initial cost of installation, if but also the monthly consumption and ecological impact that this causes. Finally we should note that in complex economic and mathematical calculations, was used to free advice Enativa Company, weatherization company through geothermal energy, and that much of what developed in this project is not part of the program content course of our career.

8. v Tabla de contenido DEDICATORIA............................................................................................................... I AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................II RESUMEN.....................................................................................................................III ABSTRACT................................................................................................................... IV TABLA DE CONTENIDO.............................................................................................V CAPÍTULO Nº I...............................................................................................................1 1.1 Introducción................................................................................................................1 1.2. Motivación. ................................................................................................................2 1.3.1 Objetivo General ...........................................................................................4 1.3.2 Objetivos Específicos....................................................................................4 1.4 Metodología ................................................................................................................5 1.5 Resultados Esperados ................................................................................................6 CAPÍTULO Nº II .............................................................................................................8 2.1. Introducción ................................................................................................................8 2.2. Energía Geotérmica....................................................................................................9 2.2.1. Situación Mundial ......................................................................................12 2.2.2. Situación Chilena .......................................................................................14 2.2.3. Ventajas y desventajas de la energía geotérmica .......................................17

9. vi 2.2.3.1. Ventajas.........................................................................................17 2.2.3.2. Desventajas ...................................................................................19 2.3. Características Climatológicas de la Región Metropolitana .....................................20 2.4. Confort Térmico........................................................................................................21 2.5. Bombas de Calor.......................................................................................................23 2.5.1. Eficiencia de una bomba de calor geotérmica............................................24 2.5.2. Funcionamiento de una bomba de calor geotérmica..................................26 2.5.2.1. Ciclo de Calefacción .....................................................................27 2.5.2.2. Ciclo de Refrigeración ..................................................................29 2.5.3. Componentes de una bomba de calor y su funcionamiento.......................30 2.5.3.1. Compresor.....................................................................................30 2.5.3.2. Condensador..................................................................................32 2.5.3.3. Válvula de expansión o expansor..................................................33 2.5.3.4. Evaporador....................................................................................34 2.5.3.5. Fluido refrigerante de la bomba de calor ......................................35 2.5.3.6. Líquido anticongelante o salmuera ...............................................36 2.6. Investigación de recursos a muy baja temperatura ...................................................38 2.7. Circuitos de captación de energía geotérmica...........................................................39 2.7.1. Circuito abierto...........................................................................................40 2.7.2. Circuito cerrado..........................................................................................41 2.7.2.1 Circulación directa del fluido refrigerante .....................................42 2.7.2.2. Circulación indirecta del fluido refrigerante.................................43

10. vii 2.7.2.3. Tuberías de diseño.........................................................................44 2.7.2.4. Colectores horizontales geotérmicos.............................................47 2.7.2.5. Sondas geotérmicas verticales.......................................................49 2.8. Software C.C.T.E. V2.0.............................................................................................52 CAPÍTULO Nº III..........................................................................................................55 3.1.- Introducción.............................................................................................................55 3.2. Características de la vivienda....................................................................................56 3.2.1. Evaluación a través del software C.C.T.E. V2.0, para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor U. ....................................................60 3.3. Cálculo de las pérdidas térmicas...............................................................................61 3.4. Condiciones de diseño para ambos casos..................................................................62 3.5. Requerimiento térmico por recinto, con distintas renovaciones de aire por hora.....63 3.6. Selección de la bomba de calor geotérmica..............................................................66 3.6.1. Parámetros de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica..............68 3.7. Distribución y configuración de los serpentines en los recintos...............................71 3.7.1. Selección de la bomba de recirculación de agua para piso radiante. .........75 CAPÍTULO IV ...............................................................................................................78 4.1. Introducción ..............................................................................................................78 4.2. Parámetros de diseño.................................................................................................78 4.2.1. Cálculo del Número de Reynolds...............................................................78 4.2.1.1. Cálculo del Número de Reynolds en régimen de calefacción.......79

11. viii 4.2.1.2. Cálculo del Número de Reynolds en régimen de refrigeración ....80 4.3. Cálculo del serpentín horizontal................................................................................81 4.4 Cálculo de las temperaturas del suelo........................................................................82 4.5. Cálculo del serpentín vertical....................................................................................86 4.6. Selección de la bomba de recirculación para los serpentines horizontales...............87 4.7. Selección de la bomba de recirculación de los intercambiadores de tierra vertical..89 4.8. Comportamiento del C.O.P. para un sistema vertical y horizontal ...........................90 4.9. Disposición de los serpentines subterráneos.............................................................93 4.9.1. Serpentín Horizontal ..................................................................................93 4.9.2. Serpentín Vertical.......................................................................................95 CAPÍTULO V.................................................................................................................97 5.1. Introducción ..............................................................................................................97 5.2. Estimación económica ..............................................................................................97 5.3. Cálculo del costo de operación mensual .................................................................102 5.3.1. Cálculo del costo de operación mensual de calefacción, para un sistema geotérmico.............................................................................................103 5.3.2. Cálculo del costo de operación mensual de refrigeración, para un sistema geotérmico.............................................................................................103 5.3.3. Cálculo del costo de operación mensual de calefacción, para un sistema con caldera mural. .................................................................................103

12. ix 5.3.4. Cálculo del costo de operación mensual de refrigeración, para un sistema con equipo de Split muro. .................................................................105 5.4. Cálculo del costo anual equivalente........................................................................105 5.4.1. Cálculo del costo anual equivalente de climatización, para un sistema geotérmico.............................................................................................106 5.4.2. Cálculo del costo anual equivalente de climatización, para un sistema convencional..........................................................................................108 5.5. Costo actualizado neto. ...........................................................................................110 5.6. Análisis de resultados..............................................................................................116 CONCLUSIONES........................................................................................................117 BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................120 ANEXOS.......................................................................................................................122 PLANOS........................................................................................................................134

13. x Índice de tablas TABLA 1. DISTRIBUCIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO TOTAL EN CHILE EN EL AÑO 2.010, “COMISIÓN NACIONAL DE ENERGÍA (C.E.N.), BALANCE NACIONAL DE ENERGÍA EN CHILE 2.010.”............................................... 16 TABLA 2. VOLUMEN TOTAL DE SALMUERA Y CANTIDAD DE ANTICONGELANTE POR CADA 100 M DE TUBOS, PARA DIFERENTES TUBOS DE P.E. CON PROTECCIÓN CONTRA HELADAS HASTA -14º C, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”......................... 37 TABLA 3. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE TUBERÍAS, PARA UN SISTEMA GEOTÉRMICO, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”......................... 45 TABLA 4. PROPIEDADES DEL AGUA Y SOLUCIONES ANTICONGELANTES, A DIFERENTES TEMPERATURAS, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”.................................................................................................................................................... 46 TABLA 5. CARACTERÍSTICAS DEL COMPLEJO DE TECHUMBRE, “SEGÚN LA NCH 853 OF.91”............................... 58 TABLA 6. CARACTERÍSTICA DE LOS MUROS, “SEGÚN LA NCH 853 OF.91”. ........................................................ 59 TABLA 7. CARACTERÍSTICAS DE LAS VENTANAS, “SEGÚN LA NCH 853 OF.91”.................................................. 59 TABLA 8. CARACTERÍSTICAS DE LAS PUERTAS, “SEGÚN LA NCH 853 OF.91”..................................................... 59 TABLA 9. CARACTERÍSTICAS DE LOS PISOS, “SEGÚN LA NCH 853 OF.91”.......................................................... 59 TABLA 10. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR U, SOFTWARE C.C.T.E. V2.0”. ..................... 61 TABLA 11. RENOVACIONES DE AIRE POR HORA, “NCH 1.960 OF.89”.................................................................. 63 TABLA 12. RESUMEN DE CARGAS TÉRMICAS, DEL AUTOR.................................................................................. 64 TABLA 13. MODELOS DE BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS, “WWW.TRANE.COM.”............................................ 67 TABLA 14. METROS DE SERPENTÍN POR RECINTO, DEL AUTOR........................................................................... 72 TABLA 15. DIÁMETROS DE LAS TUBERÍAS POR RECINTO, “WWW.REHAU.COM.”.................................................. 74 TABLA 16. DIÁMETROS DE LAS TUBERÍAS POR TRAMO, “WWW.REHAU.COM.”.................................................... 75

14. xi TABLA 17. COSTOS DEL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICO, CON SERPENTINES HORIZONTALES, DEL AUTOR. ................................................................................................................................................... 98 TABLA 18. COSTOS DEL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICO, CON SERPENTINES VERTICALES, DEL AUTOR. ............................................................................................................................................................... 99 TABLA 19. COSTOS DEL SISTEMA DE CALEFACCIÓN POR CALDERA MURAL, DEL AUTOR. .................................. 100 TABLA 20. COSTOS DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN, A TRAVÉS DE EQUIPOS DE AIRE ACONDICIONADO SPLIT MURO, DEL AUTOR................................................................................................................................. 101 TABLA 21. TEMPERATURA PROMEDIO DE LA R.M., ENTRE LOS AÑOS 2.006-2.010, “DIRECCIÓN GENERAL DE AERONÁUTICA CIVIL, DIRECCIÓN METEOROLÓGICA DE CHILE, TEMPERATURAS DE LA R.M. 2.006-2.007, SUBDIRECCIÓN METEOROLÓGICA 2.010”................................................................................................ 106 TABLA 22. COSTO ACTUALIZADO NETO, PARA UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICO CON SERPENTINES HORIZONTALES, DEL AUTOR. ................................................................................................................. 113 TABLA 23. COSTO ACTUALIZADO NETO, PARA UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN GEOTÉRMICO CON SERPENTINES VERTICALES, DEL AUTOR....................................................................................................................... 114 TABLA 24. COSTO ACTUALIZADO NETO, PARA UN SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN CONVENCIONAL (CALDERA MURAL, MÁS SPLIT MURO), DEL AUTOR.................................................................................................. 115 TABLA 25 REQUERIMIENTO TÉRMICO DE CALEFACCIÓN POR RECINTO, CASO I ................................................. 122 TABLA 26. REQUERIMIENTO TÉRMICO DE CALEFACCIÓN POR RECINTO, CASO II............................................... 125 TABLA 27. REQUERIMIENTO TÉRMICO DE REFRIGERACIÓN POR RECINTO, CASO I ............................................. 128 TABLA 28. REQUERIMIENTO TÉRMICO DE REFRIGERACIÓN POR RECINTO, CASO II............................................ 131

15. xii Índice de gráficos GRÁFICO 1. DISTRIBUCIÓN EN %, DE LA UTILIZACIÓN DEL CALOR GEOTÉRMICO DIRECTO EN EL MUNDO EN EL AÑO 2.005, “ROBERTO ROMÁN LATORRE, DISEÑO DE UNA RED GEOTÉRMICA DE DISTRIBUCIÓN DE CALOR PARA EL MUNICIPIO DE COÑARIPE, X REGIÓN, UNIVERSIDAD DE CHILE 2.009.” ................................................ 13 GRÁFICO 2. CONSUMO DE VIVIENDA DE 100 , PARA A.C.S. MÁS CALEFACCIÓN, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”......................... 18 GRÁFICO 3. EMISIONES DE CO2 CON DIFERENTES TIPOS DE ENERGÍA EN UNA VIVIENDA TIPO DE 150 , “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”.................................................................................................................................................... 19 GRÁFICO 4. PROMEDIO MENSUAL DE TEMPERATURAS EN LA R.M., “INSTITUTO GEOGRÁFICO MILITAR, CLIMANOGRAMA REGIÓN METROPOLITANA, 29 DE MAYO DEL 2.007"...................................................... 21 GRÁFICO 5. PÉRDIDA DE PRESIÓN DE LA SALMUERA, EN FUNCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE ANTICONGELANTE, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”.................................................................................................................................................... 38 GRÁFICO 6. SELECCIÓN DE LA BOMBA DE RECIRCULACIÓN DE AGUA PARA PISO RADIANTE, “DAB, CATALOGO GENERAL 50 HZ, SANTIAGO, ANWO 2.007.............................................................................................. 76 GRÁFICO 7. SELECCIÓN DE LA BOMBA DE RECIRCULACIÓN, PARA LOS SERPENTINES HORIZONTALES SUBTERRÁNEOS, “DAB, CATALOGO GENERAL 50 HZ, SANTIAGO, ANWO 2.007” ..................................... 88 GRÁFICO 8. SELECCIÓN DE LA BOMBA DE RECIRCULACIÓN, PARA LOS SERPENTINES VERTICALES SUBTERRÁNEOS, “DAB, CATALOGO GENERAL 50 HZ, SANTIAGO, ANWO 2.007”. .............................................................. 90 GRÁFICO 9. C.O.P. COMPARADO CON DISTINTOS LARGOS PARA EL SERPENTÍN HORIZONTAL, DEL AUTOR........... 91 GRÁFICO 10. C.O.P. COMPARADO CON DISTINTOS LARGOS PARA EL SERPENTÍN VERTICAL, DEL AUTOR. ............ 91 GRÁFICO 11. DETERMINACIÓN DEL SERPENTÍN MÁS EFICIENTE, DEL AUTOR...................................................... 92

16. xiii Índice de figuras FIGURA 1. ZONAS CON POTENCIAL GEOTÉRMICO EN EL MUNDO, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”.................................................................... 15 FIGURA 2. DIFERENTES POSIBILIDADES DE FOCO FRÍO PARA UNA BOMBA DE CALOR, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”......................... 24 FIGURA 3. CICLO DE CALEFACCIÓN PARA UNA GHP, “WWW.GEOPRODESING.COM.”.......................................... 27 FIGURA 4. CICLO DE REFRIGERACIÓN, “WWW.GEOPRODESING.COM.” ................................................................ 29 FIGURA 5. FUNCIONAMIENTO DEL COMPRESOR, “WWW.CAURIUM.COM.”........................................................... 31 FIGURA 6. COMPRESOR, “WWW.CAURIUM.COM.” .............................................................................................. 31 FIGURA 7. FUNCIONAMIENTO DEL CONDENSADOR, “WWW.CAURIUM.COM.” ...................................................... 32 FIGURA 8. SERPENTÍN DE TRANSFERENCIA DE CALOR, “WWW.CAURIUM.COM.”.................................................. 33 FIGURA 9. FUNCIONAMIENTO DE LA VÁLVULA DE EXPANSIÓN, “WWW.CAURIUM.COM.”..................................... 33 FIGURA 10. VÁLVULA DE EXPANSIÓN, “WWW.CAURIUM.COM.”......................................................................... 34 FIGURA 11. FUNCIONAMIENTO DEL EVAPORADOR, “WWW.CAURIUM.COM.”....................................................... 34 FIGURA 12. EVAPORADOR, “WWW.CAURIUM.COM.”.......................................................................................... 35 FIGURA 13. CIRCUITO ABIERTO, UTILIZACIÓN DE UNA FUENTE DE AGUA SUBTERRÁNEA COMO PROPULSORA DE CALOR, “DAVID BANKS, ESTUDIO DE LA UTILIZACIÓN DE SISTEMAS GEOTÉRMICOS, DEL TIPO TIERRA / AIRE, PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE ESPACIOS HABITADOS EN EL SALVADOR, UNIVERSIDAD CENTRO AMERICANA, 2.008.” ............................................................................................................................... 41 FIGURA 14. CIRCULACIÓN DIRECTA DEL FLUIDO REFRIGERANTE EN UN CIRCUITO CERRADO, “WWW.TECNOCLIMASPA.COM.”................................................................................................................ 43 FIGURA 15. CIRCULACIÓN INDIRECTA DEL LÍQUIDO REFRIGERANTE, “DAVID BANKS, ESTUDIO DE LA UTILIZACIÓN DE SISTEMAS GEOTÉRMICOS, DEL TIPO TIERRA / AIRE, PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE ESPACIOS HABITADOS EN EL SALVADOR, UNIVERSIDAD CENTRO AMERICANA, 2.008.” ............................................ 44

17. xiv FIGURA 16. COLECTOR HORIZONTAL, CON TUBERÍAS INDIVIDUALES, “WWW.OSTARGI.BIZ.”............................... 48 FIGURA 17. COLECTOR HORIZONTAL, CON TUBERÍAS ENROLLADAS EN UNA MISMA EXCAVACIÓN, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.” ............. 49 FIGURA 18. INSTALACIÓN DE UNA SONDA GEOTÉRMICA, EN FORMA DE U, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”................................................. 50 FIGURA 19. DISPOSICIÓN Y DISTANCIA MÍNIMA DE SONDAS, EN PRESENCIA DE AGUA SUBTERRÁNEA, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.” ............. 52 FIGURA 20. PLANTA DE LA VIVIENDA A CLIMATIZAR DE 140 , DEL AUTOR.................................................... 57 FIGURA 21. PERSPECTIVA NOR - PONIENTE, DEL AUTOR. ................................................................................... 58 FIGURA 22. CÁLCULO DEL COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR U, “SOFTWARE C.C.T.E. V2.0” ...................................................................................................................................................... 60 FIGURA 23. REQUERIMIENTO ENERGÉTICO POR FIGURA 24. “REQUERIMIENTO ENERGÉTICO POR RECINTO EN INVIERNO, CASO II, “DEL AUTOR”. RECINTO EN VERANO, CASO II, “DEL AUTOR”........................ 65 FIGURA 25. DETALLE BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA MARCA TRANE, MODELO WPWD 036-072, “WWW.TRANE.COM.” ............................................................................................................................... 68 FIGURA 26. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA EN CALEFACCIÓN, “WWW.TRANE.COM.” ............................................................................................................................... 69 FIGURA 27. PARAMETROS DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE CALOR GEOTERMICA EN REFRIGERACIÓN, “WWW.TRANE.COM.” ............................................................................................................................... 70 FIGURA 28. CONFIGURACIÓN DE LAS TUBERÍAS EN FORMA DE ESPIRAL, “RECKNAGEL SPRENGER. MANUAL DE CALEFACCIÓN Y CLIMATIZACIÓN: INCLUIDO PREPARACIÓN DE AGUA DE CONSUMO Y TÉCNICA DE FRIO. ROSARIO, BLUME 1.974” ......................................................................................................................... 73 FIGURA 29. DIAGRAMA DE FLUJO DE TRAMOS, “DEL AUTOR”. .......................................................................... 74 FIGURA 30. DISTRIBUCIÓN DEL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN, INDICANDO METROS LINEALES DE CADA RECINTO, “DEL AUTOR”.......................................................................................................................................... 77

18. xv FIGURA 31. TEMPERATURA DEL SUELO V/S PROFUNDIDAD, PARA ALEMANIA, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008.”................................................. 82 FIGURA 32. DISTRIBUCIÓN SELECCIONADA, “ASHRAE HANDBOOK: FUNDAMENTALS 1.997. NEW YORK, ASHRAE 1.997”..................................................................................................................................... 93 FIGURA 33. PROYECTO DE INGENIERÍA CON INSTALACIÓN DE SERPENTINES HORIZONTALES, EN UN FLUJO PARALELO, “DEL AUTOR”........................................................................................................................ 94 FIGURA 34. INSTALACIÓN DE SISTEMAS HORIZONTALES, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008”.......................................................................... 94 FIGURA 35. COLECTORES, “ASHRAE HANDBOOK: FUNDAMENTALS 1.997. NEW YORK, ASHRAE 1.997”........ 95 FIGURA 36. DISTRIBUCIÓN DE SONDAS VERTICALES PE-XA Y PE-100, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008”.................................................. 95 FIGURA 37. MAQUINARIA DE PERFORACIÓN PARA SONDAS GEOTÉRMICAS VERTICALES, “GUILLERMO LLOPIS ANGULO, GUÍA TÉCNICA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA, COMUNIDAD DE MADRID 2.008”. ......................... 96 FIGURA 38. DIAGRAMA DE LOS COSTOS MENSUALES DE CLIMATIZACIÓN, PARA UN SISTEMA GEOTÉRMICO, “DEL AUTOR”................................................................................................................................................. 107 FIGURA 39. DIAGRAMA DE LOS COSTOS MENSUALES DE CLIMATIZACIÓN, PARA UN SISTEMA CONVENCIONAL, “DEL AUTOR”........................................................................................................................................ 108

19. 1 Capítulo Nº I 1.1 Introducción. Las dificultades que se provocan en el país producto de la crisis energética están actualmente generando la necesidad de establecer medidas que incentiven el desarrollo de distintos tipos de energía de manera de hacer frente a está. Si bien es cierto en la actualidad no se incentiva directamente por parte del estado el uso de tecnologías limpias por sobre las más contaminantes, a nivel de empresa o domestico, dicha situación podría cambiar en pocos años conforme a los planes de fomentar por parte del gobierno la masificación de las E.R.N.C. (energías renovables no convencionales). El presente proyecto estudia la factibilidad técnica y económica de calefaccionar y refrigerar una vivienda ubicada en la Región Metropolitana, que por condiciones climáticas requiera de climatización tanto en invierno como en verano, presentando en teoría una solución factible, atractiva y por sobre todo monetariamente conveniente. La tecnología presente a utilizar se basa en el aprovechamiento de un recurso natural renovable, como lo es la geotermia de baja profundidad, encontrando su fuente en la temperatura de la tierra ubicada alrededor de los inmuebles donde se realiza dicha función, siendo obtenida de una manera simple y confiable, así encontrando una relación directa con la preservación de la ecología, satisfaciendo una necesidad social y cultural cada vez más emergente como lo es el consumir energía limpia y responsablemente hacia el medio ambiente. Esta idea nace a partir de dos quiebres fundamentales a nivel nacional:

20. 2 1. Las disminuciones en las cuotas de suministro de gas natural de países que limitan con Chile, lo que ha provocado en la población la incertidumbre en cuanto a la disponibilidad real de este insumo en el futuro.1 2. El aumento de los precios de los combustibles fósiles, lo que provoca en Chile alzas en los costos de cualquier actividad que demande uso energético, debiendo afrontar la población mayores gastos en necesidades básicas.1 Por estas razones la intención de este proyecto es mostrar la evaluación, diseño, instalación y mantención de un sistema de climatización que utiliza tecnología en base a energía renovable no convencional, limpia y que otorga además a sus usuarios ahorros en el mediano y largo plazo, debido a que necesita un menor consumo energético para su funcionamiento. 1.2. Motivación. Chile en las últimas décadas ha buscado la integración de energías convencionales en países limítrofes, lo que ha dado paso a una fuerte dependencia de este tipo. Además, sumado a un aumento en la demanda de energía en general ha inducido en los últimos periodos frecuentes cortes o reducciones en las cuotas de suministro de gas natural hacia el país, afectando directamente a los usuarios al presentarse un aumento de costos e incertidumbre de contar con el suministro energético. Estos antecedentes revelan que Chile se ha ido quedando al margen de una tecnología que presenta muchas ventajas para la sociedad, como es la energía geotérmica en una zona geográfica con alto potencial. 1 Comisión Nacional de Energía (C.N.E.), “Balance nacional de energía en Chile 2.010.”

21. 3 También se agrega a lo anterior la tendencia mundial surgida en los últimos tiempos del acercamiento por parte de la gente hacia la conciencia ecológica, motivado principalmente por la carencia de fuentes energéticas sustentables, emergiendo así grupos y segmentos en la población que promueven consumir y vivir respetando la naturaleza. En el año 2.010 se puede observar, gracias a datos estadísticos entregados por la Comisión Nacional de Energía (C.N.E.), que el sector residencial en Chile representó el 26.94% del consumo total de energía y el 62% del consumo total de leña. Estos datos muestran la importancia que puede tener a nivel de país el desarrollo de las energías renovables no convencionales (E.R.N.C.), y el disminuir el consumo de combustibles fósiles en el sector; comercial, publico, residencial (C.P.R.). Cabe destacar el gran potencial geotérmico existente en Chile, al estar ubicado en el “cinturón de fuego del pacifico”, definido como el conjunto de zonas repartidas alrededor del mundo donde existe un gran potencial geotérmico, Chile es el segundo país en el mundo con más volcanes activos, y con más de 300 fuentes de aguas termales, estas son las evidencias más claras de el alto potencial geotérmico en Chile, ya que este fuente de calor existente en el subsuelo, aparece especialmente en terrenos volcánicos o con abundancia de geiseres.2 Por estas razones principales que existen en Chile, es que nace la motivación de este proyecto, para ofrecer la factibilidad técnica y económica de un sistema de climatización geotérmico a familias que habiten en la región metropolitana. 2 Roberto Román Latorre, “Diseño de una geotérmica de distribución de calor para el municipio de coñaripe, X Región”, Memoria para optar al titulo de Ingeniero Civil, Universidad de Chile 2.009.

22. 4 1.3. Objetivos 1.3.1 Objetivo General Analizar la factibilidad de climatización a través de energía geotérmica, para viviendas de precio entre U.F 3.000 – 5.000 ubicadas en la región Metropolitana.- 1.3.2 Objetivos Específicos º Explicar y analizar el funcionamiento de una red geotérmica de distribución de calor. º Determinar la carga térmica de una vivienda, desde el punto de vista de los materiales de la envolvente, usos, y de las condiciones medio ambientales. º Determinar las variables de diseño que tiene mayor incidencia en el desempeño de una red geotérmica de Distribución de Calor. º Realizar un análisis económico de la instalación y funcionamiento de una red Geotérmica de distribución de calor. º Evaluar a través de un software las condiciones que se encontrarían en la realidad al momento de climatizar una vivienda (tomando en cuenta variables como: pérdidas de calor, conductividad térmica y ventilación.) º Lograr a modo de conclusión, una respuesta objetiva, de si es factible o no utilizar la energía geotérmica en la Región Metropolitana y de ser así, como obtener el óptimo de su funcionamiento.

23. 5 1.4 Metodología El presente estudio se enfocará, en analizar todos los factores que influyen en una vivienda para lograr climatizarla al menor costo posible a través de energía geotérmica, por lo que: Primero se utilizarán fuentes como revistas y diarios especializados, consulta en la Comisión Nacional de Energía, en la Asociación Chilena de Energía Geotérmica, en la Cámara Chilena de Refrigeración y Climatización, en la Empresa Nacional de Geotermia, entre otras Instituciones, en Internet y personas que trabajen en este mercado en lo cual puedan aportar información de relevancia, a las necesidades, ventajas, desventajas y beneficios que tendría para las personas y la comunidad en general la utilización de este sistema en una casa, con los beneficios que esto traería al medio ambiente. Segundo, a través de la información obtenida se llevará el sistema al contexto de Chile y en especial a la zona centro (Santiago), por lo que se debe estudiar la realidad de esta ciudad que es el lugar en cuyas características será evaluado el sistema para ver que tan factible es llevarlo a cabo. Tercero, se realizará un análisis y descripción exhaustiva del funcionamiento de un sistema geotérmico del punto de vista operacional y productivo, para así poder saber de que forma lograr climatizar los espacios de una vivienda. Cuarto, se ejecutará una evaluación a través del software C.C.T.E. V2.0. con respecto a la materialidad de la vivienda, para así obtener el coeficiente global de transferencia de calor (U) y de esta manera calcular el requerimiento térmico de la vivienda en invierno y verano.

24. 6 Quinto, se evaluaran dos casos con las mismas condiciones de diseño pero con distintas renovaciones de aire por hora y se escogerá el caso mas desfavorable para los cálculos teóricos de climatización. Sexto, se mostrará la factibilidad técnica del proyecto desde un punto de vista productivo y operacional, es decir, se expondrá la posibilidad real de puesta en práctica del funcionamiento del sistema climatización a través de energía geotérmica. Séptimo, se realizará un análisis de comparación económica, entre un proyecto de climatización geotérmico y otro convencional, para esto se calculará el costo actualizado neto de cada sistema, este cálculo indicará que si la inversión que debe realizarse para un sistema geotérmico, se justifica con la ganancia que genera este en el tiempo. Es punto es muy importante para la investigación, ya que permitirá entregar valiosos antecedentes, acerca de los costos que maneja el mercado en Chile, como la mano de obra especializada, materiales, instalaciones especiales, etc. Octavo, se procede a analizar los resultados encontrados para lograr posteriormente deducir algunas conclusiones importantes respecto al tema. Estos puntos del trabajo antes descritos son un ordenamiento del proyecto de investigación. Esta será la columna vertebral cuyos puntos son los más importantes para lograr cumplir los objetivos antes planteados. 1.5 Resultados Esperados El presente proyecto de titulo apunta que sea factible la climatización a través de una red de energía geotérmica de distribución de calor a una vivienda ubicada en la Región Metropolitana, y presentar un análisis de sus ventajas y desventajas reuniendo los antecedentes necesarios para climatizar dicha vivienda. Luego de haber reunido estos

25. 7 antecedentes se espera que sea factible llevar este sistema a la realidad, previo análisis económico, técnico de dicho sistema. También se espera que cualquier persona independiente la clase social, que se quiera informar sobre el sistema de climatización en vivienda a través de energía geotérmica, pueda recurrir a este trabajo, en el cual podrá encontrar en forma clara y precia, como funciona un sistema de climatización geotérmico, con las ventajas y desventajas que pueda traer este sistema.

26. 8 Capítulo Nº II Estado del Arte 2.1. Introducción En este capítulo, se da a conocer el significado de la Energía Geotérmica y de las categorías que existen para esta, en función de su temperatura. También se hace mención, en que situación se encuentra a nivel mundial y nacional la energía geotérmica, mostrando así el gran potencial geotérmico existente en Chile. Se mencionan las ventajas y desventajas de un sistema de climatización a través de energía geotérmica, para posteriormente continuar con las características climatológicas de la Región Metropolitana, dándose a conocer que esta Región, cuenta con inviernos y veranos muy marcados en cuanto a temperaturas, y se establece para esto la definición y temperatura de Confort Térmico, de acuerdo a la Reglamentación Térmica Chilena. Se define lo que es una bomba de calor geotérmica, su eficiencia y su funcionamiento en un régimen de calefacción y refrigeración, señalando para esto los componentes de una bomba de calor y su respectiva tarea dentro de esta. Finalmente se establecen los circuitos de captación de energía geotérmica, en los cuales se encuentran los colectores horizontales y verticales geotérmicos, señalando así las ventajas y desventajas de cada uno. Para terminar se da a conocer la definición y características del Software C.C.T.E. V2.0, el cual servirá para calcular la transmitancia térmica de los materiales de la vivienda escogida a climatizar, previa simulación en dicho Software.

27. 9 2.2. Energía Geotérmica “La energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie sólida de la Tierra” Esta definición es oficial en Alemania y ha sido adoptada por el Consejo Europeo de Energía Geotérmica (E.G.E.C.). Engloba el calor almacenado en rocas, suelos y aguas subterráneas, cualquiera que sea su temperatura, profundidad y procedencia. En un principio la tierra era una inmensa bola ardiente constituida esencialmente por gases y polvo. Luego de esto la tierra en un momento se enfrió y se consolido, sin embargo las capas interiores no se enfriaron tan rápidamente, en gran parte debido a que la corteza es muy mala conductora del calor y actúa como un aislante para las capas interiores, que de esta forma pueden mantener sus temperaturas altas. Las fuentes que generan el calor interno en la tierra son los elementos radioactivos como el uranio, tono y potasio, sin embargo existen otras, como las mareas terrestres, el choque de meteoritos y la atracción gravitacional del sol y la luna, que generar el 10% del calor total de la tierra. Todas estas fuentes generadoras de calor, hacen del planeta una enorme caldera natural. El resultado de esta estructura interna es que el 99% de la masa de la tierra está sometida a una temperatura superior a los 1.000 º C, y únicamente un 0,1% de la misma soporta temperaturas inferiores a los 100 º C. Además de su calor interno, la tierra recibe el calor del sol a cada segundo, esta energía penetra a escasa profundidad en el subsuelo, contribuyendo a mantener la superficie del planeta a una temperatura promedio de 15 º C.3 3 Guillermo Llopis Angulo, “Guía técnica de la energía geotérmica”, Comunidad de Madrid 2.008.

28. 10 El calor contenido en masas de aguas superficiales, continentales o marinas, no se incluye, pero su aprovechamiento también es posible mediante intercambiadores y bombas de calor. Sin embargo, el calor contenido en rocas y suelos es demasiado difuso para ser extraído directamente, siendo necesario disponer de un fluido, generalmente agua, para transportar el calor hacia la superficie de forma concentrada, mediante sondeos, sondas geotérmicas, colectores horizontales, o mediante intercambiadores de calor tierra-aire enterrados a poca profundidad en el subsuelo. Una vez en superficie, el fluido geotermal, en función de su contenido de calor se puede destinar a la producción de energía eléctrica, si es posible, y en caso contrario se puede aprovechar su calor directamente recurriendo al empleo de intercambiadores de calor, o de bombas de calor en caso necesario. Dentro del grupo de las energías renovables, la energía geotérmica es muchas veces ignorada. Sin embargo ha existido siempre, a pesar de su antigüedad, no se beneficia de todo el interés que merece. El calor terrestre es una fuente de energía duradera para la producción de calor y electricidad, que no dependen de las condiciones climatológicas, de la estación anual, del momento del viento. La diversidad de la temperatura de los recursos geotérmicos permite un gran número de posibilidades de utilización. Las aplicaciones que se pueden dar a un fluido geotermal dependen de su contenido en calor, o lo que es lo mismo, de su entalpía.

29. 11 º Definición de Entalpía Es la cantidad de energía térmica que un fluido, o un objeto, puede intercambiar con su entorno. Se expresa en KJ/Kg o en kcal/Kg. Como no existen aparatos que determinen directamente la entalpía de un fluido en el subsuelo, pero si existen sondas térmicas que miden la temperatura, en la práctica habitual la entalpía y la temperatura, son proporcionales, y es la temperatura de un fluido geotermal lo que determina su futura aplicación industrial.3 A continuación se detallan las aplicaciones más importantes de la energía geotérmica con los rangos de temperatura de utilización. Se establecen cuatro categorías para la Energía Geotérmica en función de su temperatura.3 º Alta temperatura: Más de 150 º C. Una temperatura superior a 150 º C permite transformar directamente el vapor de agua en energía eléctrica. º Media temperatura: Entre 90 y 150 º C. Permite producir energía eléctrica utilizando un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las centrales. º Baja temperatura: Entre 30 y 90 º C. Su contenido en calor es insuficiente para producir energía eléctrica, pero es adecuado para la calefacción de edificios y en determinados procesos industriales y agrícolas. º Muy baja temperatura: Menos de 30 º C. Puede ser utilizada para calefacción y refrigeración, necesitando emplear bombas de calor. La categoría que interesa en este estudio es la cuarta, es decir a muy baja temperatura o entalpía.

30. 12 En toda la corteza terrestre del planeta, se puede captar y aprovechar el calor almacenado en las capas superficiales de esta. El subsuelo se encuentra a una temperatura mayor que en la superficie cuando es invierno y a una temperatura menor cuando es verano, esta diferencia estacional de temperaturas puede ser aprovechada para la climatización de casas individuales o edificios, por intermedio de bombas de calor geotérmicas. Por debajo de 20 m de profundidad, la temperatura aumenta a razón de unos 3º C cada 100 m como consecuencia del gradiente geotérmico. En la mayor parte de las regiones del planeta, las rocas se encuentran a una temperatura de 25 – 30º C a 500 m de profundidad.3 2.2.1. Situación Mundial En el año 1.995 solo 28 países reportaban uso directo de energía geotérmica. Esta cifra aumentó a 59 países en el año 2.000, con una capacidad instalada de 16 GWt. El 30% de esta capacidad estaba destinada a calefacción de viviendas. En el 2.005, la capacidad en 72 países ascendió alrededor de 28.000 MWt, de los cuales 15.000 MWt correspondían a bombas de calor geotérmicas. La mayor causa del crecimiento de las capacidades instaladas en el mundo entre los años 1.995 y 2.005, se deben al desarrollo de las bombas de calor.2 El desglose de la utilización del calor geotérmico directo (menos de 90º C) en el mundo en el 2.005, aparece en el gráfico numero 1.

31. 13 Gráfico 1. Distribución en %, de la utilización del calor geotérmico directo en el mundo en el año 2.005, “Roberto Román Latorre, Diseño de una red geotérmica de distribución de calor para el Municipio de Coñaripe, X Región, Universidad de Chile 2.009.” De acuerdo al gráfico 1, en el año 2.005 existían en el mundo 72 países con proyectos de uso directo de calor geotérmico, en algunos casos como aprovechamiento complementario, o secundario, de la generación de electricidad. Estos países representaban, en conjunto, una capacidad instalada de 28.268 MWt, utilizando 75.943 GWh de energía en forma de calor, ahorrando al equivalente anual de 170 millones de barriles de petróleo. El 54,4% de ese uso de energía en forma de calor, provenían de bombas de calor geotérmico. º Principales países que utilizan directamente la energía geotérmica en forma de calor. Los países con mayor capacidad instalada de energía geotérmica para uso directo en el año 2.005 eran: China, Suecia y Estados Unidos. El 87% de esta capacidad estaba repartida entre China, Suecia, Estados Unidos, Turquía, Islandia. En el año 2.000, USA era el país con mayores instalaciones, pero en el año 2.005 fue Estados Unidos (7.817 MWt), esto se debe a que Estados Unidos cuenta con gran parte de las bombas de calor instaladas en el mundo.

32. 14 Las bombas de calor tienen menor factor de capacidad que las redes urbanas, lo que resulta en que el país que más energía produjo en 2.005, fue China con 45.373 Tera Joule.2 º Bombas de calor geotérmicas a nivel Mundial La primera instalación con bomba de calor geotérmica en una vivienda entró en funcionamiento en el año 1.945 en Indianápolis, EE.UU., en la casa de Robert C. Webber. Pero es a partir de la década de los noventa, bajo la presión de las exigencias ambientales, cuando el empleo de bombas de calor geotérmicas empieza a conocer un desarrollo prometedor a nivel internacional. Actualmente existen más de un millón de instalaciones, no solo en América del Norte y Canadá, sino también en algunos países europeos. Solo en Suecia existen hoy en día más de 400.000 bombas de calor instaladas. En 2.005, la capacidad instalada en 72 países era de 28.000 MWt, en los cuales 15.000 MWt correspondían a bombas de calor geotérmicas.3 2.2.2. Situación Chilena Chile forma parte del “cinturón de fuego del pacifico”, definido como el conjunto de zonas repartidas alrededor del mundo donde hay alto potencial geotérmico. Chile cuenta con más de 2.000 volcanes, en los que se encuentran 500 activos y 60 con registros históricos de erupción, esto lo hace ser el segundo país en el mundo con más volcanes activos, solo superado por Indonesia, a parte de esto cuenta con alrededor de 300 fuentes de aguas termales, estas manifestaciones superficiales del calor encerrado dentro de la tierra de Chile, son las evidencias más claras, que la temperatura en su interior debe ser mucho más alta que los países que no se encuentran dentro del cinturón de fuego del pacifico”.4 4 www.centralenergia.cl

33. 15 En el año 2.000, Chile era el país con menor capacidad geotérmica para uso directo instalada con solo 0.4 MWt, esto representa un desaprovechamiento de una fuente de energía que tiene importantes ventajas sobre los combustibles comúnmente utilizados para entregar calor a las viviendas. 2 Figura 1. Zonas con potencial geotérmico en el mundo, “Guillermo Llopis Angulo, Guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” Como se puede apreciar en la figura 1., en todas las zonas del planeta se puede encontrar calor geotérmico, desde alta temperatura hasta muy baja temperatura, esto quiere decir que para efectos del proyecto, se podria climatizar viviendas en cualquier zona del mundo, utilizando bombas de calor geotérmicas, ya que para esta acción solo se requiere energía geotérmica de muy baja temperatura. º Consumo energético Para tener una aproximación del impacto que podría tener una conversión de los sistemas de calefacción clasicos a sistemas geotérmicos, es util evaluar la proporción sobre el

34. 16 consumo energético total del país, que tiene el sector Comercial, Público y residencial (CPR), ya que este sector es el que puede ser beneficiado por climatización a través de bombas geotérmicas. Tabla 1. Distribución del consumo energético total en Chile en el año 2.010, “Comisión Nacional de Energía (C.E.N.), balance Nacional de energía en Chile 2.010.” Como se puede apreciar en la tabla 1, realizada por la Comisión Nacional de Energía (C.N.E.), el consumo energético en el sector C.P.R. en el año 2.010 represento 26.9 % del total consumido por el país. El 32.3 % de la energía eléctrica, el 11.52 % del gas natural, y el 61 % del total de la leña, todos estos fueron consumidos en 2.010 por el sector C.P.R. Por otra parte, debe notarse que el consumo de gas licuado en el año 2.010, para el sector C.P.R. fue de un 67.59 % del total de gas licuado consumido por el país, este dato es relevante dado

35. 17 que la calefacción de las viviendas en la Región Metropolitana, funcionan principalmente a base de gas licuado. 2.2.3. Ventajas y desventajas de la energía geotérmica 2.2.3.1. Ventajas Las principales ventajas de un sistema con bomba de calor geotérmica, para la calefacción y refrigeración de viviendas son las siguientes: º Energía continúa Contrariamente a la energía solar o la eólica, la energía geotérmica no depende del clima, de la radiación solar ni del viento. Está disponible 24 horas al día, los 365 días del año. º Energía para todo el mundo El calor del subsuelo está presente en todos los continentes a disposición de la humanidad. La energía geotérmica es una energía local, para consumir sobre el propio terreno, es la respuesta más próxima para satisfacer las necesidades energéticas de calefacción y refrigeración, y si también se requiere se puede producir agua caliente sanitaria. º Energía Económica Un sistema de climatización geotérmica para una casa individual tiene un costo de inversión elevado, pero los costos de mantención son muy reducidos, fundamentalmente, porque hay un menor costo de energía eléctrica, comparados con los sistemas de refrigeración clásicos y no existen gastos de combustibles fósiles para la calefacción, aparte hay que considerar que estos precios irán creciendo con el agotamiento de los recursos fósiles y las restricciones ambientales. Todo esto considera una inversión elevada al principio, pero recompensada a través del tiempo. A modo de ejemplo en el gráfico 2 se comparan los costos anuales en Europa, de consumo energético y operacional, en diversos sistemas tradicionales y renovables.

36. 18 Gráfico 2. Consumo de vivienda de 100 , para A.C.S. más Calefacción, “Guillermo Llopis Angulo, Guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” Nota: Los costos de las energías tradicionales en Chile el 2.007 fueron en promedio un 18% más que en Europa.5 Se puede apreciar en el gráfico 2 que dentro de los distintos sistemas para calefaccionar una casa, ya sean estos tradicionales o renovables, las bombas de calor geotérmicas son las más eficientes en términos económicos, debido a las explicaciones antes descritas. º Energía Eficiente En climas con variaciones de temperaturas importantes, las bombas de calor geotérmicas tienen mejor servicio que las bombas de calor que utilizan aire exterior, cuyo rendimiento baja considerablemente con las temperaturas extremas. También hay que destacar que las bombas de calor geotérmicas, producen 2 y 4 veces más energía térmica o frigorífica que la energía eléctrica que consume, esto significa que estos sistemas tienen rendimientos de 200 a 400%.3 5 Cámara Chilena de Refrigeración y Climatización A.G., Revista frio y calor número 99, 2.011”.

37. 19 º Energía limpia Ninguna vivienda que utilice energía geotérmica precisa quemar combustibles, por consiguiente, no contribuye a la emisión de gases contaminantes. Las bombas de calor geotérmicas para el funcionamiento de climatización solo consumen energía eléctrica, las emisiones equivalentes de gases son únicamente las correspondientes a la producción en origen de esa energía, muy inferiores a los sistemas tradicionales. En el gráfico 3 se pueden apreciar las emisiones de CO2 que produce la calefacción de una vivienda – tipo de 150 con diferentes tipos de energía. Gráfico 3. Emisiones de CO2 con diferentes tipos de energía en una vivienda tipo de 150 , “Guillermo Llopis Angulo, Guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” 2.2.3.2. Desventajas Las principales desventajas de climatización a través de energía geotérmica son: º Gasto de implementación Este tipo de energía requiere una inversión elevada al principio, esto significa que lamentablemente no todas las personas son capaces de solventar este gasto.

38. 20 º Explotación únicamente local La energía geotérmica no se puede transportar, tiene que consumirse en el mismo lugar de donde se extrae. º Minerales y gases no disueltos La corrosividad del recurso geotérmico y la presencia de minerales, sales y gases no disueltos pueden elevar el costo del proyecto, comparado con el de una red de calor a base de combustibles fósiles. 2.3. Características Climatológicas de la Región Metropolitana La Región Metropolitana tiene un clima mediterráneo que se caracteriza por veranos secos y calurosos e inviernos húmedos y fríos. La estación seca es una duración que va desde 2 a 8 meses y ocurre durante el verano, con días largos. El déficit de presión de vapor comienza a disminuir en otoño y alcanza los valores más bajos en invierno, aumentando en verano. Globalmente el clima mediterráneo se encuentra en cinco regiones: Costas del mar Mediterráneo, el Centro de California, la costa norte de México, parte sur de África y Australia, y Chile Central. A continuación en el gráfico 4 se muestra el promedio mensual de temperaturas en la Región Metropolitana.6 6 Instituto Geográfico Militar, “Climanograma Región Metropolitana”, 29 de Mayo del 2.007".

39. 21 Gráfico 4. Promedio mensual de temperaturas en la R.M., “Instituto Geográfico Militar, Climanograma Región Metropolitana, 29 de Mayo del 2.007". En el gráfico 4 se aprecia que la temperatura media del mes más frío (Julio) es aproximadamente de 6.7º C y la temperatura media del mes más cálido (Enero) es de aprox. 20º C, estos resultados indican, que hay una fuerte diferencia de temperaturas, dependiendo de la estación del año en la que uno se encuentre, lo que es muy favorable para este proyecto, ya que las bombas de calor geotérmicas pueden calefaccionar o refrigerar una vivienda, dependiendo de las necesidades de temperatura que se requiera. 2.4. Confort Térmico El hombre siempre se ha esforzado por crear un ambiente térmicamente cómodo. Esto se refleja en las construcciones tradicionales alrededor del mundo desde la historia antigua hasta el presente. Hoy, crear un ambiente térmicamente cómodo todavía es uno de los parámetros más importantes a ser considerado cuando se diseñan viviendas o edificios. El confort térmico se define, de acuerdo a la “Cámara Chilena de Refrigeración y Climatización A.G.”, como “Esa condición de mente en la que se expresa la satisfacción con

40. 22 el ambiente térmico”, entonces pondríamos decir que existe “confort térmico” cuando las personas no experimentan sensación de calor ni den frío. Evaluar el confort térmico es una tarea compleja, ya que valorar sensaciones conlleva siempre una importante carga subjetiva; no obstante, existen unas variables modificables que influyen en los intercambios térmicos entre el individuo y el medio ambiente y que contribuyen a la sensación de confort5 , estas son: º La temperatura del aire. º La temperatura de las paredes. º Objetos que nos rodean. º La humedad del aire. º La actividad física. º La clase de vestido. º La velocidad del aire. El diseño del sistema de climatización en cada vivienda, requiere determinar una cierta cantidad de calor a entregar para controlar la temperatura ambiente. La forma como se entregue este calor, incidirá también sobre la velocidad del aire. Sin embargo la humedad y la renovación de aire son constantes dadas para la Región Metropolitana que no se pueden alterar, pero se tienen que tener en consideración a la hora de diseñar. La reglamentación térmica Chilena ha fijado una temperatura base interior de la casa de 15º C, bajo el supuesto de lo que falta para alcanzar el confort de 18º C en el día y 16ºC en la noche (ya que durante la noche las personas están bastante más abrigadas que en el día), es aportado por las ganancias internas; personas, electrodomésticos, iluminación artificial, ganancias solares y otros.

41. 23 2.5. Bombas de Calor Una bomba de calor geotérmica, G.H.P. (Geothermal Heat Pump), es un dispositivo eléctrico, capaz de tomar una unidad de energía y entregar cinco. (Este dispositivo no produce calor sino que lo transporta), su aplicación fundamental esta en instalaciones domesticas y comerciales, para agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración, de pequeña y mediana potencia. Las G.H.P. permiten transferir calor de un foco frio a un foco caliente. Para lograr esta acción, es necesario un aporte de trabajo, dado que por la segunda ley de la termodinámica, el calor se dirige de manera espontanea de un foco caliente a otro frio3. Las bombas de calor se pueden clasificar según su medio de origen y destino de la energía, y se les denomina con dos palabras, la primera corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frio) y la segunda al medio receptor. Para efectos de este proyecto se verá la bomba de calor Tierra – aire, la cual aprovecha el calor contenido en el terreno. Las bombas de calor pueden calefaccionar una vivienda, como también refrigerarlas, invirtiendo el sentido del flujo del fluido, para este efecto la bomba de calor incorpora una válvula de cuatro vías que permite la inversión del fluido frigorífico3 , a estas se les llama bombas reversibles, y estas son las bombas que se verán en este proyecto. El calor como se menciono puede ser conducido, desde o hasta el terreno, por un agente intercambiador de calor que, en la inmensa mayoría de los casos es un fluido con unas características especiales, como su bajo punto de congelación y su capacidad de mantener el calor, suele ser agua con aditivo, como algún glicol (alcohol especial de bajo punto de congelación). Para esta modalidad de aprovechamiento, las temperaturas del subsuelo no excederán los 30º C, siendo las más comunes a utilizar las que oscilen en el rango de los 10-18º C, y es evidente que este margen de temperaturas no es aprovechable directamente para la

42. 24 calefacción de las habitaciones que utiliza el ser humano, se deduce inmediatamente que la forma de aumentar la temperatura del fluido intercambiador de calor deberá proceder de una fuente de energía ajena a la que se puede extraer del subsuelo, esta fuente de energía ajena es la bomba de calor. Figura 2. Diferentes posibilidades de foco frío para una bomba de calor, “Guillermo Llopis Angulo, Guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” 2.5.1. Eficiencia de una bomba de calor geotérmica. La eficiencia de una bomba de calor geotérmica se expresa por medio de un coeficiente internacionalmente aceptado, conocido como C.O.P. (Coeficient of Performance), y que se define como el cociente entre la energía útil obtenida de la máquina y la energía de todo tipo que dicha máquina ha consumido en el proceso3 . Si se considera la maquina como productora de frío, determinaremos su eficiencia frigorífica, mientras si la consideramos productora de calor, se obtendrá su eficiencia térmica.

43. 25 C.O.P. frigorífico C.O.P.f = PE/Pe (EC.1) C.O.P. térmico C.O.P.t = PC/Pe Donde: PE = Potencia frigorífica (calor extraído del exterior). PC = Potencia térmica (calor cedido al exterior). Pe = Potencia eléctrica consumida en la operación. El límite máximo teórico de la eficiencia viene dado por lo que tendría una maquina ideal que funciona siguiendo un ciclo termodinámico de Carnot, según las siguientes expresiones3 : C.O.P. frigorífico (máximo) C.O.P.f * = (TC – TE)/TE (Ec.2) C.O.P. térmico (máximo) C.O.P.t* = (TC – TE)/TC Y una relación entre ambos de C.O.P.t* = C.O.P.f* + 1 Donde: TC = Temperatura del medio caliente. TE = Temperatura del medio frío. Como se puede apreciar en la relación anterior, el C.O.P.t* siempre supera en un punto, en el peor de los casos (máximo) al C.O.P.f*, y en los casos habituales, según la ecuación 2, la eficiencia en utilización térmica supera en más de un punto a la eficiencia en utilización de refrigeración. Ambos estarán más próximos cuando menor sean las pérdidas de energía en el funcionamiento. En los catálogos de los fabricantes figura el C.O.P. nominal de la maquina funcionando en régimen estacionario y trabajando entre unas temperaturas determinadas del fluido frio y del fluido caliente.

44. 26 º Régimen de calefacción: El C.O.P.t depende, en gran medida, de la temperatura del recurso geotérmico pero, en líneas generales, su valor suele estar comprendido entre 3 y 4, pudiendo llegar a 5. º Régimen de refrigeración: El valor del C.O.P.f suele situarse entre 2,5 y 3,5 y, en cuanto a las condiciones de producción de frio, suelen distinguirse dos posibilidades más extendidas: maquina de expansión directa, en la que el aire del recinto a climatizar pasa directamente a través del evaporador; y maquina enfriadora de agua, en la cual el evaporador enfría agua que luego se distribuye a los climatizadores locales. 2.5.2. Funcionamiento de una bomba de calor geotérmica “Una gas se calienta cuando se comprime y se enfría cuando se expande”, este sencillo enunciado es el origen de las G.H.P., una de las maquinas con más difusión en la sociedad no solo industrial, sino entre la mayor parte de la población. El funcionamiento de una G.H.P., es similar al principio que utilizan los refrigeradores, en el cual se introducen en estos, alimentos que traen consigo calorías desde el exterior. Dentro del refrigerador se dispone de un panel de captación, que contiene en su interior un circuito hidráulico, por el cual circula un líquido refrigerante, este tiende a evaporarse captando o “robando” el calor de los alimentos, luego de esto, este líquido evaporado, pasa a un compresor que lo comprime, consiguiendo así que aumente de temperatura, aumentando su temperatura por compresión, se traspasa por circulación al panel o circuito exterior (parte trasera de los refrigeradores). Este mecanismo es lo que se denomina una bomba de calor, y con ella se ha conseguido extraer el calor del interior del frigorífico y se ha disipado en el exterior3 . Las bombas de calor reversible, que son las que se verán en este proyecto, son capaces de proporcionar calefacción y refrigeración, estas tiene la particularidad de;

45. 27 º Incorporar una válvula de 4 vías que permite la inversión de circulación del fluido refrigerante. º Poder invertir las funciones del evaporador y condensador. De esta forma se consigue; que bombee calor desde el exterior (subsuelo) hacia el interior (vivienda) en el ciclo de calefacción, y que bombee calor del interior hacia el exterior en el ciclo de refrigeración. A continuación se verán los detalles de estos dos ciclos, y las partes que componen una bomba de calor. 2.5.2.1. Ciclo de Calefacción El ciclo de calefacción es el siguiente:7 Figura 3. Ciclo de Calefacción para una GHP, “www.geoprodesing.com.” 7 www.soliclima.com

46. 28 1. En la perforación se introduce una sonda geotérmica, esta absorbe el calor del terreno aumentando su temperatura mediante un líquido anticongelante o salmuera, que es una mezcla de 75% de agua y 25% de anticongelante. 2. Este líquido se pone en contacto a través de un intercambiador de calor con el fluido refrigerante (tiene un punto de ebullición muy bajo), que circula por el evaporador de la bomba de calor. El líquido de las sondas de captación esta más caliente que el fluido refrigerante de la bomba de calor, por lo que el fluido refrigerante se calienta y se evapora al pasar por el evaporador. 3. Luego de esto el fluido refrigerante evaporado llega al compresor de la bomba de calor en forma de gas. El compresor, accionado con energía eléctrica, se encarga de aumentar la presión de este gas, este aumento de presión lleva consigo un aumento en la temperatura. 4. Ahora este fluido frigorífico, convertido en gas con una temperatura muy elevada, entra al condensador o licue factor, que también es un intercambiador de calor. 5. Este condensador puede ir trasmitiendo la energía térmica al circuito de calefacción, A.C.S., climatización de piscinas, etc., durante la transmisión de calor este gas se va condensando y se va convirtiendo en líquido. 6. El último paso que debe seguir el fluido refrigerante para cerrar el ciclo, es volver a la presión inicial. Este proceso tiene lugar en la válvula de expansión, en la que el fluido pierde presión y, en consecuencia temperatura, antes de volver a entrar al evaporador para extraer el calor del subsuelo.

47. 29 2.5.2.2. Ciclo de Refrigeración El ciclo de refrigeración es el siguiente: 8 Figura 4. Ciclo de refrigeración, “www.geoprodesing.com.” 1. El líquido anticongelante que circula por las sondas de captación de calor, entra caliente en el suelo, enfriándose al entrar en contacto con el terreno que esta a menor temperatura. 2. El fluido de las sondas de captación de calor se utiliza a continuación para enfriar el líquido refrigerante que circula por el condensador de la bomba de calor. El líquido refrigerante se encuentra en fase de vapor a alta presión y a alta temperatura a la entrada del condensador, cede calor al fluido que circula por las sondas de captación, de tal forma que se enfría y se condensa. 8 José Fernández Seara, área de maquinas y motores térmicos, Universidad de Vigo 2.010.

48. 30 3. El líquido refrigerante pasa a continuación por la válvula de expansión donde se baja la presión. Esta pérdida de presión lleva consigo una bajada de temperatura del fluido refrigerante. 4. El fluido refrigerante frio pasa ahora por el evaporador de la bomba de calor, que también es un intercambiador de calor. 5. El líquido refrigerante frio que circula ahora por el evaporador, va captando el calor del agua que va circulando por circuitos de tuberías en el techo o por circuitos de tuberías a través de suelo radiante, eliminando así el calor sobrante de las instalaciones que se desean refrigerar. En este proceso, el fluido refrigerante se calienta y se evapora. 6. El fluido refrigerante entra entonces al compresor en forma de gas, donde se aumenta su presión. Este aumento de presión del vapor refrigerante lleva consigo un aumento de temperatura, para entrar nuevamente al condensador, repitiéndose así el ciclo. 2.5.3. Componentes de una bomba de calor y su funcionamiento 2.5.3.1. Compresor El compresor aspira los gases que se han producido en el evaporador, aumentando su temperatura, y descargándola a alta presión al condensador. Para conseguir el aumento de temperatura y presión requerida, es necesario suministrar energía eléctrica al compresor. Habitualmente este aumento de presión y temperatura se realiza por compresión mecánica, consiguiendo así una reducción en su volumen y un aumento de temperatura. El compresor es el responsable de la circulación del fluido en todo el ciclo9 . 9 www.caurium.com

49. 31 Figura 5. Funcionamiento del compresor, “www.caurium.com.” Una característica importante de los compresores es el llamado índice de compresión, que es una relación entre las presiones de aspiración y descarga. 9 IC = Paspiración / Pdescarga (Ec.3) Teóricamente, la potencia que es necesario suministrar al compresor, será la diferencia de las entalpias del fluido en la aspiración y descarga, teniendo en cuenta las pérdidas que se producen, la potencia deberá ser mayor. Figura 6. Compresor, “www.caurium.com.”

50. 32 2.5.3.2. Condensador El gas comprimido y recalentado es expulsado hacia el condensador, en donde este gas desprende calor, se satura, y se condensa, hasta la total licuefacción. El condensador es un intercambiador de calor entre el fluido refrigerante y otro fluido, o a veces al aire, al cual le transfiere calor9 . Figura 7. Funcionamiento del condensador, “www.caurium.com.” Los condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que incrementan la transmisión de calor. El principal elemento del condensador es el serpentín de transferencia de calor el cual generalmente esta fabricado en cobre o titanio, es recomendable para aguas duras como la de Santiago.

51. 33 Figura 8. Serpentín de transferencia de calor, “www.caurium.com.” 2.5.3.3. Válvula de expansión o expansor La válvula de expansión tiene la función de recibir al líquido refrigerante, con una temperatura y presión elevada procedente del condensador. Esta válvula expande al líquido refrigerante reduciendo su presión y temperatura, para que este en óptimas condiciones antes de ingresar al evaporador9 . Figura 9. Funcionamiento de la válvula de expansión, “www.caurium.com.”

52. 34 Figura 10. Válvula de expansión, “www.caurium.com.” 2.5.3.4. Evaporador El evaporador es un intercambiador de calor, su función es convertir el líquido refrigerante que circula por el, en una gas a baja temperatura, para esto disponen de una serie de tubos por los que circula el fluido refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos. Los evaporadores también pueden estar instalados en el interior de la casa y estos disponen de unos ventiladores, donde fuerzan la corriente de aire desde el exterior, estos pueden ser axiales o centrífugos, los centrífugos son capaces de impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros9 . Figura 11. Funcionamiento del evaporador, “www.caurium.com.”

53. 35 Cuando la temperatura en la superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo del punto de roció del aire se produce el fenómeno de condensación y si se reduce a un más la temperatura se produce el escarchado, el escarchado influye negativamente en el rendimiento del evaporador, ya que provoca pérdida en la superficie de intercambio, y pérdida de carga en el flujo de aire a través del conjunto de tubos. Por estas razones las bombas de calor disponen de dispositivos de descarche incorporando resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante periodos reducidos de tiempo. Figura 12. Evaporador, “www.caurium.com.” 2.5.3.5. Fluido refrigerante de la bomba de calor Un refrigerante es un producto químico fácilmente licuable, es utilizado como medio de transmisor de calor en la bomba, absorbe calor a bajas presiones y temperaturas y lo cede a presiones y temperaturas elevadas, este proceso tiene lugar debido a los cambios de estado del fluido. Los fluidos refrigerantes deben tener, en el mayor grado posible, las siguientes cualidades3 : º Calor latente de vaporización. Debe ser alto, para conseguir el máximo de energía de intercambio, necesitando menor cantidad de refrigerante en el proceso.

54. 36 º Punto de ebullición. Será siempre menor que la temperatura que se pretende conseguir. º Temperatura y presiones de condensación. Deberán ser bajas para que se pueda condensar a temperaturas y presiones normales. º Anticorrosivo. No deben a tacar a los metales de la maquina. º Respetuoso con el medio ambiente. º No tóxicos. º No deben ser inflamables ni explosivos. 2.5.3.6. Líquido anticongelante o salmuera El líquido de salmuera es el que capta el calor del terreno y lo transfiere al sistema interno de la bomba de calor, proceso descrito anteriormente. El líquido de salmuera esta compuesto por agua y anticongelante en base a monoetilenoglicol, con el fin de evitar daños por congelación en el evaporador de la bomba de calor. Se requiere una protección contra heladas de -14º C hasta -18º C, con una concentración de anticongelante entre 25 a 30% como máximo. En la tabla 2 se puede observar el volumen total de salmuera y la cantidad de anticongelante, por cada 100 m de tubos de polietileno (PE)3 . Estas tuberías se comercializan en Chile a través de la Empresa Tigre Chile S.A., con dirección Comercial en Av. La Montaña 754, Barrio Industrial Los Libertadores, Colina, y el valor de estas por metro lineal es de alrededor de $ 1.900.

55. 37 Tabla 2. Volumen total de salmuera y cantidad de anticongelante por cada 100 m de tubos, para diferentes tubos de P.E. con protección contra heladas hasta -14º C, “Guillermo Llopis Angulo, Guía técnica de la energía geotérmica, comunidad de Madrid 2.008.” Tubo Volumen Anticongelante Caudal DIN 8074 Líq. Salmuera por Máx. de (PN 12,5) por cada 100 m cada 100 m salmuera Diámetro x Espesor [mm] [l] [l] [l/h] 25 x 2,3 32,7 8,2 1.100 32 x 2,9 53,1 13,3 1.800 40 x 3,7 83,5 20,9 2.900 50 x 4,6 130,7 32,7 4.700 63 x 5,8 207,5 51,9 7.200 75 x 6,9 294,2 73,6 10.800 90 x 8,2 425,5 106,4 15.500 110 x 10 636 159 23.400 125 x 11,4 820 205 29.500 140 x 12,7 1.031 258 40.000 160 x 12,7 1.344 336 50.000 º Pérdida de presión relativa La pérdida de presión de la salmuera varía en función de la temperatura y de la relación de la mezcla. La pérdida de presión aumenta cuando baja la temperatura y aumenta el porcentaje de monoetilenoglicol.

56. 38 Gráfico 5. Pérdida de presión de la salmuera, en función de la concentración de anticongelante, “Guillermo Llopis Angulo, Guía técnica de la energía geotérmica, comunidad de Madrid 2.008.” º Falta de líquido de salmuera y fuga A fin de detectar una posible falta de líquido o una fuga en el circuito de salmuera o para cumplir con las disposiciones pertinentes, se puede instalar en el circuito de salmuera un “Presostato (interruptor de presión) de baja presión de salmuera”. En caso de una pérdida de presión, este transmite una señal al controlador de la bomba de calor, el cual es indicado en la pantalla de esta.10 2.6. Investigación de recursos a muy baja temperatura La energía geotérmica, como ya ha sido mencionado; se le puede dar ciertas utilidades dependiendo de la temperatura que exista bajo la tierra, los recursos a muy baja temperatura reúnen dos características que los diferencian del resto. La primera es que se trata de un recurso energético que esta debajo de cualquier terreno, de cualquier lugar 10 www.tecnoclimaspa.com

57. 39 habitado del planeta, próximo a la superficie. La segunda, que su posibilidad de aprovechamiento esta sometida al uso forzoso de bombas de calor geotérmicas. Gracias a estas dos circunstancias, son los recursos que mejor se adaptan a las necesidades de climatización de viviendas unifamiliares y de edificios de pequeñas a grandes dimensiones. Más que investigar la forma de localizar el recurso que, al fin y al cabo, ya se sabe que está bajo el terreno, a poca profundidad y en espera de ser extraído, lo que se investiga cual es la mejor forma de explotarlo, para satisfacer la demanda energética que se necesita en una vivienda, y así mantener el confort térmico de esta3 . Los estudios previos necesarios para poder aprovechar el recurso podrán ser muy simples o muy complejos, dependiendo de la potencia que se tenga que suministrar, del tipo de instalación que tenga que extraerlo, de las horas del funcionamiento anual y de la modalidad de la demanda (calefacción y/o refrigeración, y producción de agua caliente sanitaria). La captación de la energía geotérmica a muy baja temperatura se puede realizar a través de: º Colectores horizontales enterrados. º Sondas geotérmicas verticales. Antes de revisar estos dos tipos de captación de energía geotérmica, se verán dos tipos de circuitos externos de tubería, que se utilizan para la captación de la energía geotérmica. 2.7. Circuitos de captación de energía geotérmica Como ya se ha visto para poder captar el calor del subsuelo se requiere de un sistema externo de tuberías, el cual se encuentra enterrado fuera de la vivienda a climatizar, estos circuitos externos de tubería pueden ser cerrados o abiertos.

58. 40 Un sistema abierto, se caracteriza por aprovechar el calor retenido en una masa de agua subterránea, y un sistema cerrado se caracteriza por recoger el calor de la tierra, por medio de un conjunto de tuberías que conforman un circuito cerrado, por el cual circula un fluido. A continuación se explicaran ambos circuitos externos de tuberías, pero se hará mayor énfasis en el sistema cerrado, ya que este es el que se utilizará en el presente estudio, y además es el más común, porque rara vez se cuenta con un lago o arroyo cercano para utilizarlo como circuito abierto. 2.7.1. Circuito abierto Un sistema de circuito abierto utiliza una fuente de agua subterránea como fuente de calor. El agua subterránea, es bombeada a la unidad de la bomba de calor, donde el calor es extraído, posteriormente el agua es liberada en un arroyo, zanja, río o lago, esto también es conocido como método de descarga abierta. Otra manera de liberar el agua utilizada, es a través de un pozo de reinyección, este tipo de sistema cuenta con un segundo pozo, el cual se encarga de devolver el agua o refrigerante de desecho al terreno, una reinyección debe tener la capacidad suficiente para disponer de toda el agua que pasa a través de la bomba de calor11 . Una aplicación de circuito abierto en condiciones ideales, puede ser el tipo de sistema geotérmico más económico, pero una mala calidad del agua puede causar problemas graves en los sistemas abiertos, así por ejemplo no es recomendable usar el agua de un manantial, rio, estanque, o de un lago como fuente de sistema de calor, a menos que se haya demostrado que este libre de excesos de partículas y compuestos orgánicos, y a la ves que se demuestre que esta lo bastante caliente durante todo el año. 11 David Banks, “Estudio de la utilización de sistemas geotérmicos, del tipo tierra / aire, para el acondicionamiento de espacios habitados en el Salvador”, Universidad Centro Americana, 2.008.

59. 41 Figura 13. Circuito abierto, utilización de una fuente de agua subterránea como propulsora de calor, “David Banks, estudio de la utilización de sistemas geotérmicos, del tipo tierra / aire, para el acondicionamiento de espacios habitados en el Salvador, Universidad Centro Americana, 2.008.” 2.7.2. Circuito cerrado Un sistema cerrado es el que extrae el calor de la tierra, utilizando un circuito continuo y cerrado de tubería. Las tuberías pueden ir enterradas en forma horizontal o vertical. Un circuito cerrado con captadores verticales, es una elección apropiada para la mayoría de los hogares y usos comerciales, donde el espacio es limitado, en cambio un circuito cerrado con captadores horizontales, es más común en las zonas rurales o en lugares donde el espacio de la propiedad es grande, como por ejemplo; en parcelas o casas con patios muy grandes.

60. 42 Los circuitos cerrados se pueden clasificar en dos tipos dependiendo del tipo de circulación del fluido, estos son sistemas con circulación directa y sistema con circulación indirecta, se prefiere un sistema con circulación indirecta ya que son más seguros. A continuación se explicaran ambos métodos11 . 2.7.2.1 Circulación directa del fluido refrigerante En este sistema no existe el líquido anticongelante, solo existe la circulación del fluido refrigerante y la tierra actúa como el evaporador de la bomba de calor, ya que esta se encuentra trabajando en modo de calefacción, el refrigerante frio proveniente de la bomba de calor entra en la tuberías enterradas absorbiendo el calor de la tierra, donde se evapora y retorna al compresor de la bomba de calor, donde se eleva su temperatura. La ventaja de este sistema es que se intercambia calor en forma directa, entre el refrigerante y la tierra, no necesita de un fluido anticongelante como medio de intercambiador de calor, lo que significa, que no se pierde cierta cantidad de calor por el uso de circuitos intermedios, lo cual beneficia el desempeño de la bomba de calor. La gran desventaja de este tipo de sistema, es que al estar el líquido refrigerante directamente en contacto con la tierra y además, si las tuberías que transportan este refrigerante llegan a ser de cobre, existe un gran peligro de que ocurra un impacto ambiental negativo, en el caso de que dicho líquido se escape, esto podría ocurrir por ejemplo en el caso de deterioro de una tubería o de oxidación de esta con el tiempo, o también por el colapso de las tuberías debido a temblores, por esto se recomienda utilizar tuberías de polietileno (PE) de alta y media densidad (M.D.P.E. y H.D.P.E.), he inclusive utilizando tuberías de PE para un circuito cerrado con circulación directa de fluido, no se recomienda que el líquido refrigerante entre en contacto con la tierra, por lo que se prefiere un sistema con circulación indirecta de fluido11 .

61. 43 Figura 14. Circulación directa del fluido refrigerante en un circuito cerrado, “www.tecnoclimaspa.com.” 2.7.2.2. Circulación indirecta del fluido refrigerante Debido al impacto ambiental negativo que puede provocar la circulación directa del líquido refrigerante, hoy en día se prefiere utilizar un sistema con circulación indirecta de fluido, de esta manera se evita que el refrigerante entre en contacto directo con la tierra. Para evitar este contacto se utiliza un líquido anticongelante, que es el que absorbe o cede calor a la tierra dependiendo de las necesidades de los habitantes de la vivienda, y lo transfiere al circuito interno de la bomba de calor, y al igual que el sistema con circulación directa de fluido refrigerante, las tuberías pueden ir enterradas en forma horizontal o vertical. En cuanto al material de las tuberías, en un principio se empezó utilizando cobre, pero al notar que esto no era practico, debido a que se deterioran rápidamente y a veces reaccionan con la tierra, hoy se prefiere utilizar tuberías de polietileno, como ya se había explicado anteriormente. Dicho material tiene una conductividad térmica menor que la del cobre, pero siempre es considerablemente alta si se compara con otros tipos de materiales, además a diferencia del cobre esta no reacciona con la tierra, es resistente y durable11 .

62. 44 Figura 15. Circulación indirecta del líquido refrigerante, “David Banks, estudio de la utilización de sistemas geotérmicos, del tipo tierra / aire, para el acondicionamiento de espacios habitados en el Salvador, Universidad Centro Americana, 2.008.” Como se dijo anteriormente un sistema cerrado esta compuesto por un circuito interno y cerrado de tuberías, las que pueden ir enterradas en forma horizontal o vertical, dependiendo del espacio y de las demandas energéticas de la vivienda, a continuación se explicará en que consiste cada uno de estos arreglos geométricos, y también se dará a conocer la información necesaria a la hora de inclinarse por alguno de ellos, y proceder a su fase de dimensionamiento, pero antes de esto se mencionaran las características principales que hay que tener en cuenta con respecto a las tuberías de diseño para ambos tipos de arreglos. 2.7.2.3. Tuberías de diseño Como ya se mencionó, el material ideal para las tuberías de captación de energía geotérmica serían las de cobre, pero estas no son tan resistentes y además de corroerse rápidamente son muy caras, por estas razones casi ya no se utilizan, hoy en día se prefiere utilizar tuberías de polipropileno (PP) y polietileno (PE). El polipropileno es similar al

63. 45 polietileno, pero son tuberías más duras y no tan flexibles, no soportan temperaturas muy bajas si no más bien altas, por estas razones las tuberías más indicadas para la captación de energía geotérmica son las de PE de media y alta densidad, estas tuberías se comercializan en Chile a través de la Empresa Tigre Chile S.A., con dirección Comercial en Av. La Montaña 754, Barrio Industrial Los Libertadores, Colina, y el valor de estas por metro lineal es de alrededor de $ 1.900. A continuación en la tabla 3 su muestran diferentes tipos de tuberías que se pueden utilizar para este sistema, con su respectiva conductividad térmica. Tabla 3. Conductividad térmica de tuberías, para un sistema geotérmico, “Guillermo Llopis Angulo, guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” Material Conductividad térmica λ (W/K-m) Polietileno de alta densidad 0.45 Polietileno genérico 0.42 Polietileno de media densidad 0.4 Polipropileno 0.22 Polibutileno 0.22 Acero 16-54 Cobre 390-401 º Flujo de trabajo El flujo de trabajo del líquido anticongelante en las tuberías enterradas, tanto para un sistema vertical como horizontal, debe ser turbulento, de esta manera se asegura que la transferencia de calor de la tierra, hacia la pared de la tubería y luego esta al fluido, es más eficiente. Para poder calcular el flujo requerido dentro del intercambiador de calor (tuberías) se considera que el punto crítico, en el cual el fluido pasa de ser laminar a turbulento, es alrededor de un número de Reynolds (Re) mayor a 4.000 (Re > 4.000), considerando esto, la formula para calcular el flujo de circulación necesario a una temperatura de operación mínima, es la siguiente: 11

64. 46 Re = (Ec.4) Donde: Re = Numero de Reynolds. = Velocidad (m/s). = Diametro hidráulico equivalente. = Viscocidad cinematica del agua ( /s). El flujo de circulación para este tipo de sistema es aproximadamente entre 3 – 3.5 l/min., por KW instalado. En la siguiente tabla se puede apreciar una lista para el agua y soluciones de anticongelantes con su respectiva viscosidad y densidad a diferentes temperaturas. Tabla 4. Propiedades del agua y soluciones anticongelantes, a diferentes temperaturas, “Guillermo Llopis Angulo, guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” Punto de congelación Viscosidad Densidad (⁰ C) Kg/m*s Kg/ Agua a 5⁰ C 0 0,00152 1.000 Agua a 10⁰ C 0 0,001308 999,8 Agua a 15⁰ C 0 0,001139 999,2 Agua a 20⁰ C 0 0,001003 998,3 Agua a 25⁰ C 0 0,000891 997,2 Agua a 30⁰ C 0 0,000798 995,8 Agua a 35⁰ C 0 0,00072 994,1 30.5 % Glicol de etileno a 0 ⁰ C -15 0,00438 1.046 32.9 % Glicol de propileno a 0 ⁰ C -15 0,00812 1.034 24.4 % Etanol a 0 ⁰ C -15 0,00585 972 19.9% Metanol a 0 ⁰ C -15 0,00326 973 18.8% Cloruro de sodio a 0 ⁰ C -15 0,00257 1.146 24% Acetato de potasio a 0 ⁰ C -15 0,00336 1.130

65. 47 2.7.2.4. Colectores horizontales geotérmicos En el caso de los colectores horizontales enterrados, el área de terreno que se necesitará es considerablemente mayor, que la requerida para un arreglo del tipo vertical, por lo que los arreglos horizontales se recomiendan para zonas donde existe espacio suficiente para su instalación y donde el requerimiento térmico de la vivienda no sea demasiado alto. Para este tipo de sistema se suelen construir zanjas con una profundidad entre 1.2 – 2.0 m, ya que a esta distancia3 ; º Las tuberías se encuentran aislada de las fluctuaciones diurnas de temperatura. º En regiones donde poseen inviernos muy marcados, existe la posibilidad de que se formen capas de hielo en la superficie y afecten el desempeño del sistema, a esta profundidad el circuito de tuberías no se vería afectado por las heladas. º Superficie de colector y longitud de tubería La superficie necesaria para instalar un colector geotérmico horizontal depende de los siguientes factores3 : º Potencia frigorífica de la bomba de calor. º Tipo de suelo, contenido de humedad de la tierra y zona climática. º Duración máxima del periodo de heladas. º En zonas montañosas a mediana altura a partir de aproximadamente 900 m a 1.000 m sobre el nivel del mar las potencias de extracción son muy reducidas, por ello no se recomienda el uso de colectores geotérmicos.

66. 48 º Tipos de colectores horizontales Existe un sin numero de posibilidades para la construcción de colectores horizontales, el único requisito es que en caso de que sea necesario utilizar, más de un arreglo geométrico de un mismo tipo, exista una distancia de por lo menos un metro entre zanjas continuas. Los tipos de arreglos geométricos horizontales más utilizados se muestran en la figuras 16 y 17. Figura 16. Colector horizontal, con tuberías individuales, “www.ostargi.biz.” Para un sistema de colector horizontal con tuberías individuales, la distancia de estas debe ser de al menos de 0,6-0,8 metros. Para un arreglo de tuberías enrolladas en una misma excavación (fig.17), los diámetros de los espirales varían entre 1,5-1,8 metros.

67. 49 Figura 17. Colector horizontal, con tuberías enrolladas en una misma excavación, “Guillermo Llopis Angulo, guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” Nota: Una vez ya puesto en marcha este tipo de sistema, no se deberá edificar por encima de los colectores geotérmicos, tampoco admitirá alguna planta con raíces profundas o con ramificaciones en profundidad. También supondrá una dificultad para cualquier servicio añadido posterior que deba atravesar el subsuelo (redes telefónicas, TV por cable, desagües, etc.). Sin embargo la serie de ventajas que supone son de gran interés, el costo es mucho menor comparado con un sistema de sondas verticales geotérmicas, el mantenimiento de la red de captadores es, prácticamente nulo, y el sistema es limpio y ecológico. 2.7.2.5. Sondas geotérmicas verticales. Si la capa de suelo no tiene espesor suficiente, si la superficie disponible para enterrar los colectores horizontales es insuficiente, si existen canalizaciones en el subsuelo, o si la demanda energética es mayor que la que pueden proporcionar los colectores horizontales, siempre se podrán utilizar colectores de calor en posición vertical, en el interior de uno o

68. 50 varios sondeos, con profundidades que pueden ir desde cerca de 20 m hasta más de 100 m, y diámetros de perforación de tan solo 10 a 15 cm. Estos dispositivos reciben el nombre de sondas geotérmicas verticales3 . º Instalaciones verticales Los arreglos geométricos de las sondas geotérmicas, están conformados por tubos en forma de U, donde una tubería es la de suministro y la otra es de retorno, para el fluido anticongelante. Dichas tuberías en forma de U, pueden ir directamente en una perforación hecha en la tierra (hoyo abierto), o dentro de un tubo de acero e incluso de plástico, las cuales se utilizan para el entubado de los sondeos, figura 18. Figura 18. Instalación de una sonda geotérmica, en forma de U, “Guillermo Llopis Angulo, guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” Es importante asegurarse que la tubería de suministro y la tubería de retorno, no entren en contacto a lo largo de todo su recorrido, para así minimizar la interferencia térmica entre ellas, lo cual se logra colocando separadores al comienzo de ellas, conocidos como shanks. Además cada perforación debe estar recubierta casi siempre de un material especial,

69. 51 conocido como grout, a fin de evitar contaminación a la tierra ocasionados por ejemplo, por alguna ruptura de una de las tuberías, y más que todo para proteger al sistema del contacto directo con la tierra y así evitar posibles deterioros al sistema, dicho material, grout, debe poseer características principales como; alta conductividad térmica (para asegurar una correcta transferencia de calor, de la tierra a la tubería), y una baja conductividad hidráulica / alta permeabilidad (con el objetivo de evitar posibles contaminaciones, tanto de la tierra para el sistema, como viceversa). Para una perforación, las tuberías en forma de U son introducidas en todo el largo de esta, donde los diámetros de dicha tubería, oscilan entre 32-40 mm aproximadamente, y para esta misma perforación la separación entre estas tuberías es de 50-60 mm en promedio, por lo que el diámetro de la perforación entera, varía entre 125-130 mm generalmente3 . Nota: Hay veces que puede existir algún nivel freático a poca profundidad, bien por la presencia de aguas someras procedentes de filtraciones pluviométricas, la existencia de esta aumenta notablemente la capacidad de transmitir calor geotérmico, incrementando el rendimiento de la bomba de calor, por ello en el caso de que no haya presencia de agua en el sondeo, un relleno de gravas o arenas permeables es lo más aconsejable para aumentar la conductividad térmica o algún material de similares características también puede ser empleado. Si se requieren varias sondas, estas no se deben disponer paralelamente sino perpendicularmente a la dirección que fluya el agua subterránea, (Véase en la fig. 19).

70. 52 Figura 19. Disposición y distancia mínima de sondas, en presencia de agua subterránea, “Guillermo Llopis Angulo, guía técnica de la energía geotérmica, Comunidad de Madrid 2.008.” 2.8. Software C.C.T.E. V2.0. Uno de los software a utilizar en el presente proyecto es el C.C.T.E. V2.0. “Certificación de Comportamiento Térmico de Edificios” en su versión 2.0, este es un instrumento actualizado y completo que permite junto con acreditar el cumplimiento de la Reglamentación Térmica vigente (art. 4.1.10. O.G.U.C.), estimar el nivel de demanda y consumo energético en calefacción y refrigeración para las viviendas en Chile. A través de este programa también podemos obtener fácilmente la transmitancia y resistencia térmica de muros perimetrales, complejo de techumbre y piso ventilado, gracias a su base de datos, donde gráficamente nos muestra la composición del elemento constructivo, con esto podemos obtener información objetiva con respecto al comportamiento térmico de la vivienda. Cabe destacar que la utilización del software en este proyecto, se utilizará para calcular la transmitancia térmica de los materiales, para así poder calcular el requerimiento térmico de la vivienda a través de la envolvente de esta. El programa fue desarrollado entre la Universidad de Sevilla y la Pontificia Universidad Católica de Chile, a través de un conjunto de datos como; materiales, sistemas

2012 02-gonzalez

Jaime Arriagada

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