A HOME GEOTHERMAL SYSTEM

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Cameron Lee
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1 Summary A HOME GEOTHERMAL SYSTEM Author: Burgos González, Pablo Project manager: Montes Ponce de León, Julio Collaborating institution: ICAI Universidad Pontificia Comillas SUMMARY OF THE PROJECT This project explains the design and costs of a low enthalpy geothermal installation which satisfies the need for heating and cooling and domestic hot water of a singlefamily home situated in Conil de la Frontera, province of Cádiz. Also, this paper contains an economic analysis to make a comparative study about its profitability compared with other heating, cooling and DHT systems. Geothermal system is used for transmitting the energy, stored as heat in the underground, to the home, when it is necessary heating, or, on the contrary, transmitting the heat of the home to the underground to cool the home. The earth has the characteristic of maintaining the underground temperature almost constant throughout the day and it is fundamental for the efficiency of a geothermal system, specifically for its main element, the geothermal heat pump. The first part of the project consists of evaluating the need for energy of this particular home, taking into account its geographical situation, its distribution, the geology of the ground, the climatic conditions of the area, some pre-established conditions of comfort and the construction materials. It is a home of 535m 2 located in a plot of 1500 m 2. The total area to cover is 260 m2 distributed in two floors. After taking into account all these characteristics and the distribution of the home, the need for energy are: Necessary heating power: 4.95 kw. Necessary cooling power: 3.56 kw. Maximum DHW consumption: 384 l/day. Having the need for energy, the installation is designed for the winter because the energy demand is higher. The first choice is the heat pump because the other elements depend on the characteristic of the heat pump. Pablo Burgos González 1

2 Summary The chosen heat pump is the model ecogeo C kw of Ecoforest. It has been chosen because it satisfies the energy demand for heating since its power rating varies between 3 and 12 kw depending on the revolutions per minute. It has a COP (Coefficient of Performance) of 4.5, therefore it provides the geothermal system with great efficiency which means energy and cost saving. It is necessary to emphasize that the heat pump has an active cooling system that allows to transfer heat to the home when the home needs heating and, in reverse, to transfer heat from the home to the underground when the home needs cooling. It also has a 170- litre water tank for the domestic hot water, so the extra water tank will be smaller and it means a great saving in the initial investment. The next step, after know the power rating interval and the COP, is to design the closedcircuit exchangers which take and use geothermal energy in the form of heat stored in the underground. This exchange will be made through pipes which transport the fluid. Thanks to the difference of temperatures between the underground and the fluid, the exchange is possible. It has been chosen a horizontal geothermal system because there is enough space for the installation and the need for energy is short. For an optimal design of the pipes, it is necessary to know the extraction capability of the underground which depends on the geological conditions of the ground. The two-meter-deep land is made up of clayey sand with traces of fine gravel. After know the power of the evaporator and the extraction capability of the underground, the horizontal geothermal system will be: The total surface of exchange is 121m 2, distributed in two circuits with 86-metre horizontal coils. The separation between coils is 0.7 m. The exchanger are made of cross-linked polyethylene PEX-a and its measures are 25 x 2.3 mm. The next step is to satisfy the demand of DHW. As said before, the maximum consumption of DHW corresponds to August and is 384 l/day. The heat pump contains a 170-litre tank, so it will be necessary to use an extra tank to meet the demand. The chosen water tank is the model ecogeo T-DW300 of Ecoforest,as well as the heat pump. This water tank has a 300-litre capacity, so it satisfies the DHW demand. Regarding to the heat exchanger system to the home, it has been chosen underfloor heating because of its uniform distribution of temperatures, the great energy saving and because the installation is under the floor, so it does not take up surface of the home. The distribution of underfloor heating consists of two radial circuits in each floor. Pablo Burgos González 2

3 Summary The cooling system contains eight high wall fan coil units, four of them for each floor, distributed between the bedrooms and living rooms. These fan coils are the chosen because the heat is distributed from the top to the ground. The model is FTXS25J2 of Daikin because it satisfies easily the cooling demand, having a rating power of 2.5 kw and a COP of This achieves great energy and economic saving. Once all elements are chosen, the initial investment and the annual costs are estimated and the geothermal system will be compared with other heating, cooling and DHW systems to evaluate the profitability of the geothermal system Initial investment Geothermal heat pump air-to-water heat pump electric system natural gas gas-oil propane 0 Graph 1: comparative of initial investment of the different heating/cooling systems. Fan coil units have been used for cooling in all systems, whereas for heating are been used different systems. For the air-to-water heat pump was used underfloor heating and for the rest of systems, radiators with gas or electric boilers. Pablo Burgos González 3

4 Summary Comparative of annual costs Propane Gas-oil Natural gas Electric system Air-to-water heat pump Geothermal heat pump 648 Graph 2: comparative of annual costs. The graph above shows the cost saving of using a geothermal system. The second lowest cost corresponds to the air-to-water heat pump. It costs almost twice as much as the geothermal system. The low annual cost is due to the excellent COP of the heat pump and because the geothermal energy creates a heat reservoir with a constant temperature in the underground, maintaining a constant COP throughout the year. Although the initial investment is higher for a geothermal system (it decreases with the subsidies), the maximum period for money recovery is 11 years compared with an airto-water heat pump (without having into account the subsidies). To conclude, it is an initial investment very profitable because of the low annual costs. Geothermal energy is clean, because it does not produce CO 2 emissions; it is efficient, because of the capacity of the underground to maintain a constant temperature throughout the year; it is continuous, because it can be used at any time of the day since it does not depends on the climatic conditions as wind and solar energy; and it is a global energy because it can be used in any part of the world. So, the geothermal heating, cooling and DHW system is the most profitable for homes with similar conditions as the studied. And also if it is used a high-quality exchanger circuit as underfloor heating and fan coils, the results are cost and energy saving and an optimal level of comfort. Pablo Burgos González 4

5 Resumen ACONDICIONAMIENTO GEOTÉRMICO DE UNA VIVIENDA Autor: Burgos González, Pablo. Director: Montes Ponce de León, Julio. Entidad Colaboradora: ICAI- Universidad Pontificia de Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO En el presente proyecto se va a realizar el diseño y el cálculo de una instalación geotérmica de baja entalpía para satisfacer las necesidades energéticas de climatización (calefacción y refrigeración) y para la producción de agua caliente sanitaria de una vivienda unifamiliar situada en el municipio de Conil de la Frontera, Cádiz. Así mismo se realizará el correspondiente análisis económico para hacer un estudio comparativo de su rentabilidad frente a otros sistemas de climatización y producción de ACS. El acondicionamiento geotérmico consiste en transmitir la energía almacenada en forma de calor en el subsuelo a la vivienda, cuando sea necesario un aporte de calor (calefacción) o, por el contrario, cediendo el calor existente en el interior de la vivienda al subsuelo, consiguiendo la refrigeración de la vivienda. La característica que tiene la Tierra de mantener una temperatura en el subsuelo prácticamente constante a lo largo del día es fundamental para la eficiencia de la instalación geotérmica, concretamente de su elemento principal, la bomba de calor geotérmica. La primera parte del proyecto consiste en evaluar las necesidades energéticas de la vivienda en cuestión, teniendo en cuenta su situación geográfica, su distribución, las características geológicas del terreno, las condiciones climatológicas de la zona, unas condiciones de confort preestablecidas y los materiales de construcción. Se trata de una vivienda de 535 m 2 útiles ubicada en una parcela de 1500 m 2. La superficie total a climatizar es de 260 m 2 distribuidos en 2 plantas. Teniendo en cuenta todas las características mencionadas anteriormente y la distribución de la vivienda se han obtenido las siguientes necesidades energéticas: Potencia necesaria de calefacción: 4,95 kw. Potencia necesaria de refrigeración: 3,56 kw. Consumo máximo de ACS: 384 l/día. Una vez conocidas las necesidades energéticas, se va a diseñar la instalación para el periodo invernal debido a que tiene una demanda energética mayor. El primer elemento que se elige es la bomba de calor ya que los demás elementos de la instalación dependen directamente de las características de la bomba de calor. Pablo Burgos González 1

6 Resumen La bomba de calor seleccionada es el modelo ecogeo C kw de la marca Ecoforest. Se ha seleccionado porque cumple con la demanda energética de calefacción, ya que su potencia nominal varía entre 3 y 12 kw dependiendo del régimen de giro, y presenta un COP (Coeficiente de operación) de 4,5, por lo tanto va a dotar a la instalación geotérmica de una gran eficiencia y va a suponer unos grandes ahorros tanto energéticos como económicos. Hay que destacar que la bomba de calor geotérmica tiene un sistema de refrigeración activo que permite ceder calor a la casa cuando se requiere calefacción y, por otro lado, ceder el calor del interior de la vivienda al subsuelo para conseguir el confort necesario que se requiere durante la refrigeración. También incluye un acumulador de 170 litros para el agua caliente sanitaria, por lo que el acumulador adicional será de menor capacidad y supondrá un importante ahorro en la inversión inicial. El siguiente paso una vez conocido el rango de potencias nominales y el COP consistirá en diseñar el circuito de captación encargado del aprovechamiento de la energía geotérmica en forma de calor almacenada en el subsuelo. Dicho intercambio se realizará por medio de colectores encargados de transportar un fluido que, debido a la diferencia de temperaturas entre el subsuelo y dicho fluido se conseguirá el intercambio deseado. Se ha optado por la instalación de un sistema de captación horizontal debido a que se dispone de la superficie necesaria para su instalación y porque las necesidades energéticas son pequeñas. Para el dimensionamiento de los colectores será necesario conocer la capacidad de extracción del subsuelo que va a depender de las condiciones geológicas del terreno. El terreno a una profundidad de 2 metros está compuesto por arenas arcillosas con indicios de grava fina. Conocida la potencia del evaporador y la capacidad de extracción del subsuelo, el circuito de captación horizontal quedaría de la siguiente forma: La superficie total de intercambio es de 121m 2, distribuidos en dos circuitos en forma de espiral con una longitud de colectores de 86 metros cada uno con una separación entre colectores de 0,7 m. Los colectores empleados son de polietileno reticulado a alta presión (PEX-a) con unas dimensiones de tubo de 25 x 2,3 mm. El siguiente paso será cubrir la demanda de ACS sanitaria. Como se indicó anteriormente, el mayor consumo de ACS corresponde al mes de agosto y es de 384 l/día. La bomba de calor seleccionada dispone de un depósito de 170 litros por lo que será necesario emplear un depósito adicional para cubrir con la demanda. Pablo Burgos González 2

7 Resumen El depósito seleccionado corresponde al modelo ecogeo T-DW300 de la misma marca que la bomba de calor elegida, Ecoforest. Este depósito tiene una capacidad de 300 litros, consiguiendo de esta manera satisfacer la demanda de ACS. En cuanto a los sistemas de intercambio de calor con la vivienda, se ha elegido el suelo radiante como sistema de calefacción debido a su distribución uniforme de las temperaturas, los excelentes ahorros energéticos que conlleva y que su instalación se realiza bajo el suelo, evitando ocupar superficie útil de la vivienda. La distribución del suelo radiante consiste en dos circuitos de forma radial en cada planta. El sistema de refrigeración seleccionado se basa en ocho unidades fancoils, cuatro unidades en cada planta distribuidas entre los dormitorios y los salones. Se han elegido fancoils de tipo pared para que el calor se reparta de arriba hacia abajo. Se ha elegido el modelo FTXS25J2 de la marca Daikin ya que cumple de sobra con la demanda energética de refrigeración, siendo la potencia nominal de cada uno de los fancoils de 2,5 kw y teniendo un COP de 4,67, originando por tanto unos grandes ahorros energéticos y económicos. Una vez seleccionados todos los elementos necesarios para la instalación geotérmica, se evalúa el coste de la inversión inicial y los costes anuales de facturación, además se realizarán una serie de comparaciones con otros sistemas de climatización y producción de agua caliente sanitaria para evaluar la rentabilidad de la instalación geotérmica Inversión inicial Bomba de calor geotérmica Bomba de calor aire-agua Sistema eléctrico Gas natural Gasóleo Propano 0 Gráfica 1: Comparativa de la inversión inicial de los diferentes sistemas de climatización. Para todos los sistemas de climatización y producción de ACS se han empleado unidades fancoils para la refrigeración de la vivienda mientras que para la calefacción, se han empleado diferentes elementos según el sistema. Para la bomba de calor aireagua se ha empleado suelo radiante y para los demás sistemas se han empleado radiadores con su correspondiente caldera, ya sea de gas o eléctrica. Pablo Burgos González 3

8 Resumen Comparativa de costes anuales Sistema de propano Sistema de gasóleo Sistema de gas natural Sistema eléctrico Bomba de calor aire-agua Bomba de calor geotérmica 648 Gráfica 2: Comparativa de los costes anuales. En el gráfico anterior se ve claramente el ahorro económico anual que conlleva el empleo de una instalación geotérmica, mientras que el segundo coste anual más bajo corresponde a la bomba de calor aire-agua, que es algo menos del doble que el de una instalación geotérmica. Este coste anual tan bajo es debido al excelente COP de la bomba de calor y a la característica de la energía geotérmica que crea un manantial de calor a temperatura constante en el subsuelo manteniendo por tanto un COP constante a lo largo de todo el día. Aunque la inversión inicial es mayor en una instalación geotérmica que en otros sistemas (con las subvenciones se atenúa), el periodo de amortización máximo de dicha inversión es de 11 años en comparación con una instalación mediante bomba de calor aire-agua (sin tener en cuenta las subvenciones). Como conclusión, se trata de una inversión inicial muy rentable debido a los bajos costes anuales de facturación. Es una energía limpia, no produce emisiones de CO 2 directamente, es eficiente, debido a la capacidad del subsuelo de mantener una temperatura prácticamente constante a lo largo de todo el año, es continua, se puede aprovechar todas las horas del día ya que no depende de las condiciones climatológicas como ocurre con la energía eólica o la solar, y es una energía global ya se puede encontrar en cualquier lugar del mundo. Por lo tanto, el sistema de climatización y producción de ACS mediante energía geotérmica es el sistema más rentable para viviendas de condiciones similares a la estudiada y si se añaden unos circuitos de intercambio de calor con la vivienda de calidad, como es el suelo radiante para calefacción y los fancoils para refrigeración, aparte de los ahorros económicos y energéticos ya mencionados, se obtiene un nivel de confort óptimo. Pablo Burgos González 4

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