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MANUAL TÉCNICO DEL USO DEL TERRENO
EN APLICACIONES DE GEOTERMIA DE BAJA
TEMPERATURA
Abril de 2015
Ìndice
Geotermia
Pág.
GLOSARIO DE TÉRMINOS
04
Introducción
a. Problemática
07
08
CAPÍTULO 1. Generalidades y campo de aplicación
A. Objeto
B. Contenido
C. Metodología del estudio
a. Límites
10
11
12
13
17
CAPÍTULO 2. Sistemas de bomba de calor geotérmica y ahorro energético
D. Conceptos teóricos
a. Bomba de calor
b. Modelo matemático
E. Situación actual de la geotermia de uso directo
18
19
19
21
24
CAPÍTULO 3. Potencial geotérmico en Guayaquil
F. Gradiente geotérmico y propiedades del terreno
G. Emplazamiento óptimo
25
26
28
CAPÍTULO 4. Diseño y dimensionado del sistema de intercambio de calor geotérmico
H. Cálculo de cargas térmicas
I. Estimación de temperaturas y caudales
a. Tipos de sumideros de calor
29
30
31
32
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Ìndice
Pág.
J. Desempeño de una bomba de calor
a. Bomba de calor agua-aire
b. Bomba de calor agua-agua
K. Calculo de la longitud de intercambio
L. Cálculo del potencial de ahorro energético
a. Rentabilidad de la inversión
35
37
39
40
45
46
CAPÍTULO 5. Montaje de la instalación
M. Perforaciones
N. Instalación de la tubería
O. Otros elementos del circuito
47
48
49
52
CAPÍTULO 6. Puesta en marcha y mantenimiento
P. Puesta en marcha
Q. Mantenimiento
53
54
55
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
56
APÉNDICES
57
Autores:
Guillermo Soriano, ESPOL
Ruben Villanueva, INER-ESPOL
Inmaculada González, INER
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Índice
Glosario de términos
Aislante
Dicho de un material: Que impide la transmisión del calor, la electricidad, el sonido, etc.
ASHRAE
La sociedad técnica de los Estados Unidos de América dedicada a mejorar la calidad de vida
a través de los avances tecnológicos relacionados a la calefacción, refrigeración, aire acondicionado y ventilación.
ASTM
Organismo de normalización de los Estados Unidos de América.
Bomba
Máquina o artefacto para elevar el agua u otro líquido y darle impulso en una dirección determinada.
Bomba de calor
Circuito frigorífico de ciclo reversible, que se utiliza para refrigeración y calefacción.
Caída de presión
Diferencia de presión total entre dos puntos de una instalación causada normalmente por la resistencia por fricción del flujo en un conducto o componente.
Cavitación
Formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones
que este experimenta en su presión.
Condensador
Cambiador de calor en el que el fluido frío permite llevar al otro de su fase gas a su fase líquida.
Eficiencia energética
Conjunto de programas y estrategias para reducir la energía que emplean determinados dispositivos y sistemas sin que se vea afectada la calidad de los servicios suministrados.
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Evaporador
Unidad de equipo para la concentración de disoluciones por evaporación de uno o varios
componentes más volátiles, que puede realizarse por aportación de calor o por disminución de
la presión.
Fuente de calor
Toda región que cede calor.
Grado día
Unidad de calor que representa un grado de temperatura que en un día dado la temperatura
media sobrepasa una temperatura umbral.
HVAC
Siglas de “heating, ventilation and air conditioning”.
Intercambiador de calor
Aparato diseñado para transferencia de calor entre dos fluidos o medios a diferente temperatura
y, normalmente, separados por una barrera física.
Longitud efectiva
Dimensión en la que un conducto recto contribuye a la longitud de una instalación de distribución
de un fluido.
Longitud equivalente
Longitud de un tramo recto de tubería o de conducto, que origina la misma pérdida de carga
que el o los componentes considerados.
Refrigerante
Sustancia que, por sus características, permite evacuar calor de un sistema mediante su propio
calentamiento o enfriamiento.
Sumidero de calor
Depósito o foco que absorbe energía en forma de calor.
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Termostato
Aparato que sirve para mantener automáticamente una determinada temperatura.
Tubería en U
Sección de tubería enterrada verticalmente donde el agua baja hasta la máxima profundidad
por una tubería y sube por otro tramo de tubería hasta la superficie mediante un codo en forma
de U en el extremo inferior.
Válvula
Mecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema.
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Introducción
El Gobierno de la República del Ecuador, en el
marco de las políticas de Cambio de la Matriz
Productiva y del Plan Nacional del Buen Vivir,
promueve el uso de las energías renovables y
de la eficiencia energética en el marco de la
Constitución, donde se indica que se deben fomentar las prácticas ambientalmente limpias, diversificadas y de bajo impacto que no pongan
en peligro la soberanía alimentaria, el equilibrio
ecológico ni el derecho al agua.
sumidero de calor para el reemplazo de torres
de enfriamiento/enfriadores evaporativos”, financiado por la Secretaría Nacional de Educación
Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación, SENESCYT, y ejecutado mediante convenio suscrito entre el Instituto Nacional de Eficiencia
Energética y Energías Renovables, entidad
adscrita al Ministerio de Electricidad y Energía
Renovable del Ecuador, y la Escuela Superior
Politécnica del Litoral de Guayaquil como
método para promover la eficiencia energética
El presente documento surge del proyecto de y el uso de energías renovables diversificadas..
investigación “Estudio para uso de suelo como
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a. Problemática
La ciudad de Santiago de Guayaquil se sitúa
en la costa litoral de la República del Ecuador
a unos 20 km de la aguas arriba de la desembocadura del río Guayas. Posee una población
de 2´350.915 siendo la ciudad más poblada
del país [1]. Ubicada en la costa del Pacífico,
posee un clima tropical, y es conocida como
la Perla del Pacífico. La ciudad de Guayaquil
ocupa una extensión de 345 km² de superficie
de los cuales 316 km² pertenecen a la tierra
firme (suelo) y los restantes 29 km² pertenecen a
los cuerpos de agua (ríos y esteros). La ciudad
se encuentra situada en la cuenca baja del río
Guayas, que nace en las provincias de Pichincha y Cotopaxi, el este de la ciudad está a
orillas del río Guayas, a unos 20 kilómetros de su
desembocadura en el Océano Pacífico, mientras está rodeada por el Estero Salado en su
parte suroccidental y el inicio de la cordillera
Chongón-Colonche, una cadena de montañas
de media altitud.
Debido a su latitud de 2º10’ S tiene un clima
húmedo y con temperaturas altas durante el día
gran parte del año, si bien las temperaturas se
ven moderadas en el invierno austral gracias a
las corrientes marítimas más frías. La temperatura
media es de 23°C a 33°C. El clima seco-tropical
en el cual predomina el ciclo seco, y las precipitaciones ocurren por lo general en los meses
de Febrero y Marzo.
Figura 1: Temperaturas en el aeropuerto de Guayaquil. Promedio 1990-2013 [2].
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Santiago de Guayaquil es una de las ciudades
más importantes del Ecuador, no solo por ser la
más grande y poblada del país, sino también
por ser un importante centro industrial y de comercio.
los sistemas de refrigeración y procesos industriales, mediante torres de enfriamiento.
Se estima que en el mix energético de Ecuador,
cada kWh generado equivale a una emisión de
289.64 g CO₂/kWh (2009) [3], de forma que es
Debido a la gran cantidad de edificios e indus- posible calcular la cantidad de CO₂ que se
trias es necesario el uso del agua como medio ahorra con una instalación de bomba de calor
de transferencia, para el rechazo de calor de geotérmica.
Figura 2: Evolución del consumo y las emisiones en la República del Ecuador [4].
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INER
CAPÍTULO 1. Generalidades y campo de aplicación
A. Objeto
B. Contenido
C. Metodología del estudio
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A. Objeto
El objeto de esta guía es fijar las condiciones
técnicas mínimas para el diseño y funcionamiento de un sistema de climatización por bombas
de calor geotérmica. Si bien existen multitud de
variantes, se hace énfasis en los de tipo vertical
por ser los más aptos para disipar una elevada
cantidad de energía térmica.
térmico de las personas o al mantenimiento de
una temperatura en el interior de los edificios.
Estas instalaciones intercambian calor con el terreno mediante un flujo caloportador en circuito
cerrado. El terreno utilizado para estas instalaciones no tiene suficientes recursos geotérmicos
para producir energía eléctrica mediante el
A efectos de la aplicación de este manual, se aprovechamiento del vapor de agua por ser
considerará como instalación geotérmica de una zona relativamente superficial y encontrarse
baja temperatura, a las instalaciones fijas de cli- a una temperatura inferior a 50 ºC.
matización destinadas a atender al bienestar
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B. Contenido
Con el fin de facilitar su comprensión y utiliza- El Capítulo 4 contiene los pasos para el cálción, este manual se ordena en los siguientes culo de una instalación geotérmica por sumidecapítulos:
ro de calor vertical aplicable a un clima cálido
El Capítulo 1 contiene las generalidades sobre la utilización y contenido de esta guía, la
problemática de la refrigeración de edificios
y un resumen de la metodología en base a la
cual se ha realizado la investigación.
El Capítulo 5 es una guía para perforación y
colocación de la tubería enterrada y los elementos necesarios para el funcionamiento de la
instalación.
El Capítulo 6 da unos consejos básicos de
El Capítulo 2 hace referencia a las bombas de operación y mantenimiento, aplicables a cualcalor en su aplicación como forma de climatizar quier tipo de instalación similar.
un edificio y en especial las de tipo geotérmico,
además de mostrar un desarrollo teórico básico. Se completa con las referencias bibliográficas,
varios anexos útiles para la fase de diseño y
El Capítulo 3 muestra el potencial geotérmico cálculo.
de la ciudad de Guayaquil en base a los datos
recogidos.
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C. Metodología del estudio
Se han realizado mediciones del consumo energético y del funcionamiento de una torre de enfriamiento real con el fin de servir de punto de
partida para el diseño de un sistema alternativo
que ofrezca la misma capacidad de refrigeración pero con mayor eficiencia energética y un
menor impacto medio ambiental.
Para el correcto funcionamiento del sistema de
enfriamiento geotérmico es necesario el conocimiento de las características térmicas del terreno, por lo que se han realizado varias perforaciones en la ciudad de Guayaquil para su
medición. Una vez conocidos los permisos administrativos necesarios para las obras, se consultaron los mapas geológicos disponibles para
estimar en un primer momento las ubicaciones
más idóneas. La distribución de las perforaciones por toda la ciudad se determinó fundamentalmente por las características litológicas y la
cercanía al nivel freático de cada punto.
Las coordenadas obtenidas por el GPS “Garmin, modelo Oregón 550”, de cada uno de los
puntos estudiados se exponen en la siguiente
tabla:
Perforación
Denominación
Fecha
de inicio
Ambiente
sedimentario
Coordenada
X
Coordenada
y
Profundidad
(m)
P-1
Espol
20/12/2013
F. Cayo
0615971
9761947
60
P-2
Universidad
Guayaquil
06/02/2014
Depósito estuario
0625682
9749741
60
P-3
Base Naval Norte
31/01/2014
Depósito aluvial
0624700
9761136
60
P-4
P-5
Centro Cívico
25/11/2013
Depósito estuario
0622853
9755713
50
Astinave
27/11/2013
Depósito estuario
0623914
9754883
50
P-6
Hospital Teodoro
Maldonado Carbo
17/12/2013
Depósito estuario
0622391
9753074
60
P-7
P-8
P-9
Esclusa
07/02/2014
Depósito estuario
0622410
9753066
60
Base Naval Sur
27/01/2014
Depósito estuario
0621493
9749474
60
Central Eléctrica.
Trinitaria
06/12/2013
Depósito estuario
0621337
9751066
50
Policía Militar del
suburbio
11/12/2013
Depósito estuario
0617762
9754724
60
P-10
Tabla 1: Localización de las zonas de perforación.
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Las perforaciones tienen una profundidad de
H=50 m y 60 m y un diámetro de D=113 mm.
Para el relleno se ha elegido una lechada de
cemento, que debe asegurar la estanqueidad
del sistema de tuberías a la vez que protegerlas
del entorno. La conductividad teórica de la lechada y de la tubería es baja por el tipo de materiales que se usan, sin embargo la gran super-
ficie disponible facilita la transferencia de calor.
Se realizaron 9 ensayos de 48 horas cada uno,
durante las pruebas hubo un registro cada 2
minutos de las temperaturas de entrada y salida
del fluido, velocidad de flujo de la bomba y la
potencia de calor trasferido al agua de circulación.
Figura 3: Evolución de las temperaturas durante las pruebas.
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Para conocer las propiedades térmicas del terreno, lo más común es ver cómo reacciona la
temperatura del terreno ante la introducción de
calor, estas pruebas se conocen como “Thermal
Response Test” o TRT. Se basan en el calentamiento del terreno mediante un tubo en U por el
que se hace circular un fluido en circuito cerrado, normalmente agua, y se miden las temperaturas de entrada y salida a lo largo del tiempo.
En primer lugar es necesario determinar la temperatura a la que se encuentra el terreno sin
perturbar, para lo cual se introduce agua sin
calentar y se va midiendo la temperatura de
salida hasta que esta no sufra variaciones. Aunque este método en efecto introduce cierta
perturbación en la temperatura.
Figura 4: Test de respuesta térmica
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Los ensayos de laboratorio para la identificación de las muestras extraídas en las perforaciones han sido: el contenido en humedad
(según norma UNE 103300:94), determinación del límite líquido (según UNE 103103:94),
determinación del límite plástico (según UNE
103104:93), análisis granulométrico (según norma UNE 103101:95) y densidad de los sólidos
(según ASTMD 854). Una vez recopilados los
resultados de los ensayos anteriormente nombrados se procede a clasificarlos mediante la
ASTMD 2487-69.
Los análisis realizados por el Laboratorio de
ensayos metrológicos y de materiales “Lemat”
han sido la determinación de la composición
mineralógica cristalina por medio del ensayo
de difractometria (XRD), determinación de la
composición de los cristales amorfos por medio
del ensayo de Espectroscopia (FIT-IR), determinación del porcentaje de minerales extraños,
% materia orgánica por medio del Calorimetría
diferencial (DSC) y determinación del contenido de fibra de materiales compuestos mediante
Termogravimetria (TGA).
plástico; el límite plástico la cantidad de agua
que separa el estado plástico del estado semisólido; el análisis granulométrico determina el
porcentaje de partículas de diferente tamaño
existentes y la densidad de sólidos el cociente
entre la masa y el volumen.
La determinación de la composición mineralógica cristalina se determina por medio del ensayo de difractometria (XRD), la determinación
de la composición de los cristales amorfos por
medio del ensayo de espectroscopia (FIT-IR),
la determinación del porcentaje de minerales
extraños, porcentaje materia orgánica por medio del calorimetría diferencial (DSC) y la determinación del contenido de fibra de materiales
compuestos mediante termogravimetria (TGA).
Con los datos obtenidos de la identificación
de suelos se procede a clasificar las muestras
según la norma ASTMD 2487-69.
Durante la realización de las perforaciones se
localizó el nivel freático en todas las perforaciones excepto en la P-1 (Espol). La profundidad del nivel freático se midió mediante una
El ensayo del contenido de humedad deter- sonda piezométrica, encontrándose entre 0.70
mina el porcentaje de agua que existe en la m (en P-3, Base naval Norte) y 2.00 m (en P-8,
muestra, el límite líquido el porcentaje de agua Base naval Sur).
que separa el estado semilíquido del estado
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a. Límites
El proceso de toma de datos in situ está limitado a la ciudad de Guayaquil, donde se han
realizado 10 perforaciones a fin de estimar las
propiedades térmicas del terreno. Por razones
prácticas sólo se puede perforar en determina-
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dos lugares ya que puede haber impedimentos
de tipo administrativo, logístico o de seguridad.
La duración de las pruebas puede estar limitada por los mismo motivos, y de ella depende los
resultados obtenidos.
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CAPÍTULO 2. Sistemas de bomba de calor geotérmica y
ahorro energético
D. Conceptos teóricos
E. Situación actual de la geotermia de uso directo
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D. Conceptos teóricos
a. Bomba de calor
Una bomba de calor es una máquina térmica
que transfiere calor de un foco frío a otro caliente mediante el uso de energía exterior, normalmente por un motor eléctrico, que hace mover
un fluido en circuito cerrado que es el encargado del transporte del calor por cambios en su
temperatura. Su utilización vendrá condicionada por el precio de los combustibles fósiles y de
la energía eléctrica, ya que es una alternativa
más económica en su funcionamiento pero con
costes iniciales relativamente altos comparada
con otros tipos de tecnologías.
Consta de un evaporador en el foco frío, el
cual se encarga de absorber calor, y un condensador en el foco caliente, que se encarga de cederlo; tanto el evaporador como el
condensador son intercambiadores de calor
entre los focos de temperatura y el fluido caloportador. Para que los intercambios de calor se
Pág. 19
puedan realizar, es condición necesaria que el
fluido este a una temperatura menor que la del
foco frío en el evaporador y a una temperatura
mayor que el foco caliente en el condensador,
esto se logra mediante los cambios de presión
que tienen lugar en el compresor y la válvula de
expansión.
El movimiento de este fluido a lo largo del circuito normalmente es responsabilidad de un motor eléctrico que mueve el fluido mediante un
compresor, de forma que en el condensador la
presión es siempre mayor que en el evaporador. Este fluido puede ser un gas o bien una
sustancia que realice un cambio de fase en su
recorrido por el circuito, de forma que se pueda
aprovechar la alta entalpia (energía interna)
de cambio de fase que presentan los fluidos
para mejorar la absorción y cesión de calor.
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Índice
INER
Q
Q
W
M
QF
Qc
Figura 5: Esquema de una bomba de calor geotérmica.
La bomba de calor puede ser usada en forma inversa de manera que el evaporador y el
condensador pueden intercambiar su función
mediante una válvula que invierte el sentido de
circulación del fluido. Esto es especialmente útil
Pág.
cuando las necesidades de climatización de
un espacio cambien estacionalmente, siendo
necesario calentar y enfriar en distintas épocas
del año.
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INER
b. Modelo matemático
Los principios teóricos de funcionamiento de
una bomba de calor fueron establecidos por
Sadi Carnot en el siglo XIX. El desarrollo un ciclo
mediante el cual se transfiere calor de un foco
frío a uno caliente mediante una sucesión de
etapas [5]:
4-1 → transferencia de calor desde el foco frío.
Sin embargo, un proceso real introduce ciertas
irreversibilidades que imposibilitan los procesos
isoentrópicos. Además el fluido de trabajo se
suele llevar hasta la fase de vapor saturado
para mejorar el trabajo del compresor al no ha1-2 → compresión isoentrópica.
ber gotas suspendidas. El calor transferido ha2-3 → transferencia de calor en el condensa- cia o desde el fluido tiene que ver con el tipo
dor al foco caliente.
de fluido, el caudal másico y el incremento o
3-4 → estrangulamiento isoentrópico hasta la decremento de su temperatura:
presión del evaporador.
Qcondensador
T2
Líquido
Tcondensador
Tevaporador
3
Vapor
4
1
Qevaporador
S
Figura 6: Diagrama T-s de un ciclo de compresión de vapor.
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Índice
INER
El rendimiento máximo de cualquier bomba de calor en un ciclo de Carnot ideal corresponde a
un ciclo reversible, y depende de las temperaturas de los focos frío y caliente. Para el caso de
enfriamiento el rendimiento mejora al bajar la temperatura del foco caliente, esto se debe a que
baja la demanda en ambos casos.
Siendo TC y TF las temperaturas de los focos caliente y frío.
Aproximadamente por debajo de una temperatura de foco frío de 0ºC el rendimiento de la máquina de calor es demasiado bajo, y en el caso de servir para realizar el calentamiento de agua
puede ser más ventajoso el empleo del efecto joule [6].
Sin embargo, un ciclo real tiene irreversibilidades en su funcionamiento que hacen aumentar la
entropía y por tanto hacen necesario un aumento de la energía externa suministrada al ciclo. De
forma que el rendimiento real (llamado COP) para el caso de que el efecto útil sea el de calentamiento o enfriamiento es respetivamente:
Siendo h la entalpía en cada estado.
El calor proporcionado al foco caliente será:
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INER
Siendo
la energía proporcionada por el compresor para mover el fluido.
Se puede calcular los balances de energía y exergía mediante [7]; [8] y [9]:
Ψ: es el flujo de exergía
Donde:
Qk: Es la potencia calorífica a través del con- h: la entalpia
torno a la temperatura
s: la entropía
T0: Temperatura de entrada de calor
I: la destrución de exergía, y;
Tk: Temperatura de salida de calor
0: indica que las propiedades se han de medir
W: es el trabajo
en el estado muerto.
El análisis exergético puede ayudar a identificar recursos y sus costos. Estos balances se pueden
componentes ineficientes, mientras que el análi- aplicar a cada elemento de la bomba de casis energético es útil para estimar el consumo de lor.
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E. Situación actual de la geotermia de uso directo
La energía geotérmica de uso directo se usa en
muchos países para aplicaciones domésticas e
industriales como calentamiento o enfriamiento
de espacios, cultivo en invernaderos, acuacultura, secado de productos agrícolas, etc. A fecha
de 2009 se estima que el uso de este tipo de
energía a nivel mundial fue de 438 Peta Joules
con unas 2.9 millones de unidades instaladas,
siendo los países que hacen mayor uso de este
Pág.
tipo de instalaciones China, Estados Unidos,
Suecia, Turquía, Japón, Noruega, Islandia, Francia, Alemania y Países Bajos. Así mismo se estima
que entre 2010 y 2020 la potencia instalada
de tipo geotérmica para uso directo se triplique
en todo el mundo [4], a ello contribuye el cada
vez mayor número de fabricantes y de productos en el mercado junto con una mayor difusión
y conocimiento de este tipo de tecnología.
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CAPÍTULO 3. Potencial geotérmico en Guayaquil
F. Gradiente geotérmico y propiedades del terreno
G. Emplazamiento óptimo
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F. Gradiente geotérmico y propiedades del terreno.
Las capas superficiales del terreno varían su
temperatura a lo largo del año debido fundamentalmente al calentamiento provocado por
la radicación solar. Sin embargo el terreno posee una gran inercia térmica, lo que hace que su
temperatura a cierta profundidad se mantenga
casi constante a lo largo del año con independencia de las condiciones ambientales exteriores, de tal forma que se puede considerar que
a unos 5 metros de profundidad la temperatura
no varía a lo largo del día, y a partir de 10 metros se mantiene constante durante todo el año.
Figura 7: Variación estacional de la temperatura en caliza a varias profundidades [10].
A partir de 100 metros de profundidad se debería tener en cuenta el gradiente geotérmico
de la Tierra, que se estima en unos 15-30 ºC/km,
provocado por el calor que se transmite desde
Pág.
los materiales fundidos del núcleo. Por ese motivo la mayoría de instalaciones geotérmicas de
baja entalpía no suelen profundizar más allá de
80 metros.
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Índice
INER
Las propiedades térmicas del terreno son importantes para la estimación del potencial de
utilización de un sumidero de calor. Estas propiedades dependerán de su composición mineral, su compactación, la presencia de agua
ESTERO
Máximo
Mínimo
Media
subterránea o la radiación solar absorbida entre otros. De todas sus propiedades las más importantes son la temperatura, la conductividad
y la difusividad, que serán necesarias conocer
para realizar los cálculos del diseño.
ALUVIAL
ROCA
(W/mK)
(W/mK)
(m²/día)
(mK/W)
(W/mK)
(m²/día)
(mK/W)
(W/mK)
(m²/día)
0.524
1.312
0.144
0.469
1.020
0.075
0.421
1.674
0.386
0.267
1.069
0.049
0.324
1.014
0.064
0.326
1.672
0.240
R
0.080
K
0.782
a
0.017
R
0.180
K
1.008
a
0.053
R
0.230
Tabla 2: Valores promedio de propiedades del terreno medidas.
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K
1.670
a
0.094
Pág.
Índice
INER
G. Emplazamiento óptimo
La temperatura es un valor fundamental para
establecer la longitud de la tubería enterrada
necesaria ya que una menor temperatura implica una mejor transferencia de calor. Si bien
la temperatura varía con la profundidad, se ha
de tomar un valor medio a lo largo de todo el
tramo vertical de las tuberías, lo que se puede
conseguir haciendo circular agua por una tubería vertical en U y tomando su valor medio al
cabo del tiempo.
La conductividad es la capacidad que tiene
el terreno para disipar el calor por conducción,
siendo esta una propiedad interesante para
las instalaciones que necesiten funcionar durante muchas horas al día, de forma que el calor
no se concentre entorno al sumidero de calor y
la temperatura se eleve reduciendo la capaci-
Pág.
dad de enfriamiento.
La difusividad es la relación entre la conductividad y el producto de la densidad por la
capacidad calorífica. Representa la velocidad
con que la temperatura puede aumentar en un
sólido. Valores altos indican un gran aumento
de temperatura y pueden ser interesantes para
sumideros que deban funcionar durante muchas
horas al día. Los valores bajos, sin embargo,
pueden mejorar el desempeño de un sumidero
típico ya que la temperatura se ve afectada en
menor valor por el bombeo de agua caliente.
Se ha comprobado experimentalmente que
una masa de agua próxima mejora considerablemente la transmisión de calor y evita un aumento excesivo de la temperatura del terreno.
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Índice
INER
CAPÍTULO 4. Diseño y dimensionado del sistema de intercambio de calor geotérmico de calor geotérmico
H. Cálculo de cargas térmicas
I. Estimación de temperaturas y caudales
J. Desempeño de una bomba de calor
K. Cálculo de la longitud de intercambio
L. Cálculo del potencial de ahorro energético
M. Rentabilidad de la inversión
Pág. 29
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Pág.
Índice
INER
H. Cálculo de cargas térmicas
La carga térmica está condicionada por las
ganancias o pérdidas de calor a través de los
cerramientos y huecos de un edificio, esto incluye la fachada, la solera, el tejado, las puertas
y ventanas. En el caso de las ganancias, estas
pueden ser en forma de calor sensible, normalmente producto de la radiación solar, o por la
transmisión de calor desde el ambiente exterior,
lo que se traduce en un aumento de la temperatura, o en calor latente, lo que hace aumentar
la humedad ambiental del interior del edificio
por la entrada y filtración de aire exterior con
mayor contenido de vapor de agua. También
hay que tener muy en cuenta el calor, tanto
sensible como latente, que se puede generar
desde el interior del edificio, como por el uso
de iluminación, maquinaria o por la presencia
de personas.
tos pueden ser cubiertas más fácilmente que
demandas moderadas durante todo el día. Se
puede hacer una división de las cargas a lo
largo del día idealmente de forma horaria o
al menos según los periodos: 8h-12h, 12h-16h,
16h-20h, 20h-8h [11].
Una bomba de calor que actúe en modo frío
y calor a lo largo del año intercambiará energía en la misma porción de terreno, ya que hará
uso del mismo intercambiador de calor como
condensador o como evaporador. Sin embargo la potencia inyectada y extraída del terreno
es diferente incluso para iguales necesidades
de calentamiento y enfriamiento, como consecuencia de añadir o restar la potencia externa
eléctrica del motor de la bomba. Esto hará que,
para iguales periodos de uso en cada modo,
el terreno reciba más calor y se caliente. Esta
Un mejor aislamiento del edificio reduce consi- estimación es importante para saber la longitud
derablemente la carga térmica, lo que econó- de los tubos en U enterrados y la separación
micamente es rentable tener en cuenta en la entre ellos.
fase de diseño arquitectónico. Sin embargo es
necesario considerar una renovación mínima y Normalmente este tipo de cálculos se realizan
necesaria del aire a fin de mantener unas con- con un software específico de los disponibles
diciones higiénicas para los usuarios del edificio. comercialmente, muchos de los cuales siguen la
Se puede usar cualquier método para el cál- norma ASHRAE o ACCA Manual J. Para un cálculo de cargas, teniendo en cuenta también la culo aproximado se puede tomar una carga de
duración de los periodos de cada una de las 175 Wh (600 BTU) por cada m2 de superficie
demandas que pueden ocurrir a lo largo del útil, aunque no es recomendable proceder de
día, ya que demandas altas con periodos cor- esta forma.
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I. Estimación de temperaturas y caudales
Una longitud de intercambiador corta hace necesaria un aumento de la temperatura (condensador) para transmitir igual potencia, reduciendo la eficiencia, mientras que un intercambiador
grande aumenta los costes. La temperatura recomendable para el modo frío del fluido por
el tubo en U es 11 o 19 ºC por encima de la
temperatura del terreno, más próximo a la parte
superior de este rango para climas cálidos.
Un flujo alto aumenta la potencia calorífica y
reduce el estrés térmico que deben soportar las
tuberías del circuito, pero hace necesaria una
bomba mayor con mayores gastos de funcionamiento. En general se estima que el caudal
apropiado es entre 2.7 y 3.2 Lpm/kW.
1-¼’’
¾’’
1-¼’’
18 gpm
1-¼’’
¾’’
1-¼’’
1-¼’’
14.4 gpm
10.8 gpm
7.2 gpm
¾’’
¾’’
3.6 gpm
1-¼’’
1-¼’’
¾’’
¾’’
1-¼’’
¾’’
¾’’
3.6 gpm
3.6 gpm
¾’’
¾’’
3.6 gpm
¾’’
¾’’
3.6 gpm
3.6 gpm
Figura 8: Ejemplo de distribución para disipar 5 TRF.
Las tuberías verticales suelen tener un diámetro diámetro, normalmente entre 1-¼’’ y 2’’, que deentre ¾’’ y hasta un máximo de 1-¼’’ por razo- penderá de la potencia total de la instalación.
nes económicas. Las horizontales de distribución
manejan mayores flujos y deben ser de mayor
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Eduardo Arias Rábanos
a. Tipos de sumideros de calor
Los sumideros de calor se pueden clasificar según la distribución del intercambiador de tuberías enterrado en verticales y horizontales. Los sumideros horizontales tienen una menor inversión
inicial al requerir menos uso de maquinaria, pero
por el contrario ocupan una gran área entorno
al edificio. A su vez, ambos tipos de orientaciones pueden tener una disposición de tuberías
en serie o en paralelo, siendo la más habitual
la de tipo paralelo ya que distribuye el calor
en el terreno de manera uniforme y normalmente
esto hace que se optimice la longitud total del
sumidero.
En la siguiente figura se representa una instalación de tres pozos verticales en paralelo. Esta
es la tipología a la que se hace referencia en
los cálculos posteriores.
Figura 9: Sumidero vertical en paralelo
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Existen también sumideros verticales que aprovechan la construcción de los cimientos de un
edificio para la instalación de una tubería en
los pilares del edificio, lo que economiza el espacio y es económicamente muy provechoso,
pero hace necesario un buen diseño para evitar fugas en la red que serían muy difíciles o im-
posibles de reparar.
Los sumideros horizontales pueden ser de tubería simple, doble, slinky u otros tipos. Dada su
gran variedad se recomienda el uso de un software específico de cálculo.
Figura 10: Sumidero horizontal de tubería simple
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Existen otro tipo de sumideros que a pesar de no
hacer uso directo del calor del suelo se denominan igualmente como geotérmicos. Por ejemplo la captación de agua para su circulación
por la bomba de calor e eliminación posterior.
En la siguiente figura se aprovecha la menor
temperatura de una masa de agua próxima
para enfriar un edificio por intercambio de calor
a través de una tubería sumergida.
Estos sistemas son más problemáticos desde el
punto de vista medioambiental por el peligro
de contaminación de las aguas y el aumento
de la temperatura que puede suponer un daño
para la biología acuática.
Figura 11: Sumidero sumergido en circuito cerrado
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Moris Arroes
J. Desempeño de una bomba de calor
que requiera el uso de un control variable de
la velocidad. El tipo unitario es más adecuado
para viviendas con pocos pisos. Finalmente, el
tipo sub-central es adecuado para para dar
servicio a zonas con gran diversidad y es un
La localización de la instalación sería la que mi- compromiso entre los dos otros tipos.
nimizara la longitud de las tuberías, si bien la generación de ruido puede ser un factor limitante. El funcionamiento de una bomba de calor conEs posible también usar el espacio ocupado siste en la circulación en circuito cerrado de un
por un aire acondicionado clásico ya que el fluido caloportador que sucesivamente absortamaño de la bomba de calor no es mucho más be y cede calor en dos intercambiadores, de
forma que el calor del foco frío es cedido al
grande.
foco caliente.
El tipo de edificio a climatizar por una bomba
de calor a menudo condiciona la forma en la A continuación se presenta el desarrollo mateque se distribuyen las bombas de calor. Para mático de cálculo en unidades anglosajonas e
edificios con varios pisos la distribución más internacionales, con la notación representada
adecuada es de tipo central ya que se minimi- en los siguientes esquemas:
za la longitud de las tuberías, pero es posible
Las bombas de calor de menos de 14 kW suelen ser las más eficientes, y su coste es menor si
se usan de forma simple y no en sistemas multi-zona.
DMD
EAT;ELT
W
M
Te,f
LWT
TC
HR
CFPM;GPM
LAT;LLT
Qf
Ts,c
mf
GPM
EWT
M
Ts,f
Qc
mc
Te,c
Figura 12: Esquema de una bomba de calor en unidades anglosajonas e internacionales
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Las ecuaciones básicas de una bomba de calor son:
Siendo EER el rendimiento térmico de la máquina.
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a. Bomba de calor agua-aire
Este tipo de bomba de calor utiliza un fluido, que normalmente es agua, para realizar el intercambio de calor en el sumidero enterrado. Este fluido podría contener cierta cantidad de anticongelante en caso de ser usado en una región donde las temperaturas puedan bajar de 0 ºC en
algún momento del año.
El enfriamiento en el interior del edificio se realiza mediante una corriente de aire que circula por
la bomba de calor gracias a un ventilador y luego se distribuye por las diferentes estancias. Este
tipo de bombas de calor en formato uni-zona no son aptas para grandes edificios debido a la
ineficiencia del transporte de calor por corrientes de aire.
La temperatura de salida del aire (LAT) se puede calcular conociendo la temperatura de entrada
(EAT), la potencia calorífica (SC) y el flujo de aire (CFPM). Estos datos normalmente son ofrecidos
por el fabricante a través de manuales o guías técnicas.
La temperatura del agua de salida (LWT) se puede calcular en base a la de entrada (EWT), la
potencia calorífica (HR) y el flujo de agua (GPM).
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Un ejemplo de tablas de desempeño de varias las tablas. Esto se hace sin más que multiplicar
bombas de calor agua-aire se puede ver en los valores QF,SC,W y QC por coeficientes de
los apéndices.
corrección y por tanto usar los nuevos datos
QF,corr,SCcorr,Wcorr y QC,corr con las ecuaciones
Los valores QF,SC,W y QC pueden necesitar ser de cálculo anteriores obteniendo EERcorr,
corregidos según EAT,CFPM y AF si estos no LATcorr y LWTcorr.
corresponden con los nominales que figuran en
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b. Bomba de calor agua-agua
Este tipo de bombas de calor utiliza un fluido, que normalmente es agua, en ambos focos térmicos.
Esto hace mucho más eficiente la distribución de agua fría por un edificio de gran tamaño, pero
obliga al uso de equipos secundarios para proporcionar aire frío en cada estancia de tipo ventiloconvector.
Las ecuaciones del lado del sumidero son idénticas que en el caso anterior. En la parte del edificio, la temperatura del agua de salida (LLT) se calcula en base a la temperatura del agua de
entrada (ELT), la potencia calorífica (TC) y el flujo de agua (GPM).
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INER
K. Calculo de la longitud de intercambio
Para el cálculo de la longitud de tubería enterrada se puede emplear un método teórico basado
en datos de las propiedades térmicas del terreno previamente conocidos [12]. Esta longitud está
fuertemente determinada por la potencia calorífica y por las temperaturas admisibles del líquido
caloportador.
La resistencia térmica del terreno se calcula mediante:
Donde:
kg :conductividad térmica en Btu/h∙ft∙ºF
Db :diámetro en pies de la perforación
Dgo :diámetro en pies del terreno que se ve afectado por la transferencia de calor, al cual se le
suele asignar un valor de 15 ft.
La resistencia térmica de las tuberías se calcula mediante:
Donde:
kp :conductividad térmica de las tuberías
Dpo :diámetro externo en pulgadas
Dpi :diámetro interno.
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La resistencia térmica del relleno:
Donde:
kgrout : conductividad térmica del relleno.
Finalmente, la longitud total de tuberías para el modo frío se obtiene mediante:
Donde:
EWTmax : temperatura máxima del agua de entrada
LWTmax : temperatura máxima de salida
TG : temperatura del suelo sin perturbar
FC : fracción de uso en modo frío (en este caso es 1)
RB=RGrout+Rpp. Los valores EER hacen referencia a la eficiencia energética de la bomba de
calor.
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Este valor de la longitud total debe ser corregido para tener en cuenta el calentamiento el terreno como consecuencia de la transmisión de calor desde el agua caliente mediante el uso continuado del sumidero. Para ello se calcula un factor de corrección NNAGL (normalized net annual
ground energy load):
Donde:
AGLDH: energía total anual para calentamiento en Btu (para un clima cálido es 0)
AGLDC: energía total anual para enfriamiento en Btu.
Teniendo este valor, se hace uso de los gráficos siguientes para obtener el coeficiente BM (multiplicador de longitud de orificio, obtenido a partir de correlación gráfica con respecto a la carga
de tierra anual neto normalizado), que determinará el incremento de la longitud de la tubería
enterrada respecto a la temperatura del terreno sin perturbar. Cada gráfica corresponde a un
valor de la conductividad térmica del terreno entorno a pozo, de tal forma que valores no considerados necesitarán de interpolación numérica.
Leyenda
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Se selecciona la curva según el número de filas y la separación entre perforaciones.
kG=0.7 Btu/h ft ºF
BM
2
1,95
1,9
1,85
1,8
1,75
1,7
1,65
1,6
1,55
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
1,25
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
NNAGL (Btu/ft ºF)
kG=1.3 Btu/h ft ºF
BM
2
1,95
1,9
1,85
1,8
1,75
1,7
1,65
1,6
1,55
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
1,25
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
NNAGL (Btu/ft ºF)
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kG=1.9 Btu/h ft ºF
BM
2
1,95
1,9
1,85
1,8
1,75
1,7
1,65
1,6
1,55
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
1,25
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
NNAGL (Btu/ft ºF)
Por lo tanto, el valor final de la longitud total de las tuberías es:
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strange kind of landscape
L. Cálculo del potencial de ahorro energético
La potencia calorífica de cualquier sistema de transmisión de calor por fluido se puede calcular
conociendo el flujo másico, la capacidad calorífica del fluido y la diferencia de temperaturas
ocurridas durante el proceso, es el efecto útil de cualquier sistema de climatización:
La energía eléctrica consumida por los equipos, fundamentalmente en motores eléctricos, es el
coste de funcionamiento que principalmente se va a producir en un sistema de bomba de calor
geotérmica o de torre de enfriamiento.
Conociendo ambos datos se puede determinar la eficiencia energética global mediante el coeficiente EER, como se ha visto anteriormente, y estimar la emisión de dióxido de carbono en toneladas anualmente mediante:
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Rafael Vila
M. Rentabilidad de la inversión
La rentabilidad de la inversión se puede estimar conociendo los costes iniciales, los de funcionamiento y los de mantenimiento.
El pay-back representa los años que se tardan en recuperar la inversión, es un indicador muy sencillo de obtener. Además, hay dos métodos de cálculo de la rentabilidad económica muy usados,
son el Valor Actual Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR).
El VAN permite obtener el valor de futuros ingresos pero con la valoración que tendrían en la
actualidad, de forma que se pueda comparar con la inversión inicial. Si su valor es positivo indica
que el proyecto está creando beneficios.
El TIR es equivalente a obtener el interés para del proyecto, por lo que normalmente se toma
un VAN igual a 0 y representa la rentabilidad la vida útil total estimada de la instalación.
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INER
CAPÍTULO 5. Montaje de la instalación
M. Perforaciones
N. Instalación de la tubería
O. Otros elementos del circuito
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INER
M. Perforaciones
Por las características del subsuelo de Guayaquil, a partir de unos 45 m de profundidad
la composición del suelo hace muy difícil seguir perforando ya que las paredes del pozo
se suelen desmoronar o se puede producir el
efecto de sifonamiento desde la parte infeSe han de tener en cuenta los materiales del rior haciendo imposible introducir la tubería en
subsuelo que durante la perforación emergerán toda su longitud. Esta perforación debe tener
mezclados con agua. En su caso se debe de el suficiente diámetro para la instalación de la
tener previsto la limpieza y vertido posterior.
tubería.
Una vez definida la longitud de la tubería enterrada, su profundidad y el número y disposición
de cada tubería en U, el primer paso a realizar
para la instalación física del sumidero son las
perforaciones.
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INER
N. Instalación de la tubería
La tubería se debe introducir llena de agua de la tubería, de forma que esta no toque el
o bien con un lastre, ya que de no hacerlo la fondo de la perforación o las paredes en la
propia tendencia a la flotación va a dificultar medida de lo posible.
mucho su descenso por el pozo.
El siguiente paso es el vertido de la lechada de
Se suelen usar bridas o algún tipo de unión si- cemento para el relleno del hueco. Para asegumilar para sujetar las dos secciones de la tube- rar una distribución uniforme y sin bolsas de aire
ría en U, la ida y el retorno, aproximadamente se recomienda empezar el vertido de abajo
cada 3-5 metros para facilitar su instalación y hacia arriba a través de una tercera tubería y
centrar ambas secciones en la perforación. Una una bomba específica. Esta lechada cumple la
pequeña separación entre ambas secciones función de conducir el calor desde el agua al
de la tubería en U facilitará el enfriamiento del terreno y evitar la contaminación de los acuíferos por posibles fugas del circuito.
fluido.
El relleno más usado es una mezcla de cemento
con arena, bentonita y agua. La bentonita es
una arcilla que realiza la función de impermeabilizar la mezcla del agua. Mediante pruebas
empíricas se calculó la mezcla más adecuada
Posteriormente a su instalación se asegura en para una perforación:
superficie para evitar la caída y deformación
Normalmente se prevé un exceso de longitud
para facilitar el manejo y las posteriores uniones
en la parte más superficial que corresponde a
la distribución de flujos.
Cemento (kg/m³)
Agua (L/m³)
Arena (kg/ m³)
Bentonita (kg/m³)
Plastificante (L/m³)
Grava
587.7
323.3
1251.8
6.5
8.8
2.18
Tabla 3: Sugerencia de proporciones de la mezcla para el relleno [13].
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INER
Esta mezcla tiene un coeficiente de permeabili- de instalaciones.
dad del 1.9x10-7±2.1x10-8 con lo que mejora
La tubería de color negro está especialmente
al cemento puro con el valor de 7.5x10-6.
diseñada para la resistencia a la intemperie, sin
Sin embargo, debido a las características hi- embargo para su funcionamiento durante largos
drogeológicas de Guayaquil es necesario que periodos de tiempo es recomendable cubrir las
esta mezcla tenga un tiempo de fraguado re- tuberías con algún tipo de pantalla para evitar
lativamente corto, lo que se puede conseguir la incidencia de la luz ultravioleta que junto al
mediante aceleradores, y además que tenga oxígeno del aire hacen disminuir su vida útil.
una consistencia tal que se evite su disolución
por debajo del nivel freático. Para ello se ha de Para el cálculo de presiones, se ha de consiutilizar una mezcla lo más densa posible.
derar que la tubería debe trabajar a una temperatura media-alta, y teniendo en cuenta que
El polietileno de alta densidad tiene un buen la presión nominal normalmente se aplica a una
comportamiento frente a roedores e insectos, temperatura de 20 ºC, se usar los siguientes coy es adecuado para evitar la proliferación de eficientes para el polietileno:
bacterias, hongos o esporas. Es el tipo de material que frecuentemente se utiliza en este tipo
Temperatura del fluido (ºC)
20
30
Coeficiente
1
0.87
40
0.74
Tabla 4: Coeficientes de corrección por temperatura para tuberías de Polietileno
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INER
De tal forma que la presión máxima que puede resistir una tubería es:
Podría ser importante proteger superficialmente
las tuberías para evitar su aplastamiento y rotura ante una carga imprevista como puede ser
por el paso de un vehículo. Las partes más susceptibles a daño son los codos y las secciones
verticales de las tuberías en la parte superior de
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cada perforación vertical. Esta protección puede consistir en barreras que impidan el acceso
a la parte inmediatamente superior a estas tuberías, o con un refuerzo metálico o de concreto que pueda soportar el peso estimado.
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INER
O. Otros elementos del circuito
En el interior del edificio a climatizar se han
de prever una serie de elementos destinados
a transferir el calor del edificio al agua de refrigeración de forma distribuida. Esto se realiza normalmente mediante un circuito cerrado
secundario de agua y con equipos de tipo
ventiloconvector o “fancoil”, como los que comúnmente se usan junto con una torre de enfriamiento, o cualquier otro que permita el uso de
agua como por ejemplo el suelo radiante.
El volumen inicial del vaso de expansión se suele establecer en un 2 % del volumen total de
agua del circuito:
Por lo tanto, el vaso de expansión abierto debe
tener un volumen de al menos Vvaso,inicial de agua
con la capacidad de expandirse al menos ∆V
más. El vaso debe ser instalado al menos un metro por encima del punto más alto del circuito,
Un vaso de expansión compensa el aumento que normalmente corresponderá a la caldera.
de volumen del fluido de un circuito por la variación de temperatura, evitando sobrepresiones Otros elementos a considerar pueden ser un filque puedan dañarlo. Existen vasos cerrados y tro para el agua del circuito enterrado, ya que
abiertos, pero los segundos son más económi- es común la presencia de suciedad que puede
cos y fáciles de instalar. En primer lugar se cal- dañar a largo plazo la bomba de calor o el
cula el volumen total de agua del circuito [14]: intercambiador de calor.
En algunos casos también es útil instalar un depósito de inercia para el almacenamiento temEl incremento de agua está relacionado con el poral de agua fría en el circuito secundario, el
volumen específico del agua a la temperatura cual tendría la función de absorber las variaciode calentamiento:
nes bruscas de carga.
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INER
CAPÍTULO 6. Puesta en marcha y mantenimiento
P. Puesta en marcha
Q. Mantenimiento
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Índice
INER
P. Puesta en marcha
Una vez concluida la fase de instalación de los
equipos se deben hacer pruebas de funcionamiento a fin de asegurar un correcto desempeño de todos los elementos que componen el
sistema y disminuir lo más posible el riesgo de
fallos:
periodos cortos de tiempo para purgar de aire
cada rama del circuito, algo que puede llevar
hasta una hora. Las burbujas de aire serán eliminadas en el vaso de expansión abierto o en el
purgador instalado para tal efecto.
En primer lugar se debe realizar una limpieza del
agua del circuito para eliminar posibles restos
de suciedad. Esto se realiza haciendo circular
agua durante unos minutos mediante una bomba, ya sea la propia del circuito o una externa,
de forma que la instalación se encuentre en circuito abierto y el fluido eliminado sea repuesto
con agua limpia.
Una vez que el circuito está lleno de agua se
ha de dejar durante el tiempo suficiente en ese
estado a fin de verificar si el nivel de agua se
mantiene constante verificando si existen fugas
en las uniones. Posteriormente se ha de llenar el
circuito a una presión 1,5 veces más alta que
la máxima efectiva de trabajo, y a un mínimo de
6 bar, comprobando nuevamente la existencia
de fugas y reparando con material nuevo en
caso necesario. Una pérdida de agua en una
tubería horizontal superficial puede ser fácilmente localizada y reparada. Sin embargo una
fuga en una tubería vertical obliga a usar algún
tipo de fluido sellador o en el peor de los casos
al abandono de esa sección de tubería y la
realización de una nueva perforación.
Después se ha de llenar las tuberías enterradas con agua (o el fluido caloportador previsto con el anticongelante si es necesario) para
comprobar la existencia de fugas. Durante el
llenado es necesario encender la bomba en
Finalmente se ha de poner en funcionamiento la
bomba de calor con los valores reales de presión de los fluidos, comprobando todos sus modos de funcionamiento y realizando mediciones
de temperaturas, presiones y caudales.
•
•
•
•
•
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Limpieza del circuito y llenado
Purga de aire
Verificación de presiones y caudales
Presurización de la instalación
Puesta en marcha de la bomba de calor
y comprobación de parámetros
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Índice
INER
Q. Mantenimiento
Una bomba de calor geotérmica está especialmente diseñada para un funcionamiento continuo durante largo tiempo, y el programa de
mantenimiento debe ser el recomendado por el
fabricante. Hay que tener en cuenta que una
bomba de calor agua-agua necesitará menor
Pág. 55
mantenimiento que una de tipo aire-agua.
La parte enterrada no necesita ningún tipo de
mantenimiento. Los fabricantes suelen estimar
una vida útil de 50 años para una tubería de
Polietileno correctamente dimensionada. [18]
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Índice
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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2
3
4
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Índice
APÉNDICES
i. Características del terreno de Guayaquil
ii. Plano de zonificación térmica
iii. Rangos de confort
iv. Seguridad
Pág. 57
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Índice
i. Características del terreno de Guayaquil
PERFORACIONES
IDENTIFICACIÓN
SUELO /ROCA
1
Arenisca volcánica
27,2%
Brecha volcánica
66,3%
2
3
4
5
CH arcilla alta plasticidad
4,0%
CH arcilla de alta
plasticidad arenosa
10,0%
MH Limo de alta plasticidad
1,7%
6
7
16,0%
38,0%
24,5%
14,3%
4,0%
3,3%
16,7%
ML Limo de baja
plasticidad
78,3%
77,7%
14,0%
16,7%
ML Limo de baja plasticidad gravoso
Relleno artificial
10
3,3%
27,0%
16,7%
6,4%
66,7%
48,0%
50,0%
34,0%
6,5%
8,3%
2,0%
SC arena arcillosa
16,0%
7,2%
6,7%
5,0%
10,0%
2,0%
24,0%
SM Arena limosa
8,3%
SM Arena limosa con
grava
3,3%
63,3%
SP arena mal graduada
23,4%
12,0%
SP-SM arena mal graduada con limo
Suelo vegetal
2,3%
Brecha verde
20,0%
Total general
9
5,2%
MH Limo de alta plasticidad arenoso
ML Limo de baja plasticidad con arena
8
100%
100%
100%
Material
28,0%
30,0%
30,0%
1,7%
11,7%
8,3%
100%
100%
100%
100%
100%
ESTUARIO
Arenisca
100%
100%
ALUVIAL
ROCA
MAX
MIN
MEDIA
0%
0%
0%
0%
27%
Brecha
0%
0%
0%
20%
66%
Relleno
16%
2%
7%
0%
7%
Suelo vegetal
0%
0%
0%
2%
0%
Arcilla y limos plásticos (CH, ML, MH)
98%
2%
33%
0%
0%
Limos no plásticos (ML)
83%
0%
29%
78%
0%
Arenas (SP, SM, SP-SM)
65%
0%
31%
0%
0%
Tabla 5: Características geológicas del terreno de Guayaquil
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ii. Plano de zonificación térmica
KAVANAUG conductividades suelo-roca de cada perforación para el método lineal (W/mK)
Material \ Perforación
P1
arenisca
0,940
brecha
1,605
P2
P3
P4
CH arcilla alta plasticidad
0,048
CH arcilla de alta
plasticidad arenosa
0,121
MH Limo de alta
plasticidad
0,020
P5
P6
P7
P8
0,193
0,459
0,295
0,172
0,048
0,041
0,211
ML Limo de baja
plasticidad
0,958
0,936 0,170
0,203
ML Limo de baja
plasticidad gravoso
0,040
0,325
0,201
0,078
0,825
0,579
0,602
0,472
Relleno
0,112
0,144
0,035
SC arena arcillosa
0,277
0,124
0,115
0,087
0,173
0,035
0,293
SM Arena limosa
0,101
SM Arena limosa con
grava
0,046
0,776
SP arena mal graduada
0,284
0,144
SP-SM arena mal
graduada con limo
suelo vegetal
0,008
brecha P-3
0,484
Conductividad
térmica (W/mK)
P10
0,063
MH Limo de alta plasticidad arenoso
ML Limo de baja plasticidad con arena
P9
2,66
1,27
1,43
0,348
0,360
0,360
0,020
0,142
0,100
1,22
1,29
1,26
1,31
1,25
1,27
1,22
Perforación
T promedio
(°C)
T media entrada (°C)
T media
salida (°C)
Flujo medio
(gpm)
Ta Suelo sin
perturbar
(°C)
Flujo de
calor (W)
1
59,27
60,55
57,99
5,55
26,5
4350,92
2
68,63
69,87
67,39
6,07
28
4366,97
3
65,64
66,83
64,45
6,57
28,5
4362,47
4
48,22
49,06
47,38
6,06
29
2746,03
5
50,50
51,42
49,58
5,36
29
2719,84
6
71,01
72,56
69,49
6,09
28
4346,53
7
63,42
64,79
62,08
5,49
29
4357,99
10
57,23
58,63
55,87
5,04
28
4380,87
Tabla 6: Resultados de análisis de puntos estudiados
Pág. 59
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Figura 13: Plano de propiedades térmicas del terreno de Guayaquil.
Pág.
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Pág. 60
Índice
iii. Rangos de confort
El confort térmico es una condición mental en
la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico [15] o dicho de otro modo,
es la sensación neutra que siente una persona respecto al ambiente que la rodea.
Varios son los factores que influyen en el confort
térmico de una persona incluyendo las condiciones biológicas, psicológicas, la actividad física o el tipo de vestimenta, pero los factores más
fácilmente medibles son la temperatura, la humedad y la velocidad del aire. Estos valores se pueden establecer dentro de los siguientes rangos:
Temperatura del aire ambiente
Temperatura radiante media de las superficies
Velocidad del aire
Humedad relativa
Entre 18 y 26 ºC
Entre 18 y 26 ºC
Entre 0.05 y 0.15 m/s
Entre el 40 y el 65 %
Tabla 7: Rango de diversos factores necesarios para un confort térmico [15].
Para mantener un adecuado nivel de confort
en la ciudad de Guayaquil, es necesaria la utilización de sistemas de refrigeración gran parte
del año, los cuales incrementan el consumo de
energía eléctrica aumentando costes de generación y emitiendo CO2 a la atmósfera. Otro
problema se origina del hecho de que las instalaciones de refrigeración más comunes extraen
calor de los edificios y lo transfieren al aire de la
ciudad, lo que junto con el calentamiento originado por el compresor y otras irreversibilidades
hace que el ambiente exterior reciba una fuente adicional de calor.
35 °C. Con la disminución de la temperatura exterior en al menos 2 ºC se tendría un ahorro significativo de 18 millones de dólares anuales (usando el valor de 1 kWh a 11 centavos de dolar)
Se ha estimado que el consumo eléctrico de
Guayaquil en días regulares (sin tomar en cuenta
la subestación HOLCIM) crece en un 18.5 % con
el aumento de la temperatura máxima de 25 °C a
Este volumen a renovar va a depender del
tipo de actividad que se desarrolle en el interior del edificio. En la siguiente tabla se
pueden ver algunos valores recomendados:
Pág. 61
La renovación de aire de un edificio es necesaria para mantener unas condiciones higiénicas mínimas así como un cierto nivel de confort. Sin embargo, también se van a producir
pérdidas de energía debidas a la necesidad
de calentar o enfriar el aire exterior para adecuarlo a las condiciones interiores, por lo que
estas renovaciones no deben ser incontroladas.
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Pág.
Índice
Tipo de locales
Vivienda
Comerciales
Institucionales
Industriales
Unidades
Personas
Áreas de estar, comedores, etc.
7.5
Dormitorios
7.5
Aseos
Cocinas
Garaje
Aeropuertos, estaciones, etc.
8
Aparcamientos
Aseos privados
Aseos públicos
Bares, cafeterías, etc.
12
Restaurantes
10
Centro de cálculo
8
Áreas de venta al público
7.5
Cocinas
7.5
Dormitorios
8
Salas de reunión
10
Laboratorios
10
Piscinas
15
Gimnasios
15
Locales de entretenimiento
13
Oficinas
10
Salas de espera
8
Talleres
Auditorios
8
Escenarios, estudios
10
Peluquerías
12
Zapaterías
10
Vestuarios
Dormitorios
10
Bibliotecas
8
Dormitorios de hospitales
13
Quirófanos
25
Cuidados intensivos
15
Iglesias
7.5
Aulas
8
Salas de exposición
7.5
Almacenes
Celdas
10
Nivel de actividad
Alto (fundición, minería, etc.)
Medio (ensamblaje, etc.)
Bajo (laboratorios, etc.)
m² suelo
0.4
0.4
3
2
7.5
Local
Otras
15
50
50/carro
2
200/plaza
20
30/inodoro
1
10
7.5
4
3
0.3
1.5
Flujo
20
16
12
Tabla 8: Caudales recomendados para renovación de aire en edificios [16].
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Pág. 62
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iv. Seguridad
Como todo proceso de construcción que implica el uso de maquinaria, la instalación de un sistema de bomba de calor geotérmica conlleva riesgos para la salud física de los trabajadores
que deben ser tenidos en cuenta por la empresa responsable mediante un plan de actuación
destinado, en primer lugar, a tratar de eliminar los riesgos, o al menos tratar de reducirlos así como
los daños potenciales que puedan ocasionar, siempre dando preferencia a las medidas de protección colectiva antes que las de tipo individual.
Cada circunstancia obligará a evaluar los riesgos asociados, pero se pueden identificar algunos
de los riesgos más importantes asociados de forma general a perforación e instalación de un
sumidero de calor y el equipo para su funcionamiento:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Caída de personas a igual o distinto nivel.
Golpes y contactos contras objetos inmóviles o elementos móviles de las máquinas.
Proyección de fragmentos o partículas.
Atrapamiento por vuelco de máquinas.
Contactos térmicos y/o eléctricos.
Inhalación o ingestión de agentes químicos peligrosos.
Explosiones e incendios.
Atropellos, golpes y coches contra vehículos.
Hundimiento del terreno.
Daños por exposición a agentes físicos: ruidos y vibraciones.
Figura 14: Simbología de prevención de riesgos laborales.
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