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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
LABORATORIO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS RENOVABLES
IE-05
PERSPECTIVAS POR EL USO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA PARA EL
CALENTAMIENTO DE EDIFICIOS EN LA CIUDAD DE MEXICO
Agustín Torres Rodríguez, David Morillón Gálvez*

RESUMEN
El presente trabajo trata sobre las perspectivas de uso de los
sistemas que tienen como fuente de calor el subsuelo en la época
de invierno en la ciudad de México. Se muestran los principales
componentes mecánicos del sistema con bomba de calor que sirven
para extraer este calor del subsuelo y suministrarlo para calentar
las habitaciones de los edificios. Se presentan los principales
serpentines que existen en la actualidad para captar el calor y las
etapas de diseño que puede comprender este tipo de sistemas para
que se pueda instalar un sistema de estos en la capital mexicana. Se
describen algunos ejemplos de normas canadienses que rigen en la
actualidad, la instalación de este tipo de sistemas en ese país a
manera de ejemplo. Y finalmente se resaltan los beneficios
energéticos y técnicos que se tendrían si se diseñara e instalará este
tipo de sistemas en los edificios de la ciudad de México,
comparándolos con los sistemas de calentamiento convencionales.
Se sugieren nuevos campos de investigación y desarrollo
tecnológico que ayudarían a disminuir las demandas energéticas de
este tipo de sistemas en beneficio del confort de los ocupantes de
estos edificios.
ABSTRACT
The present document treats over perspectives to use of systems
that they have like heat source subsoil in winter season in Mexico
City. It shows the main mechanical components system with heat
pump which is serves for extrudering subsoil´s heat and it supplies
for heating building´s rooms. It is presented the main coils that
there is real in order to get heat and steps of design which is
involved in this type of systems for that it can install a system of
these in Mexican center. It is described some examples with
Canadians standards that are reigned in nowadays, the installation
of this type systems in this country as example. And finally it
shows energetic and technical benefits that it would have if we
would design or we would install this type of systems in buildings
of Mexico City, they are compared with conventional heating
systems. It is suggested new fields for researching and
technological development that they would help to decrease
energetic demands of these types of systems in benefit to
occupants´ comfort of these buildings.

* Universidad Nacional Autónoma de México, Postgrado
de Ingeniería en Energía e Instituto de Ingeniería,
[email protected], [email protected]
Palabras claves: bomba de calor, geotermia, calentamiento,
subsuelo, serpentín.
INTRODUCCIÓN
Desde la década de los 50´s en que se empezaron a
instalar los primeros sistemas activos de climatización en las
diferentes delegaciones y municipios conurbados de la ciudad de
México hasta nuestros días su uso se ha vuelto muy común. Dentro
de estos sistemas los equipos con bomba de calor con fuente el aire
son las de más uso, aunque también se tienen las bombas de calor
con fuente agua.
A principios del año 2000 las principales empresas
norteamericanas comerciales desarrollan sistemas que además de
ser más compactos utilizan electrónica avanzada para el control de
las unidades. Con ello se tiene sistemas que no solo enfrían sino
también calientan. En esta década estas empresas empiezan ha
desarrollar investigación sobre la utilización de las bombas de
calor con aplicaciones geotérmicas. Y en 2005 ya se tienen en
México en stock los primeros sistemas pero no se utilizan. Otro
países de origen asiático como Japón desarrollan a principios de
2001 investigación sobre el tema geotérmico e incorporan a sus
principales sistemas centrales la bomba de calor con fuente agua y
geotérmica para su venta comercial en la ciudad de México.
COMPONENTES MECÁNICOS
Un sistema con bomba de calor está constituido básicamente por
los siguientes elementos:
1.
2.
3.
4.
El sistema de refrigeración mecánico
Un serpentín de tubería de plástico resistente a los
cambios de temperatura del agua. Y que generalmente se
entierra a grandes profundidades
Una bomba de agua centrífuga
Un sistema de ductos
Sistema de refrigeración mecánica
El sistema de refrigeración mecánica esta compuesto
básicamente de un compresor de tipo espiral, dos serpentines de
cobre con aletas de aluminio, tubería de cobre por la cual circula
gas refrigerante que puede ser R22 o R410A. Una válvula
reversible de 4 vías y un serpentín de tipo circular por el cual
circula en un tubo interior el gas refrigerante y por exterior agua.
Otro elemento mecánico es el sistema de expansión a base de una
válvula del tipo termostática.
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Figura 3.- Serpentín vertical para captación del calor del
subsuelo
Figura 1.- Elementos mecánicos de una bomba de calor
El sistema puede operar tanto para enfriar como para
calentar, es decir en dos modos, de calentamiento y enfriamiento
(ver figura 2)
Figura 2.- Bomba de calor geotérmica en el modo de
calentamiento
Los serpentines de captación de calor se clasifican en cerrados y
abiertos. Los primeros pueden ser de tipo vertical, horizontal y
circular. Los segundos son verticales y generalmente se conectan a
un lago o pozo cercano. Los serpentines cerrados pueden ser
conectados en serie o en paralelo. En la figura 4 se muestra un
ejemplo de un serpentín conectado en paralelo.
FUENTE: Mitsubishi
Figura 4.- Serpentín enterrado conectado en paralelo
El serpentín enterrado
Otro elemento importante del sistema geotérmico es el
serpentín de tubería de plástico que se entierra en el subsuelo entre
100 y 300 metros para lograr captar el calor. En la figura 3 se
muestra una edificio que es calentado mediante un serpentín del
tipo vertical.
Existen otros tipos de serpentines de cobre que son enterrados. Su
manufactura es de origen norteamericana. En la figura 5 se muestra
un ejemplo de este tipo de serpentines.
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-Considerar la perforación a realizar en cuanto a las dimensiones y
profundidad
LEGISLACIÓN
Se debe contar en México con una legislación que norme este tipo
de instalaciones como las que se tienen en otros países como
Canadá, España y los Estados Unidos de América. Por ejemplo en
Canadá se cuenta con la norma CAN/CSA serie 02 que es la
Norma de Concepción e Instalación de Sistemas Geotérmicos,
compuesta de tres partes:
1) C448.1-02. Diseño e instalación de Sistemas de Energía de la
Tierra para Edificios Comerciales e Institucionales que comprende
las exigencias aplicables a estos sistemas
Figura 5.- Serpentín de cobre de tipo vertical
TEMPERATURA CONSTANTE DE SUBSUELO
A una profundidad de 8 o 9 metros la temperatura del subsuelo es
constante la mayor parte del año. Esto significa que se cuenta con
un medio con temperatura más estable que la que se tiene con el
aire o el agua. Es de considerar que no se cuentan con grandes
cambios en el clima como las que se tienen en países como Canadá
o los Estados Unidos de América. Según estudios reportados por
algunos investigadores canadienses el subsuelo absorbe el 46% de
la energía solar que llega ha la tierra.
ETAPAS HA CONSIDERAR PARA EL DISEÑO DE UN
SISTEMA GEOTÉRMICO
Etapas preliminares (a desarrollar por el arquitecto, el ingeniero o
el propietario)
-Determinar las condiciones de confort
-Determinar la carga de calefacción
-Tomar en cuanta las tarifas eléctricas comerciales del lugar
2) C448.2-02. Diseño e instalación de Sistemas de Energía de la
Tierra para Edificios para Edificios pequeños y residenciales, que
comprende las exigencias aplicables a edificios pequeños y casas
3) C448.3-02. Diseño e Instalación de Sistemas de Almacenaje de
Energía Térmica bajo la tierra que se aplica al almacenaje de la
energía en el subsuelo para su utilización posterior
POSIBILIDADES DE USO
En al ciudad de México existe la posibilidad de utilizar este tipo de
sistemas, pues se cuenta con grandes espacios como son glorietas.
El serpentín puede ir enterrado y adecuarse con arena y vegetación.
La arena con propiedades ópticas de absorción de la radiación solar
más de 0.5 y la vegetación para embellecer la arquitectura del
paisaje del sitio.
Estas glorietas existen aun en los espacios con grandes
concentraciones de edificios. En la foto de la figura 6 se muestra
un ejemplo de ello. Aquí se puede utilizar el sistema geotérmico
para calentar los 5 primeros pisos de los edificios conurbados a la
glorieta.
Otras consideraciones
-La superficie del terreno es de vial importancia
-Las características geofísicas y ópticas de la tierra
-Detalles sobre la localización
-Realizar una simulación con algún software especializado del
posible sistema (GLHEPRO 4.0 o el GDL2010)
Realizar un estudio de factibilidad detallada
-Realizar un estudio comparativo que considere otras opciones de
calentamiento
-Realizar un estudio del costo global sobre el ciclo de vida del
sistema
-Realizar un estudio sobre los costos de adquisición de las
refacciones en caso de algún desperfecto
Concepción detallada
-Seleccionar un sistema en función de sus características y
necesidades
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Figura 6.- Glorieta en donde se puede enterrar el serpentin
captador de calor
Cuando se trata de edificios de más de 5 pisos se pueden
diseñar terrazas que alojen arena para que esta capte la radiación
solar y ahí sumergir el serpentín, claro considerando los siguientes
inconvenientes:
1.
2.
3.
4.
5.
Que la orientación del edificio tienen que ser dando las
terrazas al sur
Se tiene que considerar el aumento del peso de la
estructura del edificio con el agregado de arena
Se tiene que considerar que el volado de la terraza no sea
mayor a 2 metros
Se tienen que considerar una placa de vidrio de alta
resistencia a la acción del viento a alturas mayores a 15
metros y evitar que esta se vuele
El limitante del espacio en la terraza solo permitirá alojar
un serpentín de captación para un equipo de no más de
10.5 kW
En la figura 7 se muestran un edificio llamado Torre
Maple del Conjunto Residencial Lomas II en la Colonia Palmas
Reforma, que NO puede alojar este tipo de sistemas. Se ve como la
sombra cubre la parte posterior del edificio y su fachada principal
da hacia el sur la mayor parte del día. La simulación se logro con
el programa ECOTEC Analysis 2010.
no utilizan condensadores enfriados por aire no generan ruido en
las azoteas de los edificios. Debido a que sus compresores no están
en la unidad exterior no son presa de robo, ya que los sistemas
divididos sino se instalan en las azoteas del edificios se ocupan
espacios como jardines o jardineras que promueven el robo de la
unidad condensadora.
El proceso de mantenimiento es rápido pues solo se
enfoca a la limpieza de filtros y engrasado de las chumaceras del
ventilador interior. Además estos sistemas no requieren de
calefacción auxiliar como resistencias eléctricas o calentadores de
agua que consuman gas.
Si se planea adecuadamente los sistemas solo climatizan
por cuarto u oficina del edificio y por lo tanto en caso de
desperfecto y ha diferencia de un sistema centralizado el edificio
solo se ve afectado en una habitación o zona y no en todo su
espacio.
CONCLUSIONES
Debido ha los requerimientos energéticos de calentamiento que se
tienen en la mayoría de los edificios de la ciudad de México y al
constante incremento de los precios del gas se tiene la necesidad de
voltear a ver estos sistemas ya no como un lujo sino como una
posibilidad real de climatización. Los altos consumos de energía
eléctrica reportados en los recibos de la Comisión Federal de
Electricidad en la ciudad de México por el uso de calefactores
eléctricos para los meses de noviembre, diciembre, enero y febrero
así la pérdida de la captación de calor del aire de los sistemas con
bomba de calor hacen necesaria la obtención de este de otras
fuentes como lo es el subsuelo. Temperaturas más estables y ricas
en calor son no solo una mejor opción sino una fuente de
investigación y desarrollo tecnológico para México.
En época de invierno los edificios sufren de aire muy frío
sobretodo en la zona poniente de la ciudad de México, de ahí que
delegaciones como Álvaro Obregón, Cuajimalpa y Tlalpan
requieran cada año la utilización de sistemas de calefacción
altamente demandantes de electricidad y gas.
Figura 7. Edificio con terrazas orientadas al norte en Reforma
BENEFICIOS
Según la literatura las bombas de calor con fuente el subsuelo
utilizan de un 25 a un 50% menos electricidad que los sistemas de
calentamiento y enfriamiento convencionales. Mejoran el control
de la humedad relativa interior del cuarto en hasta un 50%. Los
gabinetes en los que están contenidos los sistemas de refrigeración
son en su gran mayoría compactos y con capacidad de hasta
17.4kW. No requieren la utilización de bancos de resistencias
eléctricas para suplir la falta de calor que se tiene cuando la
temperatura del aire exterior desciende mucho. El tiempo de vida
estimado para los serpentines enterrados es de 25 a 50 años. Como
La energía geotérmica hasta solo utilizada en la
generación de electricidad en México representa también una
opción para climatizar los grandes edificios y proporcionar confort
a sus ocupantes. Esto representa un reto que los ingenieros
mexicanos podemos tomar, desarrollar y aprovechar en beneficio
de la población mexicana que cada año sufre en el periodo invernal
de extremo aire frío.
Finalmente se debe resaltar que esta es una opción de
calentamiento todavía no explorada en México pero no por ello
menos importante, y se tienen las condiciones necesarias para
proceder a su desarrollo. Para ello hacen falta análisis de
temperaturas del subsuelo en las diferentes zonas de la ciudad de
México a profundidades de por lo menos 2-15 metros, utilizar
diferentes serpentines construidos de diferentes materiales,
desarrollar mayor investigación en las propiedades de
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conductividad térmica de diferentes subsuelos, simular
dinámicamente el flujo de termofluidos en tuberías de diferentes
diámetros, probar diferentes tipos de circuitos en campo, etc.
NOMENCLATURA
kW = Kilowatts
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
[I] Mc Quay, Geothermal Heat Pump Design Manual, Mc Quay
Air Conditioning, Application Guide AG 31-008, Minneapolis,
Minnesota, USA, p. 6-32
[II] Mitsubishi City Multy VRF Technology” Mitsubishi Electric
Air Conditioning and Refrigeration Systems, CMTECH-10-0930M PD, C y press, California, USA, p. 31
[III] TRANE, Sistema de confort de condensación por agua
GEHA/GEVA, TRANE, WSHP-PRC003-ES, Octubre, NC,EUA,
p. 15
INFORMACIÓN ACADÉMICA
Dr. David Morillón Gálvez: Ingeniero civil egresado de la
Universidad de Guadalajara en 1986. Obtuvo el grado de Maestría
en diseño bioclimático en 1990 en la Universidad de Colima y
Doctorado en ingeniería por la Universidad Autónoma de México
en 1998. Ha sido autor de diversos artículos científicos y ha sido
presidente de la Asociación Nacional de Energía Solar en el
periodo comprendido entre el 2004 y el 2006. Actualmente es
investigador de tiempo completo en el instituto de ingeniería de la
Universidad Nacional Autónoma de México.
M.I Agustín Torres Rodríguez: Ingeniero mecánico electricista por
la Facultad de Estudios Superiores Aragón en 1999. Maestro en
ingeniería en el área de energía con especialidad en diseño
bioclimático, por la Facultad de ingeniería de la UNAM en 2009.
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