District Heating, las redes de calor en zonas rurales (y II)
Lunes, 22 Junio, 2020En la segunda parte del artículo de Cimbra, se analizan dos aspectos fundamentales en el uso de la District Heating o redes de calor en las zonas rurales: su dimensionado y el papel del Ingeniero Civil en el proceso de diseño e implantación de una medida, a base de biomasa, que puede ser fundamental para evitar que la España rural se vacíe completamente.
Proyectado y dimensionado de redes de calor
Continuando con la primera parte del artículo de Cimbra, en su número 414, vamos a analizar este ámbito de la implantación de las redes de calor. En este sentido, para las mismas, se pueden utilizar diferentes fuentes de calor (combustibles fósiles), aprovechar el calor residual de diferentes procesos industriales y, lo que resulta más interesante, la alimentación de las calderas a través de una fuente de energía renovable como es la biomasa, concretamente la astilla de madera o pellets.
Las redes de calor se realizan, principalmente, con sistema bitubo (impulsión/retorno). El agua calentada por la central de calefacción es transportada en la impulsión hasta los puntos de consumo. El agua enfriada vuelve a la central de calefacción por el retorno.
Diferentes tipologías
La forma de la red de calor viene determinada, principalmente, por los condicionantes constructivos (trazado de las calles, situación espacial de las casas que conectar, etc.), por el tamaño de la red y por la existencia de más de una central de generación de calor. De esta manera, existen tres tipologías de redes de calor:
- Redes radiales. Son las utilizadas en las redes de calor de menor tamaño. Los recorridos cortos de las tuberías y los pequeños diámetros se traducen en costes de construcción bajos y con pocas pérdidas de calor. Las ampliaciones solo son posibles a pequeña escala, debido a la reducida capacidad de la red.
Entre sus ventajas, se trata de un proyecto de red simple y es una tipología que siempre se puede llevar a cabo. Entre las desventajas, las ampliaciones posteriores solo son posibles a pequeña escala.
- Redes en anillo. Para actuaciones de mayor tamaño, con una o más centrales de calor, se presta a menudo la tipología de red en anillo. Gracias a ella, se pueden integrar varias centrales de generación de calor y se garantiza una mayor seguridad de suministro, porque frente a la rotura de alguna de las tuberías se puede continuar con el suministro a los diferentes consumidores.
La longitud de la tubería utilizada es mayor que en la red radial, de manera que los costes de inversión y pérdidas de calor son mayores. Estos sobrecostes se pueden minorar gracias al efecto del factor de simultaneidad.
Entre las ventajas, la integración de varias Centrales de Generación de Calor y la mayor seguridad de suministro. No obstante esto, este tipo solo es posible cuando la topología de la red es apropiada.
- Redes malladas. Proporcionan una seguridad de suministro óptima y mayores posibilidades de ampliación. Es la topología con un mayor coste de inversión y utilizada principalmente en las redes de calor municipales. Sus ventajas son la seguridad de suministro, la integración de varias Centrales de Generación de Calor y su opción de ser ampliable.
En el extremo contrario, el de las desventajas, es que presenta elevados costes, principalmente para redes de calor grandes.
Dimensionamiento de la red
Las redes de calor están en servicio, generalmente, todo el año. Suministran calor tanto para la calefacción como para el agua caliente sanitaria, si bien se dimensionan para soportar la carga pico del invierno.
La mayor parte del año, la red de calor funciona solo a carga parcial y la potencia máxima se precisa muy pocas horas al año. Esto se puede apreciar en la curva típica de demanda anual de una red de calor.
El proyecto y dimensionado de la red de calor es la base para que sea técnicamente realizable y viable económicamente. Para ello, se deben seguir necesariamente los siguientes pasos:
- Determinación de los usuarios que se conectarán o el cálculo de la demanda de calor. Se debe confeccionar un trazado aproximado, basado en consultas a los posibles usuarios, para estimar la rentabilidad.
Ésta aumenta, por regla general, a medida que crece el número de usuarios y se reduce la longitud de la conducción.
A continuación, hay que calcular la potencia nominal o la demanda térmica de cada uno de los consumidores. Un buen conocimiento de la demanda térmica es imprescindible para un diseño eficiente y rentable. Sin este dato, se tiende a sobredimensionar la red de calor.
Existen diferentes métodos para el cálculo de la demanda de calor, pero hemos comprobado que los dos más útiles son:
- Recopilación de los datos de consumo de energía de los años anteriores.
- Índice de consumo de energía (la demanda térmica referida a la superficie de vivienda a la que se suministra calor).
- Elección del sistema de generación de calor y de acumulación de inercia. Este es un punto que hay que decidir en las primeras fases del proyecto de una red de calor.
Normalmente, se realiza la generación de calor de forma centralizada y se distribuye desde la central a través de la red a los diferentes usuarios. No obstante, también es posible la generación de calor en diferentes puntos de la red.
Otro punto importante es la gestión de la acumulación de inercia. La demanda térmica de la red de calor no solo es estacional, también sufre grandes fluctuaciones a lo largo del día. Por ello, es más que recomendable la instalación de depósitos de inercia que permitan desacoplar temporalmente la generación de calor y la demanda térmica.
En una red de calor, la principal acumulación de inercia se encuentra en el interior de la red de tuberías de distribución. Se trata de miles de litros de agua que se mantienen a una temperatura fijada desde la central de generación de calor.
Los depósitos de inercia suelen instalarse en la central de generación de calor. De esta manera, se pueden controlar de forma centralizada. Otra posibilidad es la instalación de depósitos de inercia en los usuarios finales, lo que permite reducir la dimensión de las tuberías de distribución.
Esta última solución no suele utilizarse para evitar la instalación de elementos de la red en el interior de viviendas particulares, a excepción de grandes consumidores como pueden ser hoteles, colegios, etc.
- Diseño del trazado y ubicación central de la generación de calor. Al mismo tiempo que se realizan los pasos anteriores, hay que fijar un trazado de la red. Esto es necesario para poder calcular la simultaneidad de los diferentes trazados. Hay que tener en cuenta la distribución de los viales existentes, la existencia de otros servicios instalados, la ubicación de los principales consumidores, etc.
La ubicación de la central de generación de calor es tema de vital importancia en el diseño de una red. Por razones de eficiencia, es importante instalarla lo más próxima a los usuarios que abastecer, pero por razones de logística (descarga de combustible en los silos) es necesario encontrar una zona donde los camiones tengan espacio para maniobrar y descargar rápidamente.
Existen casos de redes de calor que han fracasado por la instalación de la central en puntos de muy difícil acceso o donde el llenado de los silos debía realizarse por métodos que encarecían el precio final del combustible (descarga manual, descarga neumática, etc.).
- Cálculo del factor de simultaneidad. Las distintas curvas de demanda de potencia de los consumidores individuales producen una dispersión temporal de los picos de potencia. Esto se conoce como simultaneidad y es por este motivo que la potencia total realmente requerida es menor que la suma de las potencias máximas individuales.
La simultaneidad influye en la generación de calor y en la red de calor en sí. Esto permite dimensionarla de forma más ajustada y eficiente.
A medida que aumenta el número de consumidores, la simultaneidad disminuye. La potencia total máxima realmente requerida de la central de generación de calor, en relación con la suma de las potencias máximas individuales, desciende a medida que aumenta el número de consumidores.
La simultaneidad no depende únicamente del número de usuarios conectados, también de su potencia nominal, de la tipología de los edificios y del sistema de depósitos de inercia.
Si los depósitos de inercia se encuentran distribuidos es necesario cambiar la forma de cálculo. Esto se debe a que los picos de carga producidos son absorbidos en parte por el depósito de inercia, alisando la curva de demanda.
El factor de simultaneidad depende de varios factores, valga la redundancia, y no existe un valor único para redes de calor. Es necesario realizar el cálculo para cada tubería o ramal individual. Generalmente, la tubería principal que parte de la central de calefacción presenta el factor de simultaneidad más bajo y éste va aumentando a lo largo de la red hasta llegar a las acometidas de los consumidores.
- Cálculo de calderas y depósitos de inercia (Central de Generación de Calor). La potencia máxima precisada por la red de calor es determinante para el diseño de las calderas y los depósitos de inercia. Generalmente, se instalan varios generadores de calor.
Se habla de un reparto modular de potencia cuando, en función de la demanda, se ponen en funcionamiento diversas calderas, que pueden trabajar en regímenes óptimos para cada caso.
La selección del tipo de caldera o fuente de calor (podría utilizarse el calor sobrante de una planta de cogeneración de biogás próximas) se debe adaptar a los recursos disponibles localmente.
Para minimizar aún más los ciclos de arranque y para de las calderas (carga media y carga pico), se utilizan los depósitos de inercia. El dimensionado de los depósitos debe estar adaptado a las calderas, la variación de la demanda térmica y al espacio disponible en la central de generación de calor.
- Cálculo del caudal volumétrico y de la diferencia de temperaturas requerida. Una vez conocido el trazado de las tuberías y de las diferentes demandas térmicas, se pueden calcular los caudales volumétricos necesarios para el dimensionamiento de las tuberías de la red de calor.
En primer lugar, hay que definir la diferencia objetiva entre la temperatura de la impulsión y la temperatura del retorno.
Las temperaturas típicas en las redes de calor suelen ser entre 65 y 85 grados en el retorno. Generalmente, se utiliza una diferencia de temperatura entre impulsión y retorno de 20 grados. El objetivo es obtener las diferencias de temperatura lo más grandes posibles, porque, en este caso, se reduce el caudal volumétrico, manteniendo constante la potencia requerida.
Se debe intentar mantener las temperaturas de la red de calor lo más bajas posibles para no tener pérdidas de calor innecesarias.
- Dimensiones de la tubería de distribución/determinación de la ruta crítica. Para el dimensionado, se toman los caudales máximos requeridos de los trazados individuales.
Los costes de inversión y los costes por pérdidas de calor aumentan a medida que se incrementa el diámetro de los tubos. Por el contrario, los costes por consumo eléctrico de las bombas disminuyen gracias a las menores pérdidas de carga. El dimensionamiento óptimo minimiza los costes totales.
Se debe realizar un dimensionamiento previo cuyo objetivo es identificar el ramal de tubería más desfavorable y su pérdida de carga en el contexto de la red completa.
A continuación, se trata de optimizar dicho ramal de tubería para la pérdida de carga total de la red mediante dimensionamiento adecuado de los diferentes ramales parciales.
- Diseño del equipo de bombeo. Una vez tenemos la totalidad de la red proyectada, solo queda diseñar el equipo de bombeo, que vendrá definido por la altura de elevación y el caudal máximo que transportar. Para conseguir una mayor eficiencia, es recomendable utilizar bombas reguladas electrónicamente.
El papel del ingeniero en la implantación de redes de calor
Los ingenieros, en nuestro papel de técnicos municipales y/o asesores de los municipios en la toma de decisiones para el desarrollo municipal, tenemos un papel importante y debemos apostar por la implantación de soluciones eficientes y que a la vez sean respetuosas con el medioambiente.
De esta manera, en ATG Enginyers, hemos trabajado en el desarrollo de proyectos y construcción de las dos primeras redes de calor de la Comunidad Valenciana, que dan servicio a la totalidad del casco urbano de los municipios de la comarca de Els Ports de Castellón, Todolella y Portell de Morella.
En 2017, el proyecto de la Red de Calor Todoella fue seleccionado por el Instituto Valenciano de la Competitividad (IVACE) para competir en la categoría de “Mejor actuación relacionada con las energías renovables y la eficiencia energética desarrollada en ayuntamientos de menos de 20.000 habitantes”. Además, este mismo proyecto ha sido reconocido con la mención de honor de la Asociación Española de Agencias de Energía (EnerAgen).
En 2018, el proyecto de Red de Calor, District Heating, y cogeneración alimentado por calderas de biomasa de Portell de Morella fue avalado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial. Esta actuación le valió el Premio Nacional de Energía de 2018 en la categoría de “Mejor actuación en materia de Energías Renovables y/o Eficiencia Energética promovida por ayuntamientos de menos de 20.000 habitantes”.
Autor: Sergio Casero. Ingeniero Civil y Director de ATG Enginyers.
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