BOMBAS DE CIRCULACIÓN Y CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE ALTA EFICIENCIA JORNADA SOBRE APLICACIÓN DE ENERGÍA GEOTÉRMICA PARA LA CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE ACS EN EDIFICIOS Christian Keller, Director Técnico, Wilo Ibérica, S.A.
BOMBAS DE CIRCULACIÓN Y CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE ALTA EFICIENCIA
JORNADA SOBRE APLICACIÓN DE ENERGÍA GEOTÉRMICA PARA LA CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE ACS EN EDIFICIOSChristian Keller, Director Técnico, Wilo Ibérica, S.A.
2
Eficiencia energética
Eficiencia energética en las instalaciones se obtiene mediante:
• Eficiencia en el producto
• Eficiencia en el proyecto
• Eficiencia en la instalación
• Eficiencia en la explotación
3
Exigencias de eficiencia energética para bombas
REAL DECRETO 1027/2007 (RITE) REAL DECRETO 238/2013
REGLAMENTO (CE) Nº 640/2009
REGLAMENTO (CE) Nº 641/2009REGLAMENTO (UE) Nº 622/2012
REGLAMENTO (UE) Nº 547/2012
4
Rendimiento global
η total = ηhidráulico · ηmotor
5
Ejemplo:
= 1 (agua)Q = 40 m3/hH = 35 m.c.a.H = 0,62M = 0,87
P1 = 7,07 kW
= Densidad en kg/dm3
Q = Caudal en m3/h
H = Altura en m.c.a.
H = Rendimiento hidráulico
M = Rendimiento del motor
Potencia absorbida P1
6
Instalación Geotérmica – Esquema de instalación
Circuito de salmuera(sonda geotérmica)
Circuito primario(depósito de inercia)
Circuito secundario(entrega)
7
Instalación Geotérmica – Circuito de salmuera
Circuito de salmuera(sonda geotérmica)
8
Instalación Geotérmica – Circuito de salmuera
Bombeo de salmuera - Impacto sobre la curva de la bomba
Altu
ra d
e im
puls
ión
H [
m]
Agua 20ºC
Caudal Q [m³/h]
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
Etilenglicol 30%, 0ºC
9
Instalación Geotérmica – Circuito de salmuera
Bombeo de salmuera - Impacto sobre la curva de rendimiento de la bomba
Rend
imie
nto
tota
l de
la b
omba
-η t
ot[-
]
Q [m³/h]
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
Agua 20ºCEtilenglicol 30%, 0ºC
10
Instalación Geotérmica – Circuito de salmuera
Bombeo de salmuera - Impacto sobre la potencia absorbida de la bomba
Pote
ncia
abso
rbid
a-
P 1[W
]
Caudal Q [m³/h]
300
250
200
150
100
50
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
Agua 20ºCEtilenglicol 30%, 0ºC
11
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
Rendimiento
min.
max.
min.
max.
min. max.
0,51
1,52
2,53
3,54
4,55
5,56
6,57
[m]
0,050,1
0,150,2
[kW]
5
10
15
[%]
0 1 2 3 4 5 6 [m³/h]
1
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
Rendimiento
6 m
4 m
2 m
max
6 m4 m
2 m
max
6 m4 m 2 m
max
0,51
1,52
2,53
3,54
4,55
5,56
6,57
[m]
0,02
0,04
0,06
[kW]
10
20
30
[%]
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 [m³/h]
1
Asín-crono
Imán perma-nente
1,57 Q (m3/h) 1,5
6,56 H (m) 6,0
202 P1(W) 71
13,9 η (%) 38
Bombas para el circuito de salmuera – sonda geotérmica
Ejemplo: Etilenglicol 30%, Temperatura = 0ºC, Q = 1,5 m3/h, H = 6 m
25 FT 62
FT = Factor de Transporte
12
Ø 112
Eff. 66%
Ø 112 (η)
Ø 112 (P₁)
Ø 112 (P₂)
Head
Hydraul ic effi ciency
Power input P1Shaft power P2
H / m
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
η / %
0
10
20
30
40
50
60
P₁ / kW
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Q / m ³/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
P₂ / kW
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
A1
A2
13,9
56,71
1,502
18
1,264
13 m
7 m
9 m
11 m
3 m3 m
Qmin
13 m13 m
9 m 7 m13 m
3 m
11 m
Head
Hydraul i c effi ciency
Power input P1
H / m
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
η / %
0
10
20
30
40
50
60
Q / m ³/h0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
P₁ / kW
0
0,2
0,4
0,6
0,8
A1
10
68,35
18
0,858
Asín-crono
Imán perma-nente
18 Q (m3/h) 18
13,9 H (m) 10
1,5 P1(kW) 0,86
48,1 η (%) 60,5
Ejemplo: Etilenglicol 30%, Temperatura = 0ºC, Q = 18 m3/h, H = 10 m
Bombas para el circuito de salmuera – sonda geotérmica
38 FT 67
FT = Factor de Transporte
13
Bomba de calor Salmuera/Agua – COP
¡ Para el cálculo del COP según la norma EN 14511 sólo entra el consumo de las bombas de salmuera y primario correspondiente a las pérdidas de carga internas de la bomba de calor !
Una bomba integrada de imán permanente puede mejorar el COP de la bomba de calor
14
Instalación Geotérmica – Circuito primario
Circuito primario(depósito de inercia)
15
Bombas para el circuito primario
Ejemplo: Agua, Temperatura = 35ºC, Q = 4,5 m3/h, H = 1,75 m
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
min.
max.
min.
max.
0,51
1,52
2,53
3,54
4,55
[m]
0,010,020,030,040,050,060,070,080,090,1
0,110,120,130,14[kW]
0 1 2 3 4 5 [m³/h]
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
6 m
5 m
4 m
3 m
2 m
1 mmin
max
6 m5 m
4 m3 m
2 m
1 m min
max
0,51
1,52
2,53
3,54
4,55
5,56
[m]
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
[kW]
0 1 2 3 4 5 6 7 [m³/h]
Asín-crono
Imán perma-nente
4,5 Q (m3/h) 4,5
2,33 H (m) 1,75
140 P1(W) 47,4
20,4 η (%) 45,2
185 FT 546
FT = Factor de Transporte
16
Bombas de regulación continua
17
Bomba con curvas de regulación discretas
0,4
0,8
1,2
1,6
2
2,4
2,8
3,2
3,6
4
4,4
4,8
5,2
5,6
6
6,4
[m]
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 [m³/h]
Q= 4,6 m3/h – H = 3,5 m
Altura real: 3,5 m
P1 = 83,2 W
18
0,4
0,8
1,2
1,6
2
2,4
2,8
3,2
3,6
4
4,4
4,8
5,2
5,6
6
6,4
[m]
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 [m³/h]
Bomba con curvas de regulación discretas
Q = 4,6 m3/h – H = 1,75 m
Altura real: 3,5 m
Pavg = 83,2 W
Pavg = 47,4 W
Exceso de consumo del 73% por falta de campo de regulación continua
19
Bombas de velocidad variable – recirculación de agua caliente sanitaria
Ejemplo: Q = 5 m3/h H = 2 m.c.a. 8760 h/a 0,17 €/kWh
PVP: 1969€PVP: 1349€
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
10 m
8 m
6 m
4 m
2 m
min
max
2
4
6
8
10
[m]
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
[kW]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 [m³/h]
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
min. max.
12345678
[m]
0,050,1
0,150,2
0,250,3
[kW]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [m³/h]
Corrección del punto de trabajo en la puesta en marcha mediante ajuste de la velocidad, de 7 m3/h/4m.c.a. a 5 m3/h/2 m.c.a.
20
Coste del ciclo de vidaTOP-Z 30/10 Stratos-Z 30/1-12 LCC: 3440 EUR
Inversión 1389 2028Energía 6344 1412
7733 3440
TOP-Z 30/10Stratos-Z 30/1-12
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
€
años
TOP-Z 30/10 Stratos-Z 30/1-12
TOP-Z 30/10LCC: 7733 EUR
Stratos-Z 30/1-12LCC: 3440 EUR
Energía 6344 1412Inversión 1389 2028
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000€
Plazo de amortización: < 2 años
Ejemplo: Q = 5 m3/h H = 2 m.c.a. 8760 h/a 0,17 €/kWh
21
Instalación Geotérmica – Circuito secundario
Circuito de salmuera(sonda geotérmica)
Circuito secundario(entrega)
22
Ejemplo Δp-c
2 m
2 m
2 m
2 m
H[m]
4
3
2
1
00 1 2 3 4 Q [m3/h]
2,5 m
0,5 m
4 m3/h
0,3 m
3 m3/h
2,3 m
0,12 m
2 m3/h
2,12 m
0,03 m
1 m3/h
2,03 m
0 m3/h
2,0 m
Modo Δp-c
• elevada autoridad de las válvulas de control
• bajas pérdidas de carga en generadores y tuberías de distribución
• sistemas de suelo radiante con válvulas de zona
• sistemas bitubo con distribución vertical por montantes
23
Ejemplo Δp-v
H[m]
4
3
2
1
00 1 2 3 4 Q [m3/h]
2 m
2 m
2 m
2 m
4 m
2 m
4 m3/h
1,1 m
3 m3/h
3,1 m
0,5 m
2 m3/h
2,5 m
0,1 m
1 m3/h
2,1 m
0 m3/h
2,0 m
Modo Δp-c
• baja autoridad de las válvulas de control
• elevadas pérdidas de carga en generadores y tuberías de
distribución
• sistemas con largos recorridos de la tubería de distribución
• sistemas bitubo con distribución horizontal por vivienda
Requisito imprescindible:Equilibrado hidráulico
24
Ejemplo Δp-v para una Stratos 25/1-6
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
6 m
5 m
4 m
3 m
2 mmin
max
6 m5 m
4 m3 m
2 m
min
max
0,51
1,52
2,53
3,54
4,55
5,56
[m]
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
[kW]
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 6 6,4 6,8 7,2 7,6 [m³/h]
12
3
4
25
Selección de bombas dobles con opción de funcionamiento de carga punta,para evitar bombas sobredimensionadas
26
Sobredimensionamiento de bombas por margen de seguridad
Altura de impulsión
min0,5
11,5
2
2,53
3,54
4,5
55,5
66,5
77,5
88,5
9
9,510
10,511
[m]
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
Qdiseño = 25 m3/hHdiseño = 6,0 m.c.a.
Al aplicar un margen de “seguridad” del 15%:
Hdiseño 115% = 6,9 m.c.a.
Qbomba = 24,2 m3/h:Desviación teórica -3,2%
¡ La bomba suele quedar descartada!
27
Bomba doble con funcionamiento de carga punta
Altura de impulsión
min0,5
11,5
2
2,53
3,54
4,5
55,5
66,5
77,5
88,5
9
9,510
10,511
[m]
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76
55,5
66,5
77,5
88,5
9
9,510
10,511
[m]
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 [m³/h]
En una bomba doble con opción de carga punta, el punto teórico con el margen de seguridad del 15% se puede cubrir con el funcionamiento paralelo de los dos cabezales.
¡Se evitan bombas sobredimensionadas!
Altura de impulsión
min0,5
11,5
2
2,53
3,54
4,5 Si el margen de seguridad era innecesario, el punto de diseño original quedaría cubierto por un único cabezal
28
Bomba doble con funcionamiento de carga punta
LCC-ElementStratos-D 80/Stratos-D 65/1-12 LCC: 7788 EUR
Inversión 6748 5257Energía 4891 2531
11639 7788
Stratos-D 80/1-12Stratos-D 65/1-12
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
€
años
Coste acumulado
Stratos-D 80/1-12 Stratos-D 65/1-12Stratos-D 80/1-12 LCC: 11639 EUR
Stratos-D 65/1-12 LCC: 7788 EUR
Energía 4891 2531Inversión 6748 5257
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000€
Coste del ciclo de vida
Ejemplo: Q = 25 m3/h H = 7,2 m.c.a. 4000 h/a 0,18 €/kWh
29
Optimización del funcionamiento paralelo
Funcionamiento carga puntaConexión 2ª bomba
Funcionamiento paralelo(2 bombas)
Q* = conexión/desconexión de la 2ª bomba en función del mejor rendimiento
Q*
P 1[W
]
Q[m³/h]
Seguridad+
Rendimiento
30
Optimización del funcionamiento paralelo de la función de carga punta
P1 = 1,31 kW
P1 = 0,96 kW
Ahorro adicional con el modo carga base/carga punta al
caudal máximo: 26,7%
Altura de impulsión
Potencia absorbida P1
4 m
max
max
1234
56
789
10
1112
[m]
0,20,40,60,8
11,21,41,61,8
22,22,42,62,8
33,2
[kW]
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 [m³/h]
4 m
31
Proyectos de caudal variable
Memoria de proyecto:“Bomba electrónica (una de funcionamiento + una de reserva) con variador de frecuencia integrado, para un caudal Q de 200 m3/h y una altura de impulsión H de 16 m.c.a., de 1450 rpm”
IL-E 150/250-15/4, 4 polosP1=13,5 kW
IL-E 100/150-15/2, 2 polosP1=13,6 kW
Caudal [%]
Tiempo [%]
100 6
75 15
50 35
25 44
32
Sistema de caudal variable - 2 polos vs. 4 polos, 1+12 x IL-E 2 pol2 x IL-E 4 polos LCC: 88253 EUR
Inversión 21120 23840Energía 48749 64413
69869 88253
2 x IL-E 2 polos2 x IL-E 4 polos
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
€
años2 x IL-E 2 polos2 x IL-E 4 polos
2 x IL-E 2 polosLCC: 69869 EUR
2 x IL-E 4 polosLCC: 88253 EUR
Energía 48749 64413Inversión 21120 23840
0100002000030000400005000060000700008000090000
100000€
Ejemplo: Bombas electrónicas p-c Q = 200 m3/h H = 16 m.c.a. 5000 h/a 0,09 €/kWh
Ahorro energético: 15.664 € (24,3%)
Caudal [%]
Tiempo [%]
100 6
75 15
50 35
25 44
33
Sistema de caudal variable – 2+1 bombas vs. 1+1 bombas3 x IL-E 2 pol2 x IL-E 2 polos LCC: 69869 EUR
Inversión 19900 21120Energía 42926 48749
62826 69869
3 x IL-E 2 polos2 x IL-E 2 polos
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
€
años3 x IL-E 2 polos2 x IL-E 2 polos
3 x IL-E 2 polosLCC: 62826 EUR
2 x IL-E 2 polosLCC: 69869 EUR
Energía 42926 48749Inversión 19900 21120
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000€
Ejemplo: Bombas electrónicas p-c Q = 200 m3/h H = 16 m.c.a. 5000 h/a 0,09 €/kWh
Ahorro energético: 5.820 € (11,9%)
Caudal [%]
Tiempo [%]
100 6
75 15
50 35
25 44
34
Sistema de caudal variable – Imán permanente vs. motor asíncrono3 x Stratos G3 x IL-E 2 polos LCC: 62826 EUR
Inversión 20497 19900Energía 36338 42926
56835 62826
3 x Stratos GIGA3 x IL-E 2 polos
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
€
años3 x Stratos GIGA3 x IL-E 2 polos
3 x Stratos GIGALCC: 56835 EUR
3 x IL-E 2 polosLCC: 62826 EUR
Energía 36338 42926Inversión 20497 19900
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000€
Ejemplo: Bombas electrónicas p-c Q = 200 m3/h H = 16 m.c.a. 5000 h/a 0,09 €/kWh
Ahorro energético: 6.588 € (15,3%)
Caudal [%]
Tiempo [%]
100 6
75 15
50 35
25 44
35
Coste del ciclo de vida – Bombas en paralelo para reparto de carga 3 Stratos GIG2 IL-E 4 polos LCC: 88253 EUR
Inversión 20497 23840Energía 36338 64413
56835 88253
3 Stratos GIGA2 IL-E 4 polos
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
€
años3 Stratos GIGA2 IL-E 4 polos
3 Stratos GIGALCC: 56835 EUR
2 IL-E 4 polosLCC: 88253 EUR
Energía 36338 64413Inversión 20497 23840
0100002000030000400005000060000700008000090000
100000€
Ejemplo: Bombas electrónicas p-c Q = 200 m3/h H = 16 m.c.a. 5000 h/a 0,09 €/kWh
Ahorro energético total: 28.075 € (43,6%)
Caudal [%]
Tiempo [%]
100 6
75 15
50 35
25 44
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