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Tecnologías y Sistemas Eficientes para Centrales Térmicas para ACS y CC

Equipo Aiguasol

Santiago, Septiembre de 2017

Índice

2

Presentación

Introducción

Tecnologías eficientes para CT

Sistemas en CT

Integración de Tecnologías en Sistemas

Caso Ejemplo

Conclusiones

Presentación

3

¿QUIÉNES SOMOS?

• Equipo multidiciplinarPhDs, MEng y MSc, BEng, Adm.

• Especialización en EE y ER• Desde 1999..

¿QUÉ HACEMOS?

Presentación

4

ConsultoríaEnergética

ProyectosIngeniería

DesarrolloSoftware I+D Formación &

Capacitación

Edificación Industria &Minería

EmpresasServicios

Energéticos

PlanificaciónUrbana

OrganismosPúblicos

Presentación

CONSULTORÍA ENERGÉTICA para Tomadores de Decisión en materiasde Eficiencia Energética y Energías Renovables para análisis depotenciales tecnológicos, desarrollos estratégicos y certificación.

Presentación

Desarrollo de PROYECTOS DE INGENIERÍA para aplicacionestecnológicas avanzadas y de vanguardia. Gran experiencia enenergía solar, sistemas energéticos de alta eficiencia, procesosindustriales.

Presentación

DESARROLLO Y DISTRIBUCIÓN DE SOFTWARE y REALIZACIÓN DECÁLCULOS AVANZADOS CDF ANSYS - TRNSYS diseñados a la medidapara análisis energéticos para arquitectos, investigadores, fabricantes,organismos.

Presentación

FORMACIÓN Y CAPACITACIÓN 17 años de experiencia en desarrollo decursos, capacitaciones y seminarios en simulación energética deedificios, diseño de sistemas solares, sistemas renovables avanzados.

Presentación

Desarrollo de PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN para la ComisiónEuropea en FP. Participación en 6 tareas de investigación para la IEA.Proyectos subvencionados gubernamentales y CORFO.

¿PARA QUÉ LO HACEMOS?

MISIÓNContribuir activamente a la construcción de un nuevo modelo energéticoequitativo y sustentable, mediante el desarrollo y comercialización deservicios y soluciones innovadoras en eficiencia energética y energíasrenovables, desde una estructura socialmente responsable

Presentación

10

NUESTROS CLIENTES

Presentación

11

Índice

12

Presentación

Introducción

Tecnologías eficientes para CT

Sistemas en CT

Integración de Tecnologías en Sistemas

Caso Ejemplo

Conclusiones

Introducción

13

Tecnologías y Sistemas Eficientes para CentralesTérmicas para ACS y CC

Esquema conceptual común- No siempre lo más eficiente

ServicioACS CC

Tecnologías

Fuente Energética

Sistemas

Introducción

14

Tecnologías y Sistemas Eficientes para CentralesTérmicas para ACS y CC

Esquema conceptual avanzado:- Diseño Holístico- Orientado Cliente/Servicio- Requiere de Independencia

ServicioACS CC

TecnologíasSistema

s

Introducción

15

¿QUÉ ES LA EFICIENCIA EN CENTRALES TÉRMICAS?Reducir cantidad de energía consumida (combustibles oelectricidad) para proporcionar el mismo (o mejor)servicio de ACS y/o CC.

ENERGÍA PRIMARIA EP vs CONSUMO ENERGÍA FINAL CEF• Fuente de energía primaria es aquella que pueden ser extraída o capturada directamente de los recursos naturales:

petróleo crudo, carbón, gas natural, la radiación solar, el viento, la biomasa.

• Fuentes de energía secundaria es aquella que puede producirse a partir de los productos primarios, como porejemplo: la generación de electricidad quemando fuel oil es un ejemplo.

ENERGÍA PRIMARIA CONSUMIDA

CENTRAL TÉRMICA

ENERGÍA ENTREGADA SERVICIO

ENERGIA CONSUMIDAPROCESO

TRANSFOR.

Introducción

16

¿QUÉ ES LA EFICIENCIA EN CENTRALES TÉRMICAS?

Visión del Micro – Global (usuario - consultor)

ENERGÍA PRIMARIA CONSUMID PE

CENTRAL TÉRMICA

ENERGÍA ENTREGADA QSERVICIO

CONSUMO ENERGÍA FINAL CEF

PROCESO TRANSFOR.

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 =∑𝑄𝑄𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑖𝑖

∑𝑃𝑃𝑃𝑃𝑗𝑗

𝑆𝑆𝑃𝑃𝑆𝑆 =∑𝑄𝑄𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑖𝑖∑ 𝐶𝐶𝑃𝑃𝑆𝑆𝑗𝑗

Introducción

17

¿QUÉ ES LA EFICIENCIA EN CENTRALES TÉRMICAS?

CONVERSIÓN EP (CEP)Gas Natural 1.1Electricidad 2.6

REND. EQUIPOS (ETA/COP)Caldera η = 90%Bomba de Calor COP = 2.5

Introducción

18

¿QUÉ ES LA EFICIENCIA EN CENTRALES TÉRMICAS?

Ejemplos Caldera GN

Ejemplos Bomba de Calor

100 9090%

100 250250%

110/ 1.1

260/ 2.6

Introducción

19

¿QUÉ ES LA EFICIENCIA EN CENTRALES TÉRMICAS?

Ejemplos:CASO CEP ETA

COPSPF PER

CASO CALDERA GAS 1.1 90% 0.9 0.8

CASO BOMBA CALOR 2.6 2.5 2.5 0.9

CASO SOLAR FS 50% + CALDERA

- - 1.8 1.9

Índice

20

Presentación

Introducción

Tecnologías eficientes para CT

Sistemas en CT

Integración de Tecnologías en Sistemas

Caso Ejemplo

Conclusiones

Tecnologías Eficientes para CT

21

Tecnologías disponibles:• TERMO ELECTRICO• CALDERA ESTÁNDAR• CALDERA• CALDERA CONDENSACIÓN• SOLAR TÉRMICA• BOMBA CALOR• BOMBA CALOR GAS• BOMBA CALOR GEOTÉRMICA• MOTOR MICROCOGENERACIÓN

Tecnologías Eficientes para CT

22

Tecnologías disponiblesTECNOLOGÍA FUENTE

ENERGÉTICASERVICIO % APORTACIÓN DEMANDA

TE TERMO ELECTRICO ELECTRICIDAD ACS 100%

CE CALDERA ESTÁNDAR GAS U OTROS COMB. ACS & CC 100%

CB CALDERA BIOCOMBUSTIBLES ACS & CC 100%

CD CALDERA CONDENS. GAS ACS & CC 100%

ST SOLAR TÉRMICA SOLAR ACS (& CC)* 30 – 70 % ACS (10 – 20 % CC)

HP BOMBA CALOR ELECTRICIDAD ACS (& CC)* 100 % ACS (10 – 20 % CC )

HPNG BOMBA CALOR GAS GAS ACS (& CC)* 100 % ACS (10 – 20 % CC )

HPGS BOMBA CALOR GEO. ELECTRICIDAD ACS (& CC)* 100 % ACS (10 – 20 % CC )

CHP MOTOR MICROCO. GAS ACS (& CC)* 100 % ACS (10 – 20 % CC )

…

Tecnologías Eficientes para CT

23

Tecnologías disponiblesCALDERA ESTÁNDAR BOMBA DE CALOR CALDERA CONDENSAC.

SOLO ACS SOLO ACS

Tecnologías Eficientes para CT

24

Tecnologías disponiblesMICROCOGENERACION BOMBA DE CALOR GAS SOLAR TÉRMICA

SOLO ACS SOLO ACSSOLO ACS

TECNOLOGÍA FUENT. COSTO FUENTE

COSTO INV.

COSTO ENERGÍA

SPF PER

TE TERMO ELECTRICO ELE

CE CALDERA ESTÁND. GAS

CB CALDERA BIO

CD CALDERA CONDE. GAS

ST SOLAR TÉRMICA SOL

HP BOMBA CALOR ELE

HPNG BOMBA CALOR GAS GAS

HPGS BOMBA CALOR GE. ELE

CHP MOTOR MICROCO. GAS

…

Tecnologías Eficientes para CT

25

Tecnologías disponibles

Tecnologías Eficientes para CT

Costo de la Energía durante el ciclo de vida útil:• Costo inversión del sistemas• Costo de operación (¡energía!)• Costo de mantenimiento

It= Gastos en inversión durante el año tMt = Gastos en operación y mantenimiento durante el año tFt = Gastos en combustible durante el año tEt = Generación energética en el año tr = tasa de descuenton = vida útil de la instalación

TECNOLOGÍA FUENT. COSTO FUENTE

COSTO INV.

COSTO ENERGÍA

SPF PER

TE TERMO ELECTRICO ELE

CE CALDERA ESTÁND. GAS

CB CALDERA BIO

CD CALDERA CONDE. GAS

ST SOLAR TÉRMICA SOL

HP BOMBA CALOR ELE

HPNG BOMBA CALOR GAS GAS

HPGS BOMBA CALOR GE. ELE

CHP MOTOR MICROCO. GAS

…

Tecnologías Eficientes para CT

27

Tecnologías disponiblesCOSTO USUARIO

COSTO PROMOTOR INMOBILIARIA EFICIENCIA

EFICIENCIA GLOBAL

Índice

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Presentación

Introducción

Tecnologías eficientes para CT

Sistemas en CT

Integración de Tecnologías en Sistemas

Caso Ejemplo

Conclusiones

Sistemas en CT

29

Las Centrales Térmicas (CT) dan servicio aACS y calefacción (CC).Es importante conocer en detalle yprofundidad las características de laDemanda / Servicio, así como laconfiguración del Sistema que da eseservicio, pues para cada Demanda /Servicio existe Tecnología óptima queposiblemente requiere de la adaptaciónde la configuración del Sistema.

Sistemas en CT

30

Centrales Térmicas para ACS y CC

0 2000 4000 6000 8000 10000

Perfil distribución CC

ACS CC-PTR CC-RAD

Temperatura entrada o retorno 11-17 25-35 60-70

Temperatura distribución o servicio 50 40-50 80-90

Horas servicio anuales 5000 - 8000 1500 – 3000 1500 – 3000

Intensidad consumo 40 – 80 l/per.día

75 – 150 kWh/m2.año

0 2000 4000 6000 8000 10000

Perfil distribución ACS

0 2000 4000 6000 8000 10000

Perfil distribución ACS

Sistemas en CT

31

Centrales Térmicas para ACS y CC

0 2000 4000 6000 8000 10000

Perfil distribución CC

ACS CC-PTR CC-RADTemperatura entrada o retorno 11-17 25-35 60-70Temperatura distribución o servicio 50 40-50 80-90Horas servicio anuales 5000 - 8000 1500 – 3000 1500 – 3000Intensidad consumo 40 – 80

l/per.día75 – 150

kWh/m2.año

La temperatura de trabajo condiciona la TECNOLOGIA

Las horas de servicio anuales condicionan la rentabilidad de las Inversiones asociadas -> COSTO TECNOLOGIA

La distribución horaria de la Demanda afecta doblemente a la rentabilidad de ciertas tecnologías: costo de inversión y horas de servicio. Algunas tecnologías solo pueden cubrir -a un costo competitivo-la BASE DE LA DEMANDA

Sistemas en CT

32

Configuraciones de la CT:• Circuito circulación nominal por calderas• Circulación nominal por compensadorhidráulico• Circulación nominal por calderas yválvula 3 V• Circulación mínima por calderas• Calderas sin circulación mínima• Caldera única condensación• Caldera estándar + Caldera Condens.

Sistemas en CT

33

Circuito circulación nominal por calderasAplicable a sistemas donde caudal primario y secundario son parecidos.

Circuitos acoplados -> Sistema de regulación debe coordinar apertura de válvulas – encendido de bombas – encendido calderas.

Importante un brazo de compensación entre colectores impulsión y retorno.

Sistemas en CT

34

Circulación nominal por compensador hidráulicoCuando los caudales de primario y secundario son muy diferentes o cuando se requiere de una inercia adicional se suele emplear un compensador hidráulico.

Sistema que ofrece mayor flexibilidad.

No se requiere del bypass entre colectores del secundario.

Sistemas en CT

35

Circulación nominal por calderas y válvula 3 VCircuitos semi acoplados (en función válvula de 3V) -> Sistema de regulación debe coordinar apertura de válvulas – encendido de bombas – encendido calderas. La válvula de 3V debe evitar la condensación en la caldera.

Importante la conexión en retorno invertido para equilibrado y un brazo de compensación entre colectores impulsión y retorno.

Sistemas en CT

36

Circulación mínima por calderasCircuitos acoplados -> Sistema de regulación debe coordinar apertura de válvulas – encendido de bombas – encendido calderas.

Importante un brazo de compensación entre colectores impulsión y retorno.

Sistemas en CT

37

Calderas sin circulación mínimaSolo para caldera que NO exigen de temperatura mínima, por ejemplo, Calderas de Condesación.

Circuitos acoplados -> Sistema de regulación debe coordinar apertura de válvulas – encendido de bombas – encendido calderas.

Importante introducir válvulas motorizadas para evitar las circulaciones parasitarias en paradas de caldera.

Sistemas en CT

38

Caldera única condensación para ACS y CCEl circuito primario del servicio de ACS se conecta en serie con el circuito de calefacción. La regulación de la calefacción en función de las condiciones exteriores se realiza sobre la temperatura de retorno a caldera. La temperatura de impulsión se modifica directamente según necesidades; de este modo el retorno a caldera siempre está a la menor temperatura posible. La caldera funciona con circulación nominal.

60ºC

50ºC

50ºC

40ºC60ºC

40ºC

Sistemas en CT

39

Calderas estándar + Caldera CondensaciónEn el caso de utilizar calderas estándar y calderas de condensación, en muchos momentos puede interesar que las primeras atiendan directamente a los servicios de alta temperatura (por ejemplo, ACS) mientras que las de condensación cubran los de baja temperatura (por ejemplo, calefacción); la instalación puede resolverse independizando ambos circuitos.

Índice

40

Presentación

Introducción

Tecnologías eficientes para CT

Sistemas en CT

Integración de Tecnologías en Sistemas

Caso Ejemplo

Conclusiones

Integración de Tecnologías en Sistemas

41

Integración de Tecnologías en Sistemas

42

Aspectos a considerar en la integración de Tecnologías:• Niveles térmicos.• Acomplamientos hidráulicos.• Presiones máximas.• Estratificación – caudales.• Potencias máximas servicio.• Distribución horaria servicio.• Compatibilidad materiales.

Integración de Tecnologías en Sistemas

43

Niveles térmicos:• Evitar mezcla de niveles térmicos• Aprovechar las bajas temperaturas paraaquellos sistemas más eficientes: SOLAR, HP,CALDERA CONDENSACIÓN.

Integración de Tecnologías en Sistemas

44

Acomplamientos hidráulicos:• Evitar acoplamientos hidráulicos no deseados.Estratificación de acumuladores:

Integración de Tecnologías en Sistemas

45

Distribución horaria servicio – Potencia sistemas.Simulación dinámica de sistemas térmicos.

Índice

46

PresentaciónIntroducciónTecnologías eficientes para CTSistemas en CTIntegración de Tecnologías en Sistemas Caso EjemploConclusiones

Caso Ejemplo

47

Caso de referencia. Obra nueva:PARAMETRO UNIDAD VALOR

NÚMERO DE VIVIENDAS - 100

SUPERFÍCIE DE VIVIENDAS m2 110

OCUPANTES POR VIVIENDA per/viv 2.26

NÚMERO DE OCUPANTES - 226.00

CONSUMO POR PERSONA Y DÍA l/per.dia 82

CONSUMO DIARIO l/día 18 555

SISTEMA DE CALEFACCIÓN - PISO RAD

Caso Ejemplo

48

Caso de referencia. Obra nueva:PARAMETRO UNIDAD VALOR

VOL. ACUM. (RECOMEND.) ACS l 5 – 9 000

POTENCIA DE ACS kW 619 - 312

POTENCIA DE CC kW 1 418

POTENCIA CENTRAL TÉRMICA * kW 1 730

CONSUMO DIARIO l/día 18 555

DEMANDA NETA ACS kWh 245 585

DEMANDA NETA CUADRADO kWh/m2 80

VECINOS CONECTADOS CT % 80%

DEMANDA NETA CC kWh 704 000

Caso Ejemplo

49

Metodología

Caso Ejemplo

50

Tecnologías analizadas:ID TECNOLOGÍA FUENT. COSTO

FUENTE[$/kWh]

COSTO INV.[MCLP]

COSTO ENERG.[$/kWh]

SPF PER

FULL.ELE TERMO ELECTRICO ELE 97.9 17-35 115-129 .9-.99 .34-.38

CAL.EST CALDERA ESTÁND. GN 50.4 76-84 88-95 .71-.77 .64-.69

CAL.BIO CALDERA BIOMASA BIO 37.8 136-152 80-87 .71-.77 .58-.63

C.CND30 CALD.COND. 30% GN 50.4 81-87 81-87 .79-.85 .71-.76

C.CND CALD.COND. 100% GAS 50.4 101-113 72-84 .89-.96 .80-.85

ST+CCND SOLAR TÉRMICA + CALD.COND. 100%

SOL GN - 174-205 78-88 1.1-1.2 .96-1.1

HP.ACS BOMBA CALOR ACS ELE 97.9 112-133 85-93 .91-.98 .70-.75

HP.ACSCC BOMBA CALOR ACS+CC

ELE 97.9 125-134 80-88 1.-1.1 .74-.82

Caso Ejemplo

51

Resultados. Seasonal Performance Factor

𝑆𝑆𝑃𝑃𝑆𝑆 =∑𝑄𝑄𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑖𝑖∑ 𝐶𝐶𝑃𝑃𝑆𝑆𝑗𝑗

12

3

Caso Ejemplo

52

Resultados. Primary Energy Ratio

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 =∑𝑄𝑄𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 𝑖𝑖

∑ 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑗𝑗1

2 3

Caso Ejemplo

53

Resultados. Costo Energía

1 23

Caso Ejemplo

54

Resultados. Costo Inversión

1

23

Caso Ejemplo

55

Conclusiones Caso Ejemplo (1/2):• En función del enfoque las tecnologías más eficientes son

distintas.• La tecnologías más eficientes, en perspectiva global, en

PER, son aquellas que introducen ER o tienen SPF máselevados.

• El consumo de electricidad castiga la conversión a EP, loque podría subsanarse con la incorporación de FV en losproyectos con consumo eléctrico asociado (HP).

Caso Ejemplo

56

Conclusiones Caso Ejemplo (2/2):• Los costos de energía (vida útil) depende más de la

correcta integración y diseño del sistema que de loscostos de inversión -> Un buen diseño e integración esmás rentable que un mejor equipo.

• El enfoque de los Promotores en (evidentemente) loscostos de inversión de las Tecnologías y Sistemas de las CTes un limitante a la introducción de sistemas máseficientes. Poder del cambio de los usuarios:incorporación ER o Calificación Energética.

Caso Ejemplo

57

Conclusiones Caso Ejemplo (2/2):

Costo ACS y CC

Caso Ejemplo

58

Discusión de los resultados:• Factor Climatológico.• Factor tamaño – forma – año de la Edificación.• Factor tipo de calefacción: Piso radiante vs Radiador.• Factor del confort CC y ACS disfrutado.• Factor incorporación medidas EE.• Factor precio de la energía.• Factor Obra Nueva vs. Rehabilitación.

OTROS FACTORES, OTROS RESULTADOS

Índice

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Presentación

Introducción

Tecnologías eficientes para CT

Sistemas en CT

Integración de Tecnologías en Sistemas

Caso Ejemplo

Conclusiones

Conclusiones

60

• Existen una variedad de Tecnologías eficientes para elcalentamiento de ACS y CC.

• El concepto de Eficiencia puede llegar a ser “relativo”en función de la óptica.

• Existe un riesgo importante en la integración de laTecnologías en los Sistemas de ACS y CC que puedenllevar a un mal resultado.

• La integración de Tecnologías eficientes noconvencionales merece de un diseño detallado: Nivelestérmicos, Acomplamientos hidráulicos, Presiones máximas, Estratificación – caudales, Potenciasmáximas servicio, Distribución horaria servicio, Compatibilidad de materialidades

Conclusiones

61

• Cada combinación de factores (Climatología, Edificación,Tipo CC, Medidas EE… Obra Nueva vs. Rehabilitación… )da como resultado una Tecnología óptima a nivel deeficiencia u otra.

• Para el caso ejemplo estudiado: (Santiago, Edificio 100Viv, < 10 Año, Piso Rad, Nueva), los resultados serían:

TOP 3 EFICIENCIA TOP 3 COSTOS ENERGÍASOLAR TÉRMICA + CALD.COND. CALDERA CONDESACIÓN 100%CALDERA CONDESACIÓN 100% SOLAR TÉRMICA + CALD.COND.

BOMBA CALOR ACS+CC BOMBA CALOR ACS+CC

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