Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes
Autores
- Javier Llorente, y Sergio Díaz de Garayo, Ingenieros, Centro Nacional de Energías Renovables (CENER)
- Javier Lerga y Álvaro Miranda, Ingeniero y Director de Innovación, MCP Mancomunidad de la Comarca de Pamplona
Resumen
En la búsqueda de nuevas formas de aprovechamiento de la energía, se presenta el trabajo realizado para evaluar de manera teórica el potencial energético para aplicaciones de climatización en las redes de agua en la Mancomunidad de la Comarca de Pamplona. El planteamiento está alineado con la estrategia europea que considera a la hidrotermia, entre otras, como una fuente renovable siempre que el rendimiento medio estacional de la bomba de calor sea superior a un valor límite determinado. El presente trabajo evalúa para la red de abastecimiento y la de saneamiento, dos métodos distintos de aprovechamiento del calor residual, a partir de los datos de caudal y temperatura, así como las características de las tuberías y los colectores por los que circulan.
Introducción
En 2014, la Comisión Europea, CE, fijó los objetivos fundamentales del marco de clima y energía para 2030 (CE, 2014). Para alcanzarlos, la Comisión y los Estados Miembros impulsan medidas como la Directiva 2009/28/CE, sobre el fomento del uso de energía de fuentes renovables, que reconoce a la bomba de calor como parte de la estrategia para incrementar el uso de energías limpias en la Unión Europea en calefacción y refrigeración, siempre que la producción final de energía supere de forma significativa el insumo de energía primaria de la bomba de calor. Para la realización de este cálculo, se publicaron las directrices (Decisión 2013/114/UE) para el cálculo de la energía renovable procedente de las bombas de calor de diferentes tecnologías, entre las que se encuentra la hidrotermia. Actualmente, más del 68% de los españoles (Fomento, 2017) vive en ciudades de más de 50.000 habitantes, por lo que gran parte del consumo de energía en refrigeración y calefacción de viviendas tiene lugar en entornos urbanos. En este contexto, la Mancomunidad de la Comarca de Pamplona, MCP, empresa encargada, entre otros, de la gestión de la red de agua de abastecimiento y de saneamiento, se plantea la realización de un estudio del potencial de aprovechamiento energético del calor residual en sus redes de agua.
Bomba de calor e hidrotermia
La bomba de calor es una máquina térmica que transfiere energía de un foco frío a otro caliente, mediante un aporte reducido de energía eléctrica. En función del ambiente exterior excogido puede hablarse de aerotermia, si se extrae calor del aire, geotermia cuando es del terreno, y finalmente hidrotermia cuando se extrae del agua. El proyecto pretende cubrir la demanda de calefacción y ACS en edificios a partir del calor en las redes de agua urbanas.
Datos de partida: red de abastecimiento y red de saneamiento
En 2016, MCP se encargó del abastecimiento de 30.236.789 m3 de agua potable a una población cercana a 400.000 habitantes que incluye a Pamplona y más de 50 municipios, con un consumo promedio diario por habitante de 207 l (MCP, 2017); controlando una red de tuberías de más de 1.697 km, y una red de colectores superior a 1.792 km. Desempeña una tarea crucial para el correcto desempeño de las actividades propias de un entorno urbano, de manera muy eficiente, ya que el agua consumida no registrada está muy por debajo del promedio nacional. De un tiempo a esta parte, se han incorporado tecnologías informáticas en la gestión de la red integrando toda la red de suministro y abastecimiento en un sistema de información geográfica (GIS); y un sistema de control y adquisición de datos (SCADA) para la correcta gestión en tiempo real de la red.
Combinando ambos sistemas, se obtiene la temperatura horaria de abastecimiento y saneamiento en diversos puntos de la red (en depósitos y puntos de origen del agua para abastecimiento; y en la depuradora de agua residual para saneamiento). Mediante un modelo computacional de la red, se calcula el caudal de agua (Figura 3) que discurre por los distintos tramos de la red en unas condiciones dadas, con resultados similares a otros estudios precedentes (Cipolla, 2014). Según la bibliografía consultada, se seleccionan aquellas tuberías (abastecimiento) con un caudal promedio anual superior a 20 l/s y aquellos colectores (saneamiento) cuyo caudal promedio anual es superior a 15 l/s, garantizando un potencial de aprovechamiento térmico significativo.
Descripción de los intercambiadores propuestos
Para el acondicionamiento del edificio se emplea una bomba de calor agua-agua. En el lado del evaporador (en calefacción), se dispone de un intercambiador de calor que permite la cesión de calor a la bomba de calor. A este intercambiador de calor, le llega una corriente de agua que se calienta por medio de la cesión de calor desde la red de agua (saneamiento o abastecimiento). Este es el foco del cálculo del presente estudio.
Para ello, se parte de soluciones propuestas por Hepbasli, 2014 que propone distintos esquemas de aprovechamiento de energía y Oguzhan, 2015 que indica fabricantes de soluciones específicas. Entre ellos, el fabricante con más recorrido y que ofrece más experiencias es KASAG.
Red de abastecimiento
El agua de red está a unos 4 bar de presión aprox., por lo que el agua ocupa toda la sección del tubo. Es agua de consumo humano, por lo que no debe de haber infiltración de ningún tipo en la red. La propuesta consiste en una solución integrada del intercambiador de calor con la tubería. Para ello, la solución constructiva del fabricante, incluye un compartimento alrededor de la tubería por el que circula el fluido que extrae calor de la red de agua. El fluido circula en tres cámaras alrededor de la tubería, y a lo largo de una longitud de 3 metros va robándole calor al agua de red. Habitualmente, se colocan módulos del intercambior de 3 m de longitud de forma sucesiva, sumando la longitud que provea de la potencia requerida por la aplicación térmica. Esta disposición en paralelo de los distintos módulos permite mejorar el gradiente térmico del intercambio y, por lo tanto, su eficiencia; logrando reducir la longitud total del dispositivo si se compara con un intercambiador longitudinal.
Red de saneamiento
En el caso de la red de saneamiento el fluido no está presurizado, por lo que el movimiento del fluido es por gravedad. En este caso, la sección ocupada del fluido es normalmente inferior a la mitad. Por tanto, no será preciso que el intercambiador de calor se extienda a lo largo de todo el perímetro del colector. Se propone una derivación de la red de saneamiento con un nuevo colector. El intercambiador de calor se sitúa en el tercio inferior del colector. Por tanto, debe calcularse el diámetro de colector tal que el ángulo cubierto sea superior a 120º para asegurar que se aprovecha toda la superficie de intercambio. La longitud de cada tramo de intercambiador es de 3 metros, pudiendo colocarse tantos tramos como sea preciso para conseguir la potencia necesaria. Los tramos funcionan a modo de intercambiadores en paralelo, y la viscosidad en la red de saneamiento se estima 2.5 veces la de abastecimiento (Zhibin, 2014).
Desarrollo del modelo matemático
Básicamente, se trata de la resolución de un problema de transferencia de calor. Se dispone de un fluido a una temperatura, que cede su calor a otro fluido que se encuentra a menor temperatura a través de un intercambiador de calor. Los valores de los coeficientes de transferencia global de calor de los que se dispone son para un diámetro concreto y para unas condiciones de temperaturas y caudales de diseño, que no se corresponden con las condiciones de operación. Para adaptar el cálculo a la situación en la MCP, se realiza el modelo matemático que permita establecer el potencial de aprovechamiento de energía residua. Algunas de las ecuaciones consideradas son:
Siendo U el coeficiente de transferencia térmica; A el área de intercambio; ΔTm la diferencia de temperaturas media logarítmica,;Tc1 la temperatura del fluido caliente a la entrada del intercambiador; Tc2 la temperatura a la salida; Tf1 temperatura del fluido frío en la entrada y Tf2 temperatura a la salida. El coeficiente de transferencia térmica depende de la resistencia que se ofrece al paso del calor. En la figura 4 se identifican las 4 resistencias térmicas principales: el coeficiente de convección en el lado del agua de red, R1; el factor de ensuciamiento debido a la presencia de una película de material depositado en la pared de la tubería, R2; la resistencia de la propia tubería, R3 y finalmente, el coeficiente de convección en el lado del agua que va al circuito de la bomba de calor R4.
En términos del cálculo, se estima que la temperatura del fluido frío a la entrada del intercambiador es 9ºC inferior a la temperatura del fluido caliente a la entrada, con un mínimo de 3ºC.
Resultados
Tomando todas las tuberías y colectores, y para un día tipo de cada mes (caudales y temperaturas característicos) se realiza el cálculo horario de la potencia por metro lineal que puede extraerse en cada tubería y colector. En este primer análisis se prevé el cálculo teórico del potencial de aprovechamiento energético inicial. No se considera el efecto aguas abajo que pueda tener la extracción de calor en un tramo de la red, pero se realizará en futuros trabajos de cara a mejorar la previsión del potencial de aprovechamiento (Toshiaki, 2017).
En la figura 5 se presenta el resultado final del cálculo. En la imagen izda., se presentan los resultados para la red de abastecimiento, en la que cada color identifica un rango de potencia de aprovechamiento térmico lineal diferente, siendo el rojo el rango superior (más de 4.02 kW/m), y verde el inferior (menos de 0.54 kW/m). Se muestran los valores promediados para el mes de Enero, ya que es el mes en el que la potencia promedio es inferior.
Para el caso de la red de saneamiento (imagen dcha), la potencia por metro aprovechable va siendo mayor según los colectores van recogiendo más caudal. Así, la estación depuradora aparecería en el extremo izquierdo de la imagen, al final de la línea de color rojo, ya que es el punto con mayor caudal. Para esta red, si bien la complejidad de la ejecución es muy superior, el potencial nominal es mayor, obteniéndose unos valores máximos superiores.
No puede realizarse una comparación directa entre ambas tecnologías, ya que el problema abordado es distinto. No obstante, se realiza una estimación para un diámetro DN400, determinando el
promedio de la potencia proporcionada tanto para la red de abastecimiento como de saneamiento. El resultado indica que el intercambiador en saneamiento debe ser unas 2.34 veces superior al de abastecimiento para obtener la misma potencia por metro.
Caso a estudio
Se realizó el pre-dimensionado para un edificio de viviendas de 6 alturas, con 3 viviendas de 85 m2 por planta, y con calidades constructivas según CTE-2006 para la zona climática de Pamplona, D1. El horario de climatización y las temperaturas de consigna en las viviendas se establecen de acuerdo con lo dispuesto en el documento de “Condiciones de aceptación de procedimientos alternativos a LIDER y CALENER. Anexos” (IDAE, 2009).
Como para la zona climática D1, las demandas de calefacción superan ampliamente a las demandas de refrigeración, se realiza el dimensionado de acuerdo con la potencia de calefacción, que se concentra en los meses de diciembre, enero y febrero. Se tiene en cuenta la variación del COP de la bomba de calor según la temperatura de evaporación y la de condensación. (IDAE, 2009).
Se supuso que el edificio tiene posibilidad de acceder tanto a la red de abastecimiento como a la de saneamiento (algo no muy habitual, figura 5). Los diámetros de la tubería y el colector en las cercanías eran distintos; DN1000 para abastecimiento, y DN400 para saneamiento. En la figura 7 se muestran tanto las potencias por metro lineal de intercambiador que puede extraerse de la red de abastecimiento y saneamiento (líneas a trazos), como las longitudes de intercambiador que se precisan para satisfacer las potencias mensuales calculadas.
En saneamiento, el ratio de potencia por metro disponible en diciembre es el más bajo del año, por lo que al ser la potencia demandada similar en los meses fríos, es en dicho mes cuando se requiere la mayor longitud de intercambiador. En abastecimiento, en los meses de verano hidrológico (julio, agosto, septiembre y octubre) el ratio de aprovechamiento se reduce considerablemente, por lo que la mayor longitud requerida se obtiene en octubre. Como el funcionamiento normal en modo calefacción tiene lugar a partir de noviembre, no se consideran los resultados para octubre, tomando el valor del mes de enero. Por tanto, se precisan 29.24 m de intercambiador en la red de abastecimiento, y de 53.41 m en la red de saneamiento. Al ser los tramos de intercambiador de 3 m de longitud, se emplearán 30 m para abastecimiento, y 54 m para saneamiento.
Se comprueba la mejora en el COP de la bomba de calor agua–agua respecto a una bomba de calor aire-agua. Se toman dos modelos de la marca CIAT, correspondientes a las series DYNACIAT y AQUACIAT, para una potencia de calefacción de 150 kW. El COP para unas condiciones de agua caliente 30/35ºC (con aire exterior 7ºC BS y agua fría 7/10ºC) es de 3.47 y 5.57 para las bombas aire-agua y agua-agua respectivamente. Se consideró una temperatura de producción de agua caliente de 50ºC, y según la temperatura del agua en el intercambiador de abastecimiento o saneamiento se modificó el punto de operación de la bomba de calor (IDAE, 2009). El ahorro en el consumo de electricidad es del 24.4% para la bomba de calor agua-agua respecto a la bomba aire-aire en abastecimiento; y del 28.4% en saneamiento (figura 6).
Conclusiones
El presente trabajo evalúa de manera teórica, el potencial de aprovechamiento de energía de las redes de abastecimiento y saneamiento en la red de MCP, para proporcionar climatización empleando una bomba de calor.
Siendo la tecnología existente en el mercado más bien escasa y diferenciada para ambas redes, se desarrollan sendos modelos matemáticos para analizar la potencia que puede extraerse de la red con la casuística particular de la red de MCP, ya que la única información disponible al respecto considera unas condiciones particulares que podrían no tener nada que ver con la Comarca de Pamplona. En el caso de la red de abastecimiento, se propone un intercambiador integrado en la tubería que ocupa todo su perímetro. Para el caso de la red de saneamiento, se realiza el cálculo para un intercambiador integrado en la parte inferior del colector.
Se dispone de caudales y temperaturas horarios, bien a partir de mediciones como de simulaciones de caudal, así como de las características de tuberías y colectores, lo que ha permitido realizar el análisis del potencial de calor que es posible aprovechar de las redes de agua.
Con los resultados promedios, se ha elaborado un mapa en el que se muestra la potencia por metro lineal que puede extraerse de cada tubería y colector que podrá ser de utilidad para los cálculos de diseño de la instalación.
Para un mismo diámetro, el potencial de aprovechamiento en la red de abastecimiento es 2.34 veces superior, si bien la potencia máxima aprovechable en saneamiento es superior. El potencial de aprovechamiento de ambas es elevado, si bien hasta la fecha apenas ha sido tenido en cuenta. Ante la creciente electrificación del suministro de energía en los estados miembro de la Unión Europea unida a la alta producción eléctrica de origen renovable, supone una buena opción para reducir las emisiones de CO2, en detrimento de otras tecnologías más contaminantes.
Se ha realizado un caso-estudio para un edificio de viviendas en Pamplona, resultando una longitud de intercambio menor para la red de abastecimiento. Con el empleo de una bomba de calor agua-agua puede reducirse el consumo de electricidad respecto a una bomba de calor aire-agua en un 24.4% en el caso de emplear el intercambiador con la red de abastecimiento, y de un 28.4% en el caso de saneamiento.
Referencias
- Arif Hepbasli, Emrah Biyik, Orhan Ekren, Huseyin Gunerhan, Mustafa Araz. “A key review of wastewater source heat pump (WWSHP) systems”. Energy Conversion and Management. 2014.
- CIAT
- Cipolla Sara Simona, Magionico Marco. “Heat recovery from urban wastewater: Analysis of the variability of flow rate and temperature”. Energy and Buildings. 2014
- Comisión Europea, “Marco sobre clima y energía para 2030”. 2014.
- Decisión 2013/114/UE de la Comisión https://www.boe.es/doue/2013/062/L00027-00035.pdf
- Directiva 2009/28/CE de 23 de abril de 2009. https://www.boe.es/doue/2009/140/L00016-00062.pdf
- IDAE, 2009. “Condiciones de aceptación de procedimientos alternativos a LIDER y CALENER. Anexos”.
- KASAG Swiss AG
- Mancomunidad de la Comarca de Pamplona
- Ministerio de Fomento de España. 2017. “Áreas urbanas en España 2017”.
- Toshiaki Ichinose, Hiromitsu Kawahara. “Regional feasibility study on district sewage heat supply in Tokyo with gographic information system”. Sustainable Cities and Society, 2017.
- Oguzhan Culha, Huseyin Gunerhan, Emrah Biyik, Orhan Ekren, Arif Hepbasli. “Heat exchanger applications in wastewater source heat pumps for buildings: A key review”. Energy and Buildings. 2015
- Zhibin Liu, Liangdong Ma, Jili Zhang. “Application of a heat pump system using untreated urban sewage as a heat souce”. Applied Thermal Engineering, 2014.