Diseño de sistema modular para el acondicionamiento de espacios habitacionales mediante el aprovechamiento de la energía geotérmica

Número de proyecto

P22

Título de proyecto

Diseño de sistema modular para el acondicionamiento de espacios habitacionales mediante el aprovechamiento de la energía geotérmica

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Héctor Javier González Licón

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Cooperativa de Diseño

Antecedentes y justificación

Una de las principales fuentes de emisión de gases de efecto invernadero es a causa de la necesidad de acondicionar térmicamente espacios habitables que permiten la realización de actividades humanas dentro de los parámetros de confort térmico. Existen muchas prácticas en la edificación sustentable para reducir los impactos ambientales relacionados a las necesidades y actividades humanas.

El declive de las energías fósiles ha llevado a la búsqueda por desarrollar tecnologías limpias que ayuden a preservar el medio ambiente. Una de las tecnologías renovables que más se ha desarrollado en México es la energía proveniente de la tierra, que debido a las condiciones geográficas del país y su alta actividad geotérmica, representan un valioso recurso que podría ser aprovechado y que sin embargo solo ha desarrollado y explotado los recursos geotérmicos de alta entalpia.

La energía geotérmica de baja entalpia es una fuente eficiente e inagotable, que se encuentra almacenada por debajo de la superficie de la tierra. Es una energía limpia que aprovecha el calor del subsuelo para transferirla al interior de los espacios habitables y climatizarlos de forma ecológica, permitiendo un ahorro del 75% en el recibo de energía y la reducción de emisiones de CO2, derivadas de la quema de combustible fósiles para la generación de energía eléctrica. Las Bombas de Calor Geotérmico representan una alternativa para la generación de confort térmico que sin uso de combustibles fósiles que está reemplazando los sistemas eléctricos actuales los cuales son ineficientes y rápidamente obsoletos.

La presente investigación presenta un estudio sobre la tecnología y propone un modelo de integración para el desarrollo e instalación de las Bombas de Calor Geotérmico.

Uno de los paradigmas que presenta la vivienda en el México actual, es el de los avances tecnológicos en la construcción. Es ahí donde el país requiere balancear el desarrollo de tecnologías en los asentamientos humanos, con la protección y conservación del medio ambiente y el desarrollo sustentable.

México necesita que sus viviendas y ciudades generen una alta calidad de vida a la población, conservando su identidad, proyectando la transformación de su insumo energético a partir de combustibles fósiles hacia uno sustentable.

La energía es el alma de la vivienda, es el tejido conductor de la era tecnológica, alimenta nuestro estilo de vida moderno. Actualmente se busca promover fuentes renovables de energía y la optimización de las mismas. Este cambio podría liberarnos de la dependencia de petróleo y combustibles fósiles. El reto para adoptar estos avances no es tecnológico ni económico, si no de carácter cultural e institucional.

Las aplicaciones de la EG se encuentran en varios sectores que van desde el calentamiento del hogar hasta el deshielo de carreteras. Muchos países han implementado el uso de bombas de calor para casos simples de calentamiento de espacios.

En el 2005 el uso de EG produjo un ahorro anual de 170 millones de barriles de petróleo (25.4 millones de toneladas) y 24 millones de toneladas en emisiones de carbono a la atmósfera. ((Lund, 2010))

En 2010, el uso directo de EG tuvo un incremento significativo al registrarse en 78 países, de los 72 países reportados en el 2005, los 58 en 2000 y los 28 en 1995. Su uso resulto en un incremento del 60.2% con respecto al 2005, incrementando a un ritmo de 9.89% anual, el 42% fue utilizado en bombas de calor, 25.8% en balneología, 14.9% en acondicionamiento climático del espacio (del cual el 85% fue para redes distritales).

En Islandia el uso de EG provee el 62% del principal suministro de energía, siendo el uso directo los sistemas de climatización de espacios el más importante cubriendo el 89% del país. En Reykjavik, 197,404 personas se benefician con un sistema distrital.

A nivel mundial los edificios consumen alrededor del 40% de la energía (Omer, 2008), la mitad de esta es consumida por sistemas de aire acondicionado (Zhai, Qu, Yu, Yang, & Wang, 2011). En Europa el 30% de la energía se consume en sistemas de calefacción, representando el 75% de la energía utilizada en un edificio. ((Fridleifsson, 2007)) por lo que con un sistema basado en EG (o alguna otra energía alternativa) se podría generar un ahorro considerable. Según la Secretaria de Energía con datos de la Comisión Federal de Electricidad el sector residencial es el segundo consumidor de energía en el año 2011, la cual es usada principalmente en la climatización de espacios.

Son muchos los países que han implementado el uso de sistemas de acondicionamiento a partir de la EG. En Estados Unidos la instalación más grande se realiza en Indiana, en Ball State University donde se han instalado 4100 bucles verticales para la climatización de 40 edificios utilizando bombas de calor. Mientras que en Korea del Sur algunas Universidades privadas han instalado grandes sistemas de calefacción sin subsidio del gobierno para reducir costos.

FALTA TABLA

(“Ventas_Internas_de_Energia_Electrica.pdf,” n.d.).

En Italia la climatización y acondicionamiento de espacios ha implementado el uso de EG principalmente por medio del uso de bombas de calor y debido al interés de la comunidad de diseñadores presente así como la disminución de costos que representan el uso de los sistemas.

El uso de bombas de calor (BCG) creció 2.29 veces entre 2005 y 2010 a un ritmo anual del 18%. Su coeficiente de rendimiento (COP) tiene valores típicos de 3 a 4 aunque se han reportado valores de 10. De ahí que puedan proveer ahorros de entre el 50 y el 75% pues solo la energía utilizada en el compresor es la que genera un costo, mientras que la del subsuelo es gratuita. ((Quijano-León, Barragán-Reyes, & GutiérrezNegrín, 2005)

Hoy en día en cualquier lugar podemos usar la EG para climatización de espacios. Mientras el petróleo y el suministro de gas aumente de precio, la energías alternativas como lo es la EG se convertirán en alternativas energéticas viables y económicas. Actualmente la eficiencia de estos sistemas de aprovechamiento de la EG se encuentra entre el 25% y el 50% buscando superar esta eficiencia. (Mitchell, 2006)

El uso de esta tecnología proporciona beneficios económicos, tecnológicos, energéticos, ambientales, sociales, ya que constituye la mejor opción para la eficiencia de sistemas de calefacción y aire acondicionado, evitando también 1.2 billones de toneladas de CO2 anuales que equivalen a 6% de la emisión global de CO2.

El reto actual de estos sistemas en México no esta relacionado a su desarrollo técnico, sino hacia la implementación de un sistema que cumpla con las características necesarias para hacer llegar esta tecnología a usuarios potenciales de una forma atractiva, representando un ahorro económico, evitando así el uso de combustibles fósiles reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.

Estado del arte

Dentro de las energías renovables, la energía geotérmica (EG), es una de las pocas capaz de proveer recursos constantemente con el mínimo impacto visual y ambiental en comparación a la solar, biomasa y eólica, principalmente porque esta contenida en el subsuelo y los sistemas de transferencia de calor son relativamente compactos, reduciendo la huella del sistema. Se considera una fuente de energía limpia por no producir óxidos de nitrógeno o de azufre. Se estima que cada 1,000 MW generados con geotermia evitan la emisión anual a la atmósfera de aproximadamente 860 toneladas de diversas partículas contaminantes y de 3.5 millones de toneladas de CO2. (Instituto de Investigaciones Eléctricas) La EG busca remplazar otras formas de energía, especialmente el uso de combustibles fósiles. Para muchos países conlleva hacia la reducción de la dependencia en combustibles importados así como la eliminación de contaminantes como partículas y gases de efecto invernadero.

El uso de E.G. para la climatización de espacios incrementó del 2005 al 2010 un 24% en el numero de instalaciones y en un 14% en su aprovechamiento anual de energía. Los líderes en cuanto a la aplicación a nivel distrito son Islandia, China, Turquía, Francia y Rusia mientras que países como Italia, Estados Unidos y Georgia se encuentran entre los mayores usuarios de acondicionamiento climático a nivel individual.

En México la mayor parte de la E.G. se utiliza para la producción de electricidad mientras que otros de sus usos directos se encuentran en un rezago de desarrollo a excepción de su aplicación en balnearios, o para usos terapéuticos y recreativos. El uso de bombas de calor es mínimo. La aplicación de sistemas de acondicionamiento tanto distritales como individuales son escasos debido a que las temperaturas a lo largo de la mayoría del país son templadas. Existen casos extremos en los que el uso de estos sistemas representa un cambio hacia energías renovables y de menor impacto ambiental.

Actualmente los costos de un sistema para casas unifamiliares que integra una BCG es oscila entre los 500 y 850 USD/KW y pueden aumentar hasta los 1700USD/KW en una unidad de circuito cerrado horizontal. El costo promedio para una vivienda de 200 m2 es de 12,500 € para una temperatura ambiente de -5°C y de 10,000 € para 0°C (Mañon, 2010). Boyd y Lienau (1995) estimaron que el periodo de retorno de capital para una BCG es de 6.8 años en el sector residencial.

Objetivos y metas

El objetivo del proyecto será encontrar soluciones a problemas y necesidades desde la óptica del diseño industrial que detonen innovaciones en la manera de climatizar ambientes en zonas con climas extremos mediante el aprovechamiento de la energía geotérmica. Consiste en el diseño de un innovador sistema modular de climatización de ambientes para casa habitación mediante el uso de esta. Las oportunidades generadas en este proceso arrojarán un sistema con alto valor de diseño. a partir de la humanización de la tecnología y a través de su integración por medio del diseño. Incrementar el uso directo de EG en sistemas de uso doméstico proveyendo una alternativa para incrementar el potencial geotérmico nacional.

Objetivos generales

El objetivo del presente proyecto es de desarrollar un modelo de integración que ofrezca la capacidad para instalar sistemas de Bombas de Calor Geotérmico (BCG). Dicho modelo de integración será capaz de:

  • Entender las necesidades específicas de cada proyecto.
  • Diseñar y calcular sistemas e integrar los diferentes componentes para su instalación.
  • Plantear la ruta critica para la instalación del sistema.
  • Ofrecer un cálculo de costos de inversión, retorno de inversión y ahorro.
  • Llevar a cabo la instalación a detalle en sitio del sistema completo.
  • Diseño de un sistema modular de paneles de techo y pisos radiantes.

Objetivos particulares

  • Mostrar la presencia actual de las BCG en México y el escenario a nivel mundial así como sus antecedentes para obtener entendimiento y rumbos de acción para el desarrollo del sector.
  • Analizar la configuración, funcionamiento, uso y beneficio de las BCG.
  • Presentar el modelo actual del sector de BCG y su instalación analizando el caso de Estados Unidos y Canadá y sus asociaciones, compañías, profesionales e instaladores.
  • Planteamiento de un laboratorio para el estudio y formación de técnicos instaladores certificados de sistemas de BCG. Dicho laboratorio contiene el diseño de una sala de explosión permanente y un módulo itinerante para la difusión de la tecnología.
  • Exponer la propuesta a detalle del modelo de integración para el desarrollo un organismo capaz de instalar sistemas BCG.
  • Presentación del diseño de un sistema de paneles modulares de techo radiante para distribución de enfriamiento y de un sistema modular de piso radiante para la distribución de calentamiento.

Número de proyecto

P22

Título de proyecto

Diseño de sistema modular para el acondicionamiento de espacios habitacionales mediante el aprovechamiento de la energía geotérmica

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Héctor Javier González Licón

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Cooperativa de Diseño