1. Ingeniería

Geotermia
INFORMACIÓN TÉCNIC A
2
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Índice:
Introducción •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 4
Geotermia – en resumen •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 5
El planeta Tierra, la fuente de energía ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 6
Aspectos básicos
Generalidades •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 8
Sistema de bomba de calor •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 9
Sistemas de utilización de la geotermia
Presentación de los sistemas •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 20
Modos de funcionamiento •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 21
Captadores horizontales
Sistema / ámbito de aplicación •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 24
Cestas de energía
Sistema / ámbito de aplicación •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 32
Pilotes termoactivos
Sistema / ámbito de aplicación •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 41
Sondas - Capatadores verticales
Sistema / ámbito de aplicación •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 56
Calidad de materiales Uponor
PE-Xa •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 63
Quick & Easy •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 65
Planificación de proyectos
Organización de proyectos •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 66
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Introducción
Geotermia: independencia de la situación energética
Los Gobiernos de toda Europa tienen
el ambicioso objetivo de reducir el
consumo energético con el fin de
reducir la dependencia de los combustibles fósiles, como el petróleo y el
gas. Las fuentes de energía renovables, como la energía solar y la geotermia, están ganando importancia con
relación a la futura demanda energética en los edificios. Con el objetivo
20-20-20 la UE planea reducir el consumo energético y la emisión de gases
de efecto invernadero en un 20% de
aquí a 2020 y aumentar hasta un 20%
el uso de fuentes de energía renovables (2007: 8,5%) de la producción
total de energía. Por este motivo se
han puesto en marcha en toda Europa
diversas iniciativas legislativas encaminadas a promover el uso de las fuentes
de energía renovables.
La geotermia presenta una serie de ventajas
Renovable: la geotermia está disponible de manera infinita, 24
horas al día, para calefacción y refrigeración.
Ecológica: el uso de geotermia reduce la emisión de gases de efecto
invernadero.
Segura y controlable: la geotermia es una tecnología madura, que
lleva utilizándose más de 50 años para calefacción y refrigeración.
Alto rendimiento: respuesta a todas las demandas energéticas,
como calefacción, refrigeración, agua caliente y almacenamiento de
energía.
Versátil: aplicable junto con otras fuentes de energía.
Económicamente sostenible: aprovechable a nivel regional, independiente de los proveedores externos y de la variación de los tipos
de cambio de divisas.
Garantiza la competitividad: la geotermia aumenta la competitividad
industrial y tiene, gracias a ello, un efecto positivo en el desarrollo
regional y el empleo.
Geotermia: uso versátil
La geotermia se puede usar no
sólo como fuente de energía para
calefacción radiante y agua caliente, sino también como fuente de
energía para refrigeración radiante
con unos costes de uso muy bajos.
La geotermia se puede usar en
todo tipo de edificios: desde
viviendas unifamiliares hasta
grandes edificios de oficinas e
industriales.
Un sistema de geotermia en funcionamiento apenas genera costes
de uso y tiene una larga duración.
4
Aunque el coste de inversión en
un sistema de geotermia es ligeramente superior al de las calderas y
aparatos de refrigeración convencionales, su periodo de amortización es corto gracias a sus
menores costes operativos.
La geotermia como fuente de
energía, junto con los sistemas
emisores radiantes, es la solución
“todo en uno“ para la combinación
de calefacción y refrigeración.
Estos sistemas son más eficientes y
fáciles de instalar que dos sistemas
diferentes para calefacción y
refrigeración.
Además, los sistemas emisores
radiantes se benefician del principio
de exergía en forma de una reducción de las temperaturas de funcionamiento para calefacción y de
altas temperaturas de funcionamiento para refrigeración. La bomba de
calor funciona así con mayor eficiencia (factor operativo),
reduciendo el consumo energético
y, por tanto, los costes operativos.
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Geotermia - En resumen
Ámbitos de aplicación / usos
Calefacción
Agua caliente
Refrigeración
Almacenamiento de energía
Edificios privado y públicos
Edificios industriales
Edificios de oficinas
Aspectos ambientales
Reduce el uso de combustibles
fósiles
Reduce las emisiones de CO2
Fuente de energía renovable
Instalada y utilizada correctamente,
no tiene efectos adversos en el
agua subterránea ni en el suelo
Aspectos técnicos
La geotermia está disponible de
forma casi ilimitada durante todo
el año
No requiere chimenea
Funcionamiento seguro totalmente
automático, escaso mantenimiento
Uso de sistema central y distribuido
Se puede combinar con otras
fuentes de energía
Ámbitos de la aplicación
Viviendas unifamiliares y bloques
de pisos
Aspectos económicos
Bajos costes operativos (electricidad necesaria para la bomba de
calor, pero sin costes de combustible)
Nulo coste de mantenimiento
(sin medición de las emisiones ni
costes de limpieza)
No requiere suministro de combustible
Coste de inversión más alto que
sistemas poco eficientes
Amortización dependiente de la
evolución general de los costes
energéticos
Eficiencia dependiente de la correcta
instalación del sistema y de las
tarifas eléctricas (“consumo
eléctrico de la bomba de calor“)
Geotermia (griego: geo = tierra; termia = calor) o
geotermia es el calor almacenado en la parte accesible de la corteza terrestre. La geotermia se refiere
tanto al aprovechamiento directo de altas temperaturas como al uso del terreno como intercambiador
de calor en usos de climatización mediante bomba
de calor.
Calor térmico visible: fuente caliente en Islandia
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5
El planeta Tierra, la fuente de energía
La corteza terrestre forma tan sólo
una fina capa comparada con el
diámetro de la Tierra, de unos
12.750 km. Bajo el océano, la corteza tiene un espesor aproximado
de 5 a 10 km, mientras que por
debajo de los continentes su espesor es de 15 hasta un máximo de
50 kilómetros. En la corteza ya se
tienen altas temperaturas: hasta
1.100 °C en su cara inferior.
Por debajo de la corteza se
encuentra el manto que, según sus
características petrofísicas, se
divide en manto superior e inferior,
con una zona de transición. El
manto superior se extiende hasta
una profundidad aproximada de
400 km con temperaturas de hasta
1.400 °C, la zona de transición se
extiende hasta 900 km y el manto
inferior hasta una profundidad de
2.900 km con temperaturas de
hasta 3.700 °C.
Corteza
(aprox. 30 km)
aprox. 3 °C/100 m
Manto
> 1.200 °C
Núcleo
aprox. 5.000
°C
Estructura de las capas de La Tierra
Por debajo de los 2.900 km empieza el núcleo terrestre, con un
núcleo exterior líquido y un núcleo
interior sólido. El núcleo exterior
tiene una temperatura aproximada
de 4.000 °C, y el núcleo interior
probablemente más de 5.000 °C.
Este manual se refiere al aprovechamiento de la energía geotérmica existente en la parte superior de la corteza. Geotermia
somera o de baja entalpía.
6
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01
5/2013
2
Geotermia somera
Hablamos de geotermia somera en
el caso de profundidades de aplicación de hasta 400 m. Aquí la temperatura aumenta una media de 3
°C por cada 100 m de profundidad.
La temperatura media de la superficie terrestre es de unos 15 °C y
viene determinada por una combinación de radiación de energía
solar, emisión de calor al espacio,
flujo de tierra y variantes o interferencias de estos factores.
La geotermia somera permite
obtener calefacción y agua caliente
al nivel de temperatura óptimo por
medio de una bomba de calor geotérmica.
Aparte de la profundidad y del tipo
de roca, el agua subterránea
desempeña también un papel
importante en la generación de
energía. En Europa, el terreno y el
agua subterránea mantienen una
temperatura casi constante a lo largo de las estaciones. Debido al flujo
permanente, la energía térmica se
suministra de manera constante
para calefacción o se disipa para
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refrigeración.
Aun en el caso de variación considerable de las temperaturas exteriores
según la estación, la temperatura a
unos metros de profundidad se
mantiene relativamente constante a
una media de 15 °C. Por ello, la
geotermia es una fuente de energía
constante y en funcionamiento permanente, que permite su uso a lo
largo de todo el año para la calefacción y refrigeración de edificios.
7
Aspectos básicos
Generalidades
Para la planificación del uso de la
geotermia son fundamentales las
condiciones locales. Determinar las
propiedades del suelo en cuanto a
contenido de agua y características
térmicas del suelo (conductividad
térmica, densidad, capacidad tér-
mica específica y latente), así como
evaluar los distintos procesos de
transporte del calor y las sustancias, son requisitos para determinar
y definir la capacidad de una aplicación de tierra. El dimensionado
correcto de la fuente de geotermia
tiene una gran repercusión en la
eficiencia energética del sistema de
bomba de calor. Las bombas de
calor geotérmicas alcanzan un
altísimo rendimiento con un campo
de captación geotérmico correctamente dimensionado.
Región con alto potencial de
energía geotérmica
8
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Sistema de bomba de calor
Un sistema de bomba de calor es
un sistema energético formado por
una fuente de calor, una bomba de
calor y un sistema de emisión del
calor.
Fuentes de calor:
Aire
Fuente de calor
Las fuentes de calor del sistema de
bomba pueden ser, en general, el
aire, el agua y el suelo. Hablamos
de geotermia cuando se usa el terreno como fuente de calor. Para el
grado de aprovechamiento del terreno, son fundamentales la geología,
la hidrología y las condiciones
climáticas.
Geología, hidrología y clima
Los suelos tienen normalmente un
grado de porosidad del 35 al 45%.
Si se llenan de agua en lugar de
aire, aumenta la conductividad
térmica, la densidad y la capacidad
térmica específica y latente del
suelo. Esto tiene un efecto positivo en la capacidad máxima de
extracción de un captador geotérmico.
Sistema de aprovechamiento
del calor
Agua
Bomba de calor
Suelo
Sistema de bomba de calor
climáticas, el cultivo, el nivel de
agua subterránea y las características hidrológicas (capilaridad) del
suelo. El contenido de agua del
suelo se ve influido principalmente
por los efectos de la subida capilar
del nivel del agua subterránea y la
penetración de la humedad debido
a la filtración del agua de lluvia.
La matriz potencial ΨM (presión de
aspiración) de un suelo describe el
grado en que el agua existente
está unida a la matriz del suelo.
Cuanto menor es el contenido de
agua, más unida estará el agua
restante a la matriz del suelo. En
contra de la matriz potencial
actúan principalmente el potencial
de gravitación ΨG (presión
dinámica) o altura geodésica
sobre el nivel freático así como,
de manera insignificante, el
potencial osmótico, el potencial
de sobrecarga y el potencial de
presión. En estado estacionario,
ambos potenciales se igualan.
ΨGes = ΨM + ΨG = 0
El contenido de agua del suelo
depende de las condiciones
[Vol. %]
Contenido de agua estacionario sujeto a la altura sobre el nivel
del agua subterránea
Contenido volumétrico de agua
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0.1
1
10
100
Potencial de la matriz o altura sobre el agua subterránea [m]
Arena
Franco
Limo
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Franco arcillosolimoso
Arcilla
9
Aparte de la altura sobre el nivel
freático, la cantidad media de
agua de lluvia que se filtra en el
terreno a largo plazo tiene una
gran repercusión en el contenido
de agua de cada suelo. Los chubascos breves que producen cursos de agua superficiales apenas
influyen.
Cuanto mayor es el contenido de
agua del suelo, mejor permite la
filtración del agua (permeabilidad
del suelo). Con una lluvia relativamente continua a lo largo de un
periodo de tiempo prolongado, el
contenido de agua del terreno
aumenta, el agua de lluvia se va
filtrando por gravedad.
La cantidad de agua mensual que
se filtra en el suelo corresponde a
la diferencia entre la lluvia caída y
la evapotranspiración (evaporación más transpiración de las
plantas). Las características del
suelo durante la época de uso de
la calefacción están determinadas
10
sobre todo por los meses de octubre y noviembre. Durante estos
meses el crecimiento de las plantas y la temperatura media exterior
disminuyen, por lo que disminuye
también la tasa de evaporación.
El agua de lluvia es retenida en las
capas superiores del suelo.
Dependiendo de la capacidad del
terreno, la permeabilidad y el contenido en agua subterránea; la
variación de precipitaciones a largo plazo es lo que realmente
puede tener algún efecto sobre las
variaciones en el nivel freático.
Los suelos que se encuentran normalmente en la naturaleza son mezclas de arena, limo y arcilla. Comprenden las tres fases (materia sólida, agua y gases) en las que se basa
la densidad, la conductividad térmica y la capacidad térmica específica
y latente. Estas características
geológicas deben ser identificadas,
se pueden usar mapas o tablas
geológicas locales. Pero sin duda,
antes de ejecutar una instalación de
geotermia, un test de respuesta térmica del terreno (TRT) nos proporciona datos exactos de conductividad del mismo.
Información:
La conductividad térmica específica λ [W/(K · m)]
describe la capacidad de un terreno para transportar la energía térmica por medio de la conducción
del calor (transmisión de calor por conducción). Se
trata de una constante del material dependiente
de la temperatura.
La capacidad térmica específica cp [MJ/(m³ · K)]
especifica la cantidad de energía necesaria para
calentar 1 m³ de terreno a 1 K.
Cuanto mayor es este valor, más energía térmica
puede absorber (almacenar) y luego liberar el
terreno.
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Ejemplos de conductividad térmica y capacidad térmica volumétrica específica para terreno a 20 °C
Rocas sedimentarias
Roca no consolidada
Tipo de roca
Conductividad térmica en W/(m · K)
Valor
recomendado
Arcilla/limo seco
0.4 – 1.0
0.5
Descripción del volu- Densidad en
men de capacidad
10² kg/m³
térmica especial en
MJ/(m³ · K)
1.5 – 1.6
1.8 – 2.0
Arcilla/limo saturado
1.1 – 3.1
1.8
2.0 – 2.8
Arena seca
0.3 – 0.9
0.4
1.3 – 1.6
1.8 – 2.2
Arena húmeda
1.0 – 1.9
1.4
1.6 – 2.2
1.9 – 2.2
Arena saturada
2.0 – 3.0
2.4
2.2 – 2.8
1.8 – 2.3
Grava/piedras secas
0.4 – 0.9
0.4
1.3 – 1.6
1.8 – 2.2
Grava/piedras saturadas
1.6 – 2.5
1.8
2.2 – 2.6
1.9 – 2.3
Depósito de glaciar
1.1– 2.9
2.4
1.5 – 2.5
1.8 – 2.3
Turba, carbón marrón terroso
0.2 – 0.7
0.4
0.5 – 3.8
0.5 – 1.1
Lodolita/limolita
1.1 – 3.4
2.2
2.1 – 2.4
2.4 – 2.6
Arenisca
1.9 – 4.6
2.8
1.8 – 2.6
2.2 – 2.7
Psefita/brecha
1.3 – 5.1
2.3
1.8 – 2.6
2.2 – 2.7
Marga
1.8 – 2.9
2.3
2.2 – 2.3
2.3 – 2.6
Caliza
2.0 – 3.9
2.7
2.1 – 2.4
2.4 – 2.7
Ladrillo de dolomita
3.0 – 5.0
3.5
2.1 – 2.4
2.4 – 2.7
Rocas sulfatadas (anhidrita)
1.5 – 7.7
4.1
2.0
2.8 – 3.0
Rocas sulfatadas (yeso)
1.3 – 2.8
1.6
2.0
2.2 – 2.4
Rocas cloradas (sal de roca/residuos de sal)
3.6 – 6.1
5.4
1.2
2.1 – 2.2
Antracita
0.3 – 0.6
0.4
1.3 – 1.8
1.3 – 1.6
1.1
1.1
Rocas metamórficas
sólidas
Roca magmática sólida
Toba volcánica
Roca volcánica de
ácida a intermedia
p. ej. riolita, traquita
3.1 – 3.4
3.3
2.1
2.6
p. ej. traquibasalto,
dacita
2.0 – 2.9
2.6
2.9
2.9 – 3.0
1.3 – 2.3
1.7
2.3 – 2.6
2.6 – 3.2
Roca volcánica de p. ej. andesita, basalto
básica a ultrabásica
Roca plutónica de
ácida a intermedia
Granito
2.1 – 4.1
3.2
2.1 – 3.0
2.4 – 3.0
Sienita
1.7 – 3.5
2.6
2.4
2.5 – 3.0
Roca plutónica de Diorita
básica a ultrabásica Gabro
2.0 – 2.9
2.5
2.9
2.9 – 3.0
1.7 – 2.9
2.0
2.6
2.8 – 3.1
grado metamórfico Pizarra
bajo
Esquisto silíceo
1.5 – 2.6
2.1
2.2 – 2.5
2.4 – 2.7
4.5 – 5.0
4.5
2.2
2.5 – 2.7
grado metamórfico Mármol
medio o alto
Cuarcita
2.1 – 3.1
2.5
2.0
2.5 – 2.8
2.5 – 2.7
5.0 – 6.0
5.5
2.1
Esquisto de mica
1.5 – 3.1
2.2
2.2 – 2.4
2.4 – 2.7
Gneis
1.9 – 4.0
2.9
1.8 – 2.4
2.4 – 2.7
2.6 – 2.9
Anfibolita
2.1 – 3.6
2.9
2.0 – 2.3
0.5 – 0.8
0.6
~3.9
Hormigón
0.9 – 2.0
1.6
Hielo (-10°C)
2.32
Bentonita
Otros materiales
2.0 – 2.2
~1.8
~2.0
1.89
0.919
Plástico (PE-Xa)
0.42
1.8
0.96
Aire (de 0°C a 20°C)
0.02
0.0012
0.0012
Acero
60
3.12
7.8
Agua (+10°C)
0.56
4.15
0.999
Fuente: VDI 4640
Observaciones:
En el caso de la roca no consolidada, la densidad varía considerablemente en función de la compacidad y el contenido de agua.
En la arenisca, psefita y brecha existe una gran amplitud de conductividad térmica; aparte del material, el estado de agregación
y la saturación de agua, es importante el tipo de agente aglutinante o relleno geotérmico.
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11
El agua subterránea, con su elevada capacidad térmica de 4.190
J/kgK a 10 °C, tiene una importante función en la capacidad de
extracción del sistema geotérmico.
En lo relativo a la permeabilidad
del agua en el terreno, cabe distinguir entre la permeabilidad de
Valores de
referencia de
la permeabilidad de la roca
no consolidada
poros y la permeabilidad de juntas
respecto a la sub-superficie de roca
no consolidada o roca sólida. En la
roca no consolidada (acuífero
poroso) son especialmente decisivos para la permeabilidad del
agua el tamaño y la distribución de
los poros, mientras que en el caso
Roca no consolidada
Grava pura
Grava arenosa, arena media/
gruesa
Arena fina, arena limosa
Limo, franco arcilloso
Arcilla, arcilla limosa
de la roca sólida lo son la frecuencia y la anchura de apertura de las
juntas de separación. La siguiente
tabla muestra los valores de referencia de la permeabilidad de la roca
no consolidada.
Coeficiente de conductividad
hidraúlica kf [m/s]
más de 10-2
de 10-4 to 10-2
Evaluación de la permeabilidad
muy permeable
muy permeable
de 10-6 to 10-4
de 10-8 a 10-6
menos de 10-8
permeable
ligeramente permeable
Impermeable
Fuente: VDI 4640
La temperatura aumenta una
media de 3 °C por cada 100 m de
profundidad. La evolución de las
temperaturas a lo largo del año
(Europa central) en los 15 m superiores se muestra en la ilustración
que aparece más abajo. En invierno la temperatura exterior puede
Temperatura (superficie terrestre) [ºC]
5
10
15
20
25
0
Profundidad en el suelo [m]
5
bajar con frecuencia de los cero
grados, pero a unos metros de
profundidad la temperatura del
suelo alcanza ya un valor medio de
15 °C. En verano la temperatura
exterior es casi de 20 °C de media;
sin embargo, el suelo a unos metros
de profundidad presenta una temperatura casi constante de 15 °C.
Esto es aplicable en la mayoría de
los casos a los periodos de transición de la primavera y el otoño.
La evolución de la temperatura del
suelo a poca profundidad pone de
manifiesto que la geotermia es una
fuente de energía constante que
está siempre disponible.
10
15
20
5
10
15
20
25
Temperatura (profundidad) [ºC]
La temperatura del suelo aumenta una media de 1 ºC por cada 33 m aproximadamente
.
1. Febrero
12
1. Mayo
1. Noviembre
1. Agosto
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Bombas de calor
Las bombas de calor son máquinas de
ciclo con fluido refrigerante que permiten aprovechar la energía de baja
temperatura para la calefacción o
refrigeración de edificios. La energía
del entorno se extrae del aire
ambiente, el agua subterránea o el suelo. Mediante el uso de electricidad se
pone la temperatura al nivel deseado.
Principio de funcionamiento
de una bomba de calor
Compresor
Evaporador
Condensador
Sistema de
calefacción
Válvula de expansión
El funcionamiento cíclico en el
interior de la bomba de calor consta de cuatro componentes: el
evaporador, el compresor, el condensador y la válvula de expansión. El portador de la energía térmica es un refrigerante con un
punto de ebullición extremadamente bajo. En el evaporador, el
refrigerante absorbe el calor,
volviéndose gaseoso.
En el compresor se eleva la temperatura del refrigerante gaseoso
por compresión. Para ello, el dis-
positivo precisa de corriente eléctrica externa. En el condensador se
suministra la energía térmica en el
ciclo de calefacción. En la válvula
de expansión, el refrigerante se
expande para volver a comenzar el
ciclo.
Las bombas de calor se pueden
clasificar como:
bombas de calor de aire/agua
bombas de calor de agua/agua
bombas de calor geotérmicas
brine/agua.
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La designación del tipo de bomba
de calor depende del medio que
absorbe el calor (medio de transferencia del calor) y del medio que distribuye el calor en ambiente interior.
Si el calor es absorbido por el brine
(mezcla de agua / glicol) a través
de un captador geotérmico y es disipado por agua a través de un sistema de climatización radiante, se trata de una bomba de calor geotérmica brine/agua.
13
Con relación al modo de funcionamiento podemos distinguir entre:
monovalente (una sola fuente de energía)
bivalente (dos fuentes de energía)
monoenergético (un sólo recurso energético).
Las bombas de calor de aire/agua
están sujetas directamente a las fluctuaciones de la temperatura exterior.
Por ello, presentan una menor eficiencia energética en las épocas de
mayor demanda de calor: en invier-
no, cuando el aire ambiente posee el
menor contenido energético. Para
hacer frente a estos casos extremos,
con una bomba de calor de aire/
agua se pueden admitir las cargas
máximas de forma monoenergética
Bomba de calor con modo de
funcionamiento monovalente
Bomba de calor con modo de
funcionamiento monoenergético
Punto de dimensionado
-15
-15
-10
-10
Temperatura [ºC]
Temperatura [ºC]
-10
-5
0
5
10
-5
-3
0
10
0
3
5
Punto de dimensionado
10
> 60 %
15
20
Días
-5
> 95 %
15
20
14
Punto de dimensionado
5
100 %
15
Bomba de calor con modo de
funcionamiento bivalente-paralelo
Temperatura [ºC]
-15
con ayuda de una calefacción eléctrica adicional (resistencia adicional
de calentamiento) o de forma bivalente con ayuda de una segunda
fuente de energía (p. ej. caldera de
combustible sólido).
20
Días
Días
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Sistemas de calefacción y refrigeración de paneles radiantes llenos de agua
Esquemas de los
sistemas de bombas
de calor
Sistema de
aprovechamiento del calor
Bomba de calor
Bomba de calor de
salmuera/agua
Fuentes de calor
Intercambio de calor
Bomba de calor de
agua/agua
Suelo
Colector horizontal colector vertical
Para aplicaciones de geotermia se
utilizan bombas de calor brine/
agua. En este tipo de bombas circula una mezcla de agua/glicol a
través del intercambiador de calor.
Para evaluar el rendimiento de un
sistema de bomba de calor se utili-
Agua
Aire
Agua subterránea - aguas
superficiales
za el llamado coeficiente de prestación
estacional β. Esto indica la proporción de energía térmica obtenida
con relación a la energía eléctrica
suministrada (capacidad nominal) a
lo largo de un año. Cuanto mayor
Coeficiente de prestación
=
estacional β
Bomba de calor de
aire/agua
Aire circundante
es el coeficiente de prestación
estacional, mayor será la eficiencia
de la bomba de calor. Valores
habituales en la Península Ibérica
de 5 a 5,5.
W (energía térmica aprovechable)
W (potencia eléctrica suministrada)
Garantizar la seguridad operativa
Para poder evaluar la cantidad o la
capacidad de energía que puede
extraer de la tierra o suministrar a la
tierra un intercambiador de calor, es
necesario establecer unos criterios
que permitan medir la eficiencia y
que impidan superar unos valores
límite.
cionamiento seguro durante todo el
año. En lo relativo a la fuente de
calor, esto supone que el brine no
debe estar nunca por debajo de su
temperatura de solidificación ni
debajo de la temperatura mínima
especificada por el fabricante de la
bomba de calor
Para asegurarnos de que el sistema
de bomba de calor funcione adecuadamente, han de cumplirse los
siguientes criterios:
El brine se enfría en el evaporador
para luego volver a calentarse en la
fuente de calor. Estas son, por tanto, las temperaturas mínimas en el
circuito del brine. Los portadores
térmicos habituales que contienen
agua se expanden durante la solidificación. Existe por ello el riesgo de
que estallen el evaporador si se
solidifica el brine.
La seguridad operativa se entiende
desde el punto de vista de evitar los
daños en el sistema y no superar la
capacidad máxima de la bomba de
calor con el fin de garantizar el fun-
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Los portadores térmicos utilizados
principalmente para las fuentes de
calor son mezclas de agua y glicol
(sobre todo monoetilenglicol).
Con la proporción de la mezcla
establecida en 3:1 se garantiza la
protección contra la congelación
hasta -14 °C aproximadamente.
Debemos asegurarnos, por lo tanto, de que la temperatura no descienda en ningún momento por
debajo de este punto. Este es el
motivo por el cual la mayoría de
los fabricantes incluyen dispositivos de seguridad integrados que
permiten apagar antes la bomba
de calor.
15
La siguiente tabla muestra un
ejemplo de cálculo del coste de
explotación de un sistema de climatización geotérmica con bomba
de calor comparado con un sistema de calefacción tradicional por
gas.
Ejemplo de comparación del coste de propiedad en Alemania
Energía térmica necesaria [kWh]
Eficiencia/Coeficiente de prestación estacional
Cantidad de energía obtenida [kWh]
Precio por kWh [ct/kWh]
Precio básico [€/año]
Costes operativos [€/año]
Costes de medición de los gases de escape [€/año]
Coste total [€/año]
Diferencia [€/año]
Costes en porcentaje
16
Gas
20,000
85%
23,529
6.68
142.8
1,714.56
45.11
1,759.65
–
100%
Heat pump
20,000
4
5,000
13.61
41 ,40
721.90
–
721.90
1,037.75
41%
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Sistemas emisores de climatización radiante
Los sistemas emisores radiantes de
baja temperatura son especialmente adecuados para su uso junto
con sistemas de geotermia. Debido
a la amplia superficie de emisión,
las temperaturas de funcionamiento
requeridas se encuentran apenas
por encima (calefacción) o por
debajo (refrigeración) de la temperatura de la habitación, lo cual
mejora considerablemente la eficiencia energética de las bombas
de calor utilizadas para los sistemas
de geotermia.
Los sistemas de baja temperatura
incluyen los sistemas radiantes de
calefacción y refrigeración en los
cuales circula el agua:
Sistemas de calefacción y
refrigeración por suelo radiante
Sistemas de calefacción y
refrigeración por pared
Sistemas de calefacción y
refrigeración por techo
Sistemas de calefacción por
forjados activos
En los sistemas radiantes de calefacción o refrigeración, la energía
se transmite casi exclusivamente
por radiación y no por convección.
Se evita así generar corrientes y
levantar polvo. Como los sistemas
radiantes de calefacción y refrigeración son “invisibles”, no ocupan
espacio útil y ofrecen una libertad
casi ilimitada en cuanto al diseño y
el mobiliario de las habitaciones,
además de una relación óptima
entre el espacio interior y el espacio
aprovechable.
Sistemas de refrigeración y
calefacción por suelo radiante
Existen soluciones de sistemas a
medida no sólo para edificios
nuevos, sino también para adaptar a
suelos existentes en obras de reforma. Estos sistemas proporcionan un
alto grado de confort durante todo
el año, tanto para refrigeración
como para calefacción interior.
(sin partículas) y eficiencia en
comparación con los sistemas de
aire acondicionado.
Los sistemas de refrigeración y calefacción por suelo radiante se instalan de distintas formas. Los tipos
más frecuentes para edificios
nuevos y reforma son:
En los sistemas de calefacción y
refrigeración por techo se puede
distinguir entre los siguientes
tipos:
Sistemas de reforma (baja altura)
Sistemas con mortero
Sistemas secos
Sistemas de refrigeración y
calefacción por pared
Como alternativa a los sistemas de
calefacción o refrigeración por suelo
radiante o para ampliar las superficies de calefacción o refrigeración,
se pueden utilizar sistemas de
pared.
Podemos distinguir entre:
Sistemas por pared secos
Sistemas por pared con mortero
Los sistemas por pared secos se utilizan en reformas si no se va a cambiar o no se puede modificar la
estructura del suelo. Además de las
paredes existentes, se pueden utilizar paredes adicionales de
estructura ligera (tabiquería seca)
como superficies de calefacción o
refrigeración. Dependiendo de la
estructura de la pared, el sistema se
instala debajo de los paneles o
directamente en la capa de yeso.
Los sistemas por pared con mortero
se utilizan en caso de reforma parcial o cuando se aplica un nuevo
enlucido.
Sistemas de refrigeración y
calefacción por techo
La sistemas de refrigeración y calefacción por techo se utilizan cada
vez más por motivos de comodidad
(sin corrientes de aire), salubridad
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Paneles de techo
Forjados activos como techo
radiante
Los paneles de techo se utilizan
tanto en edificación nueva como
en reforma. La refrigeración y
calefacción en los paneles de
techo se activa mediante la circulación de agua a través de circuitos
emisores instalados directamente
en los paneles de techo.
Los forjados activos como techo
radiante se utilizan para calefacción o refrigeración en edificios de
varios pisos. Esta solución da
como resultado unos techos activados térmicamente por medio de
circuitos emisores por los cuales
circula el agua atemperada, para
modo refrigeración o modo calefacción, también válidos para construcción modular. El sistema de
forjados activos activa térmicamente el núcleo de hormigón, y
se utiliza para conseguir el confort
térmico en el edificio de una manera sencilla, ecológica y con un
ahorro de costes. El sistema de
forjados activos es especialmente
apto para edificios con una carga
de refrigeración baja o media, con
el fin de actuar contra el recalentamiento en verano. En edificios
con una carga de refrigeración
media o alta, el sistema de forjados activos se utiliza para hacer
frente a las cargas básicas.
17
Uponor Pared
Uponor Contec
Uponor Minitec
Colectores horizontales Uponor
18
Cestas de energía Uponor
Pilotes de energía Uponor
Colectores verticales Uponor
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Uponor Classic
Uponor Siccus
Uponor Klett / Autofijación
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19
Sistemas de captación de energía geotérmica
Presentación de los sistemas
Entre los captadores de geotermia
(intercambiadores de calor)
podemos distinguir entre captadores horizontales y verticales.
Los sistemas de geotermia habituales
se pueden clasificar del siguiente
modo:
Horizontales
Captador horizontal o captador
de superficie
Cestas de energía
Horizontales en espiral
Verticales
Sondas verticales
Pilotes de energía y muros pantalla
La idoneidad de cada sistema de
geotermia depende del entorno
(propiedades del suelo y condiciones
climáticas), los datos de rendimiento,
el modo de funcionamiento, el tipo
de edificio (comercial o privado), el
espacio disponible y la normativa
legal.
Captadores horizontales
Captadores geotérmicos instalados en posición horizontal o diagonal en los
cinco metros superiores del terreno (captador de superficie). Se trata de circuitos de tuberías instalados normalmente junto al edificio o bajo el forjado.
Cestas de energía
Captadores de calor instalados verticalmente en el terreno a niveles más
bajos. Aquí los circuitos de tuberías individuales están dispuestos en espiral
o en forma de tornillo. Las cestas de energía son un tipo especial de captadores horizontales.
Pilotes de energía y elementos termoactivos
Captadores geotérmicos instalados en pilotes y muros de cimentación. Se
instalan circuitos de tuberías plásticas de última generación en forma de U,
en espiral o en forma de meandro. Este sistema de captación geotérmica se
implementa tanto en pilotes prefabricados, como en estructuras de cimentación,
pilotes o muros pantalla montados en obra. Los circuitos del captador se
montan directamente sobre las estructuras y después el conjunto se rellena
de hormigón.
Captadores verticales o sondas geotérmicas
Captadores de calor instalados en posición vertical en el interior de un
sondeo perforado en el terreno. En este caso se introduce uno (sonda en U
simple) o dos (sonda en U doble) circuitos de tuberías en un pozo vertical
perforado en el terreno a profundidades de entre 80 y 200 metros.
20
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Modos de funcionamiento
El modo de funcionamiento y el coste operativo correspondiente de la bomba de calor se definen en función de las
demandas de calefacción y refrigeración de cada edificio.
Funcionamiento en modo calefacción
Energía eléctrica
Energía de la tierra
Sistema de calefacción
La geotermia se utiliza como fuente de calor
La bomba de calor eleva la temperatura del medio
hasta un nivel utilizable para el edificio
Sistema de refrigeración
Funcionamiento de la refrigeración (activa)
Energía eléctrica
Energía de la tierra
Sistema de calefacción
La geotermia se utiliza como sumidero de calor
(fuente de refrigeración)
Nivel de temperatura insuficiente para refrigeración
pasiva
Compresor activo
Posibilidad de funcionamiento doble
Sistema de refrigeración
Funcionamiento de la refrigeración (refrigeración pasiva/geocooling)
Energía eléctrica
Energía de la tierra
Sistema de calefacción
La geotermia se utiliza como sumidero de calor
(fuente de frío)
Nivel de temperatura obtenido de la geotermia suficiente para la refrigeración pasiva, sólo está activa la
bomba de circulación
No es necesario arrancar la bomba de calor
Costes operativos ínfimos (sólo bombas circuladoras)
Sistema de refrigeración
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
21
Calefacción y refrigeración: funcionamiento doble
Energía eléctrica
Dependiendo de las necesidades energéticas del
edificio, la geotermia se utiliza como fuente de calor
y/o como sumidero de calor (fuente de frío)
Sistema de calefacción
Energía de la tierra
Sistema de refrigeración
Tabla de selección de sistema de geotermia según el modo de funcionamiento y la configuración del sistema
Modo de funcionamiento Calefacción
Configuración del sistema
Captador vertical
Captador horizontal
Cesta de energía
Pilote de energía
applicable
< 30 kW
Refrigeración
Activa
> 30 kW
< 30 kW
Pasiva / geocooling
> 30 kW
-
< 30 kW
> 30 kW
-
limited use dependent on the general conditions
Refrigeración pasiva / geocooling
La geotermia es el único sistema que
permite la llamada refrigeración pasiva o geocooling. Las sondas verticales son la solución más efectiva de
todas las aplicaciones posibles para
este modo de funcionamiento.
Un requisito para ello es el uso de un
sistema de refrigeración radiante.
El modo de funcionamiento en
refrigeración pasiva ofrece diversas
ventajas para el usuario y el medio
ambiente:
Mayor confort en la vivienda o edificio gracias a un ambiente interior
agradable en las habitaciones
Mejora del coeficiente de prestación
estacional del conjunto del sistema
mediante la regeneración del suelo
Coste de inversión adicional
mínimo, ínfimos costes
Ahorro de recursos
Compatible con el medio ambiente,
22
sin emisiones
Debido a la mejora del aislamiento
en los edificios nuevos, las necesidades de calefacción y refrigeración se reducen. Antes el diseño se centraba en la calefacción,
mientras que ahora se ha trasladado a la refrigeración debido a la
mayor demanda de bienestar. Los
edificios modernos tienden cada
vez más a calentarse en exceso en
los periodos más cálidos del año.
Para actuar eficazmente contra
esto se toman cada vez mejores
medidas pasivas. Para conseguir
una temperatura operativa en las
estancias interiores (temperatura
de bienestar) de 26 °C se utilizan
las temperaturas más frescas
almacenadas en la tierra, que se
transfieren al edificio a través de
un sistema radiante.
Descargando el calor sobrante del
edificio en la tierra, esta se regenera activamente, es decir, se
vuelve a calentar. En los edificios
donde se extrae más calor del suelo en invierno del que se repone
en verano. Esto no se puede considerar un problema, ya que
durante la transición del periodo
de calefacción al de refrigeración
suele transcurrir el tiempo suficiente para la regeneración pasiva
o natural. La regeneración activa
contribuye a mejorar aún más este
fenómeno.
La inversión adicional para tener
un sistema geotérmico con refrigeración
radiante activa y pasiva es mínima.
El control de las condiciones de
condensación y el cambio de
modo calefacción a modo refrigeración pueden estar controlados
por sistemas reguladores
automáticos, como el sistema de
gestión dinámica de energía de
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
de la bomba de calor no arranca y los
costes se limitan al pequeño consumo eléctrico de las bombas de circulación.
están en funcionamiento la bomba
de circulación de brine al terreno y
la bomba de circulación del emisor
radiante. Por tanto el compresor
Uponor. Únicamente se necesitan
instalar como elementos adicionales
los sensores de humedad. En el
caso de la refrigeración pasiva, sólo
Temperatura operativa de la
habitación [ºC]
Temperatura operativa de la habitación sin el uso de la
refrigeración pasiva
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
Temperatura operativa de la habitación en el transcurso de un día
Temperatura operativa óptima de la habitación
Límites habituales de la temperatura operativa de la habitación
0
Temperatura operativa de la
habitación [ºC]
Temperatura operativa de la habitación
sin el uso de la refrigeración pasiva
La ilustración de la izquierda muestra la
evolución de la temperatura en el interior de
una habitación con sombreado exterior en un
día de verano típico de julio. Es evidente el
calentamiento excesivo de la habitación.
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0
Tiempo [h]
Temperatura operativa de la habitación con el uso de la
refrigeración pasiva
27
26
25
24
23
22
21
20
19
Temperatura operativa de la habitación
con el uso de la refrigeración pasiva
El uso de la función de refrigeración pasiva
produce una clara mejora de la temperatura
operativa de la habitación.
Temperatura operativa de la habitación en el transcurso de un día
18
Temperatura operativa óptima de la habitación
17
Límites habituales de la temperatura operativa de la habitación
16
15
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0
Tiempo [h]
Ejemplo de cálculo: coste anual potencial, refrigeración pasiva
Potencia eléctrica
Potencia eléctrica con el caudal calculado
Tiempo de funcionamiento
Demanda de energía total anual
Tarifa eléctrica por kWh
Coste energético anual
Coste energético total
Bomba de circulación de
brine al terreno
5 – 70 W
60 W
800 h
48 kWh
0.20 ¤/kWh
9.60 ¤
Bomba de circulación emisor radiante
16 – 310 W
55 W
800 h
44 kWh
0.20 ¤/kWh
8.80 ¤
18.40 ¤
Ejemplo de cálculo: coste anual potencial, refrigeración activa
Potencia eléctrica
Potencia eléctrica con el caudal calculado
Tiempo de funcionamiento
Demanda de energía total anual
Tarifa eléctrica por kWh
Coste energético anual
Coste energético total
Compresor de la bomba
de calor geotérmica
2,300 W
–
800 h
1,840 kWh
0.20 ¤/kWh
368.- ¤
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Bomba de circulación emisor radiante
16 – 310 W
55 W
800 h
44 kWh
0.20 ¤/kWh
8.80 ¤
376.80 ¤
23
Captadores horizontales
Sistema / ámbito de aplicación
Descripción de la aplicación
Los captadores horizontales son una
versión habitual de geotermia en
lugares con disponibilidad de superficie. Consisten en circuitos de captadores horizontales, es decir, tuberías instaladas en paralelo a la
superficie de la tierra.
Ventajas
Coste de inversión comparativamente bajo
Buen coeficiente de prestación
estacional
Instalación sencilla
Solución ideal para viviendas
unifamiliares o pequeños
edificios
Baja profundidad de instalación sin alterar el equilibrio
hidrológico
Ilustración esquemática de un sistema de captador horizontal
Dependiendo de los distintos requisitos y condiciones, los circuitos de
captadores geotérmicos individuales
se instalan a una distancia de 0,5 a
0,8 m con tuberías de diámetro 32
mm; y de 1,2 a 1,5 m con tuberías
de 40 mm. Los circuitos de captación se disponen de forma similar
a un sistema de climatización por
suelo radiante. Las líneas de suministro y de retorno de los circuitos
se agrupa en cámaras o zanjas y se
dirigen a la bomba de calor.
Nota:
La combinación de captadores horizontales con la
estación de refrigeración
Uponor EPG6 constituye una
solución ideal de refrigeración
libre.
24
La ventaja importante de los captadores horizontales es la baja inversión con un coeficiente de prestación
estacional relativamente alto. De
todos los sistemas de geotermia, el
captador horizontal es la variante
que implica menores costes. Se
debe prever un espacio relativamente amplio de parcela no impermeabilizado.
Una alternativa a los captadores
horizontales es la activación de las
losas de cimentación para la calefacción y/o la refrigeración pasiva.
En este caso no se necesita espacio
adicional aparte del propio edificio.
Dado que la mayoría de los edificios
se alzan sobre losas de cimentación,
cimentación lineal o cimientos profundos, o una combinación de
estos, resulta útil el aprovechamiento del calor obtenido de la geotermia
a través de los cimientos. Por debajo
de la losa de cimentación o losa del
forjado, es decir, entre la tierra y la
losa, se suele integrar lo que se
denomina una capa formada por
hormigón de limpieza o grava fina.
Para utilizar la geotermia se pueden
integrar aquí las tuberías del captador. La capacidad que se puede
alcanzar con las losas de cimentación
es limitada y claramente inferior a los
captadores horizontales sin construcción encima. Aquí, aparte del estado
del suelo, tienen una importancia
fundamental el nivel del agua subterránea y el flujo de agua subterránea.
¡Deben evitarse en cualquier caso las
temperaturas inferiores al nivel de
helada!
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Hasta un 99% del calor extraído
del terreno por los captadores horizontales es energía solar almacenada en el suelo y no calor procedente del núcleo terrestre. Por este
motivo, el contacto térmico con la
superficie de la tierra resulta decisivo para la eficiencia. En invierno
la energía solar neta que incide en
el suelo es menor, pero la captación de calor es mayor. La
energía extraída es la energía solar
almacenada en el suelo durante el
verano. La capacidad de almacenamiento básica del suelo se
puede ver alterada por el cambio
de fase del agua existente en el
terreno. Por lo que es necesario
instalar el captador geotérmico
horizontal por debajo de la línea de
helada natural.
Propiedades físicas de los tipos de suelo caraterísticos
Contenido de agua
Conductividad térmica
Capacidad térmica
específica
Densidad
Unidad
Arena
Arcilla
Limo
Arcilla arenosa
% Vol.
W/mK
9.3
1.22
28.2
1.54
38.1
1.49
36.4
1.76
J/kg K
805
1,229
1,345
1,324
kg/m³
1,512
1,816
1,821
1,820
Fuente: VDI 4640
Temperatura (superficie terrestre) [ºC]
5
10
15
20
25
0
Colector Horizontal Uponor
Profundidad en el suelo [m]
Funcionamiento
Profundidad de instalación:
normalmente 1.2 – 1.5 m
5
10
15
20
5
10
15
20
25
Temperatura (profundidad) [ºC]
La temperatura del suelo aumenta una media de 1 ºC por cada 33 m aproximádamente
1. Febrero
Instalación de circuitos individuales
1. Mayo
1. Noviembre
1. Agosto
Fijación de circuitos sobre mallazo
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
25
Límites de aplicación
La eficiencia de un captador horizontal depende sobre todo del contenido de agua del suelo que lo rodea.
En un suelo arenoso con baja acción
capilar, el agua de lluvia se filtra rápidamente a las capas más profundas
de la tierra. Por el contrario, un suelo
arcilloso con un alto efecto capilar
puede retener el agua mucho mejor
contra la gravedad. Estas diferencias
hacen que el contenido volumétrico
de agua en arena sea normalmente
inferior al 10% y en arcilla superior al
35%. Por lo tanto, en arcilla hay más
del doble de agua por volumen de
suelo disponible como almacenamiento latente para un captador horizontal que en un suelo arenoso. Además,
el agua que contiene el suelo mejora
la conductividad térmica, por lo que
el calor almacenado en las capas más
profundas de la tierra y la energía
solar de la superficie terrestre
pueden fluir mucho más fácilmente
hasta los captadores.
En la tabla de la página anterior se
hace una distinción entre arena,
arcilla, limo y arcilla arenosa, lo que
refleja muy bien la amplia gama de
suelos existentes en la naturaleza.
La arena en este contexto es un suelo suelto formado por granos separados (> 50 mm). En este tipo de suelo
el efecto capilar es extremadamente
bajo y la permeabilidad del agua en
el terreno es alta. Así pues, el agua
de lluvia se filtra rápidamente a las
capas más profundas, lo que da
lugar por encima del agua subterránea a un bajo contenido volumétrico de agua inferior al 10%.
La arcilla consiste básicamente en
una mezcla de arena y limo, mientras que el limo es un sustrato de
grano medio-fino (entre 2 mm y 50
mm). Estos suelos cohesivos presentan un contenido volumétrico de
agua del 20 al 40%, por lo que
resultan más adecuados que la arena para captadores horizontales.
En arcilla arenosa, consistente en su
mayor parte en granos muy finos (<
2 mm), el efecto capilar es aún
mayor, produciendo un contenido
volumétrico de agua superior al
30%.
Las propiedades físicas exactas varían de un lugar otro, lo que se debe,
entre otras cosas, al distinto nivel
de precipitaciones. La siguiente
tabla muestra los valores medios de
las propiedades físicas de los distintos tipos de suelo.
En Europa las diferencias climáticas
son tan grandes que no tiene sentido instalar captadores horizontales
siguiendo unas mismas referencias.
En climas más cálidos es posible una
mayor capacidad de extracción
específica de la superficie sin producir daños en el sistema ni en el
medio ambiente.
Construcción y medio ambiente
Durante el uso en calefacción, los captadores horizontales extraen calor del
suelo, por lo que este se enfría
después hasta una temperatura inferior
a la de un suelo no alterado. A la hora
de determinar las dimensiones del sistema, debemos asegurarnos de que el
suelo circundante y el medio ambiente
no tengan ninguna alteración.
En general, es posible que la flora situada por encima de un captador horizontal nazca con un ligero retraso en
primavera. Dado que el captador horizontal suele encontrarse a profundidades de más de un metro y que son
pocas las raíces de plantas que penetran hasta tal profundidad, el efecto
es bajo. En principio se puede plantar
cualquier especie de planta en la
parcela del captador horizontal, incluso árboles. Las tuberías para geotermia a la profundidad habitual no
resultan dañadas por las raíces y el
efecto causado en las plantas por las
tuberías es mínimo.
El funcionamiento del captador horizontal puede ser sensible a la formación de hielo en invierno. Si la
temperatura de la superficie exterior
de las tuberías del captador desciende
por debajo de 0 °C, el agua existente
en el suelo circundante empieza a
helarse. Una ligera formación de hielo
no suele ser problemática, ya que en
invierno el terreno también se hiela
en algunas zonas hasta una profundidad de 0,5 m – 0,8 m, para derretirse
Reference values for the dimensioning of horizontal collectors
Subsuperficie
Suelos secos no cohesivos
Suelos húmedos cohesivos
Arena/grava saturada de agua
Capacidad de
extracción específica qE con 1.800
h/a [W/m²]
10
20 – 30
40
Capacidad de
extracción específica qE con 2.400
h/a [W/m²]
8
16 – 24
32
Distancia de
instalación
Profundidad de
instalción
[m]
1
0.8
0.5
[m]
1.2 – 1.5
1.2 – 1.5
1.2 – 1.5
Distancia hasta las
tuberías de
suministro
[m]
> 0.7
> 0.7
> 0.7
Durante periodos de funcionamiento más prolongados debe tenerse en cuenta tanto la capacidad de extracción específica qE como el factor de extracción
anual específico.
En los captadores de geotermia, este debe situarse entre 50 y 70 kWh/(m² año). Valores de referencia para captadores de geotermia diseñados según la norma
VDI 4640: ¡válido sólo para el funcionamiento en calefacción y producción de agua caliente!
26
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Circuitos de tuberías captador geotérmico Uponor PE-Xa
con la subida de las temperaturas en
la primavera. Sin embargo, hay que
ser rigurosos en el diseño para evitar
que el terreno y el ambiente puedan
verse afectados por formación de hielo en exceso.
Dilatación del agua durante la
congelación
El agua retenida en el terreno
aumenta su volumen cuando se produce congelación. Si existen relativamente pocos huecos llenos de agua,
la formación de hielo no tiene un
efecto destacado, ya que el hielo se
puede dilatar ocupando los huecos
adyacentes llenos de aire. Sin embargo, cuando el contenido de agua es
alto, se produce dilatación del terreno con distintos efectos.
El agua que circunda el captador se
congela y se dilata y el terreno ejerce
presión sobre el captador. Los suelos
francos conservan en buena medida
esa forma una vez que se ha derretido el hielo en primavera, manteniendo así el contacto entre el captador
geotérmico y el terreno. El aumento
de agua retenida en el terreno por
lluvia o riego vuelve a llenar los
pequeños huecos entre el captador y
el terreno mejorando la transmisión
térmica.
Montaje de captador geotérmico en losa del forjado
Efecto del agua en primavera
Si se produce un gran efecto de congelación en invierno, los radios de
hielo que rodean las tuberías del
captador se unen entre sí y se interrumpe la difusión vertical de humedad. En primavera el hielo se derrite
y el terreno se puede saturar de
agua, impidiendo la filtración de
agua de lluvia. Este fenómeno puede
originar barro en la superficie del terreno encima del captador, y generar
efectos de deslizamientos en casos
extremos de pendientes superiores al
15%. Para pendientes inferiores se
pueden instalar captadores geotérmicos horizontales sin riesgo por
efectos del agua de primavera
y la cantidad incrementada de agua
de lluvia no se pueden filtrar al suelo. Se produce barro en la superficie
de la tierra. Especialmente en las colinas con gran pendiente, las capas
continuas de hielo bajo el suelo saturado de agua pueden provocar
deslizamientos de tierras. No
obstante, con una pendiente del terreno de hasta el 15% se puede instalar sin problemas un captador horizontal en paralelo a la superficie de
la tierra.
Debemos tener en cuenta también
que la capa de hielo se puede derretir a tiempo para que el agua pueda
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
filtrarse a ese espacio. Dado que la
evolución anual de las temperaturas
y el nacimiento de la vegetación en
primavera varían mucho según la
región, no es útil establecer una
fecha fija para esto. En lugar de ello,
se considera apropiado el momento
en que la media de la temperatura
ambiente de dos a cuatro días alcanza un nivel límite de 12,0 °C. Este
momento suele tener lugar entre
mediados de abril y mediados de
mayo. Para entonces los radios de
hielo se habrán derretido hasta el
punto de no estar ya en contacto
entre sí, y además el agua filtrada
acelerará entonces el proceso de derretimiento del hielo. Los efectos de
la incidencia del agua pueden ser
más negativos en el caso de suelos
arenosos muy saturados próximos al
nivel freático, ya que en estos suelos
el agua suele filtrarse fácilmente y la
capa de hielo dificultará el drenaje
natural. En los suelos arcillosos el
agua se filtra despacio también
cuando están helados y, por ello, una
capa de hielo cerrada tiene un efecto
mínimo en el drenaje natural. A la
hora de determinar las dimensiones
del captador horizontal según la norma VDI 4640, hay que considerar la
menor alteración posible para el
medio ambiente.
27
Dimensionado de los captadores horizontales
Aparte de las propiedades del suelo
y las condiciones climáticas, el
dimensionado de captadores horizontales depende de las horas de
funcionamiento anual del sistema de
bomba de calor. Se parte normalmente de un máximo de 1.800 horas
de funcionamiento.
La superficie de captación requerida
en el caso de captadores horizontales se basa en la capacidad de
extracción específica qE del suelo y la
capacidad del refrigerante QO de la
bomba de calor.
Amin =
QO
qE
[m²]
La capacidad del refrigerante
corresponde a la proporción de
la capacidad de la bomba de calor
extraída del terreno y constituye
la diferencia entre la capacidad
térmica de la bomba de calor QH y
el consumo eléctrico Pel.
QO = QH – Pel
[W]
La longitud requerida de tubería de
captador LK se calcula a partir de la
superficie requerida del captador
Amin y la distancia s de las tuberías
del captador.
LK =
Amin
s
[m]
Cuando se reduce la distancia de las
tuberías manteniendo la misma
capacidad de extracción, el riesgo
principal es la formación de barro en
primavera. Los radios de hielo formados alrededor de las tuberías no
se derretirían entonces a tiempo
para dejar espacio para la filtración
del agua de lluvia. Cuando se amplía
la distancia de las tuberías, des-
28
ciende la temperatura del brine que
circula por el captador para la misma
cantidad de extracción de calor. En
caso de carga máxima, la temperatura de retorno de la brine caería por
debajo de -5 °C, lo que provocaría
el apagado de la bomba de calor.
Por lo tanto, una diferencia en la
distancia de las tuberías superior a 5
cm requiere siempre una reducción
de la capacidad de extracción
específica de la superficie.
Ejemplo de cálculo
Bomba de calor (datos del fabricante)
- Capacidad de calefacción
QH = 8.9 kW
- Consumo eléctrico
Pel = 1.98 kW
➔ Capacidad refrigerante
QO = 6.92 kW
Captador horizontal
(datos según la norma VDI 4640)
- Periodo de uso anual 1,800 h
- Capacidad de extracción
qE = 25 W
- Distancia de instalación
s = 0.8 m
➔ Superficie del captador
Amin = 277 m²
➔ LK = 346 m
Dimensionado del captador
horizontal
➔ 4 circuitos de calefacción por
100 m
➔ Distancia de instalación real
= 0.69 m
A la hora de determinar las dimensiones de las tuberías del captador,
debemos asegurarnos de exista una
baja pérdida de carga (importante:
considerar que el brine – agua y
anticongelante – tiene mayor vis-
cosidad que el agua), ya que el
rendimiento y consumo de la bomba
circuladora afecta el coeficiente de
rendimiento estacional β del sistema
de bomba de calor.
En caso de dimensionado monovalente (una sola fuente de energía)
de la bomba de calor de brine/
agua, las fuentes de calor se deben
dimensionar de tal manera que
cumplan los requisitos de potencia
del edificio QG y no el de la bomba
de calor. La capacidad de calefacción total QWP incluye el requisito de
capacidad del edificio QG y para el
calentamiento de agua doméstica
Qww teniendo en cuenta un tiempo
de bloqueo Z.
QWP = (QG + QWW) · Z
[W]
Si en la etapa de diseño seleccionamos una bomba de calor con menor
capacidad de calefacción que la necesaria, o bien el captador geotérmico
tiene menor superficie de la necesaria,
aumentarán las horas de funcionamiento de la bomba de calor generando un
consumo eléctrico excesivo. Esto significa que el captador estará sometido a una mayor solicitación o se producirá un factor de extracción anual
más alto.
Es indispensable una planificación y
dimensionado preciso y optimizado
de los captadores horizontales. Debe
evitarse un tamaño excesivamente
reducido, ya que esto produce una
disminución de la temperatura de la
brine y, por lo tanto, un bajo coeficiente de rendimiento estacional.
Un tamaño insuficiente puede dar
lugar a una reducción continua de las
temperaturas de la fuente de calor,
alcanzando en casos extremos el
límite operativo de la bomba de calor.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Montaje e instalación
La obra de movimiento de tierras
es parte de los costes de la obra de
instalación de un captador, la ventaja es que es posible excavar la
superficie del captador, instalar los
circuitos y los tramos de conexión
horizontales sin tener que usar técnicas de perforación.
Con el método de excavación abierta
se excava la superficie de un circuito
por medio de una excavadora
pequeña con un ancho de pala
correspondiente a la distancia de
las tuberías. A continuación se instala el circuito de tuberías en esa zona.
Cuando se excava la segunda superficie para otro circuito, el suelo excavado se puede utilizar para rellenar la
primera zona excavada previamente.
Durante el relleno es necesario compactar el suelo lo mejor posible, ya
Principio de instalación de
tuberías de Tichelmann con los
circuitos de calefacción
designados como bucles de
tuberías
que el material suelto reduce el efecto capilar, produciendo un bajo
contenido de agua y, por lo tanto,
peores propiedades térmicas.
No obstante, la excavación por
zonas resulta útil con una distancia
de las tuberías superior a 40 cm.
Con distancias menores, la mayoría
de las veces la mejor alternativa es
excavar la superficie completa. El
principal inconveniente en este
caso es que hay que mover el
doble de tierra, y se requiere más
espacio libre para almacenar el
material excavado. El transporte
del material excavado hasta el
espacio libre y de vuelta a la parcela del captador son trabajos adicionales que no serían necesarios
en caso de instalar el captador
geotérmico horizontal por zonas.
Todos los circuitos de tuberías de
los captadores horizontales instala-
Instalación del circuito de
calefacción del sistema en
espiral
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
dos en el suelo deben ser de la
misma longitud y pueden conectarse a una bomba de calor a
través de un colector de suministro y retorno según el principio de
Tichelmann o retorno invertido.
Cuando se instalan las tuberías
según el principio de Tichelmann,
la longitud requerida de las tuberías se divide en circuitos de tuberías conectados en paralelo. En
cuanto a la pérdida de presión,
hemos de tener en cuenta el caudal en los distintos circuitos de
tuberías, la longitud de las mismas
y su diámetro. Los distintos circuitos de captador se pueden diseñar
e instalar como circuitos de tuberías en configuración de retorno
invertido (véase la instalación de
Tichelmann), en espiral o en
doble serpentín.
Instalación del circuito de
calefacción del sistema en
forma de doble meandro
Posibles variantes de
instalación
29
Los fluidos caloportadores se elegirán siempre de manera que, en
caso de fuga, se evite o se minimice
la contaminación del agua subterránea y del suelo. Se elegirán sustancias orgánicas no tóxicas o biodegradables conforme a la norma VDI
4640.
Asegúrese de que sea posible el
llenado y la descarga del sistema.
Para evitar el llenado excesivo, el sistema de bomba de calor debe estar
Si es posible, los captadores horizontales deben instalarse a una profundidad mínima de 1,2 m hasta una
profundidad máxima de 1,5 m para
Importante
¡El agente anticongelante y
el agua deben mezclarse en
un recipiente con capacidad
suficiente antes de introducir la mezcla en el captador!
Relleno principal.
Incl. diseño de la vía
Tubo de
suministro
Cinta de señalización de la zanja
30 – 40 cm por encima de la tubería
120 - 150 cm
Cuando se instale un captador de
geotermia bajo la losa de cimentación
de un edificio, la función del captador o del suelo que lo rodea se considerará de almacenamiento de
energía. Se evitará sellar las superfi-
Según la norma DIN 4140-2, todas
las tuberías generales de alimentación
y retorno interiores al edificio, se
deben aislar (aislamiento resistente a
la difusión de vapor de agua) para
evitar la condensación de agua. También es absolutamente recomendable
aislar las líneas generales de alimentación y retorno de cualquier captador
geotérmico.
garantizar la regeneración óptima del
suelo sin el riesgo de caer por debajo
del punto de congelación natural.
Además, el sistema de bomba de
calor se llena de brine, que suele ser
una mezcla de agua y glicol (medio
de transferencia del calor), para evitar la congelación del captador y del
evaporador.
min. 70 cm
Seguiridad operativa
Los circuitos de tuberías del captador horizontal se instalarán con una
pendiente mínima hasta el colector
para permitir el purgado de aire y
evacuación de posibles bolsas de
aire desde el captador horizontal
hasta el colector. Todos los elementos y racores de conexión instalados
fuera del edificio deben estar
debidamente protegidos. Además,
cada circuito del captador debe
estar equipado con válvulas de corte para poder cerrarlo en caso necesario. Las tuberías de los circuitos
del captador geotérmico se conectarán al colector de forma que no
se produzca fugas ni las conexiones
queden tensionadas.
cies del captador. El funcionamiento
a largo plazo sólo está garantizado
con el mismo nivel de aportación de
calor y de extracción de calor (función de calefacción y refrigeración)
a lo largo de todo el año. Con esta
configuración, la regeneración del
terreno por entrada de energía
superficial está excluida. Las conexiones
de tuberías montadas en la parte
construida no están accesibles para
ningún tipo de mantenimiento, por
lo que deben usar el sistema de
unión, Uponor Quick & Easy, libre
de juntas tóricas y que ofrece
garantía total a largo plazo.
Lecho:
PE-Xa no requiere lecho de arena
PE100 aprox. 30 cm de arena
Según la norma VDI 4640 los circuitos de tuberías no deben superar
una longitud máxima de 100 m y las
conexiones horizontales de suministro y de retorno no deben superar
una longitud de 30 m hasta la bomba de calor para no generar excesivas pérdidas de carga. Si no es posible instalar circuitos de la misma
longitud, se deberá utilizar una
compensación hidráulica mediante
válvulas de equilibrado con el fin de
mantener la misma pérdida de carga
en cada circuito del captador.
50 – 80 cm de distancia de la tubería
(1.2 – 1.5 m con un diámetro de 40 mm)
Lecho del captador horizontal según la norma VDI 4640
30
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
equipado con una válvula de seguridad. El brine debe mezclarse antes
de introducirse en el circuito del terreno para conseguir la combinación
adecuada y evitar así la congelación
a ciertos niveles. El porcentaje de
glicol suele ser del 25 – 30%. Por
ello, las pérdidas de presión de las
tuberías del captador son 1,5 -1,7
veces mayores que si estuviesen llenas de agua sin mezclar. Esto se
debe tener en cuenta a la hora de
calcular las dimensiones de la bomba
circuladora. La prueba de presión
debe efectuarse de acuerdo con la
norma DIN 4279-1 (o norma local
equivalente).
Dependiendo del tipo de tubería
utilizada, los circuitos de tuberías se
instalarán sobre un lecho de arena.
Sólo si se utilizan tuberías Uponor
PE-Xa será innecesaria la introducción
en arena debido a su resistencia al
fenómeno de propagación de grietas, tanto en crecimiento lento y
como en crecimiento rápido.
La distancia de instalación de los
captadores horizontales se elegirá
de tal manera que se evite la unión
entre sí de los radios de hielo que se
pudieran forman alrededor de las
tuberías del captador. Estas distancias suelen ser de 0,5 m a 0,8 m
(1,2 – 1,5 m para un diámetro de 40
mm).
La distancia de instalación entre los
captadores horizontales y otras
tuberías de suministros (gas, agua,
calefacción, electricidad, etc.), edificios, espacio de circulación, fincas
adyacentes y piscinas deberá ser
como mínimo de 0,7 m. La fijación
de los circuitos de tuberías (altura
en el suelo y separación) se puede
efectuar por medio de ganchos o
instalando las tuberías sobre una
malla de refuerzo.
Volumen de agua según las dimensiones de la tubería en los
captadores horizontales
Dimensiones de la tubería Diámetro interior
PE-Xa [mm]
[mm]
Volumen de agua
[l/m]
25 x 2.3
32 x 2.9
40 x 3.7
0.327
0.539
0.835
20.4
26.2
32.6
Normativa legal
Para los captadores horizontales puede ser necesaria una aprobación específica conforme a las normativas locales. Además de
las regulaciones locales, se recomienda seguir como referencia la
norma VDI 4640 específica de geotermia.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
31
Cestas de energía
Sistema / ámbito de aplicación
Ventajas
Eficaz desde el punto de vista
económico y energético para
la geotermia
Solución ideal para viviendas
unifamiliares y terciario de
pequeñas dimensiones
Menor necesidad de terreno
que para el captador horizontal con un buen aprovechamiento del volumen del suelo
Extracción de calor constante
y frío pasivo
Poca profundidad de instalación sin efectos en el nivel de
agua
Ilustración esquemática de un sistema de cestas de enrgía
La cesta de energía es un tipo de
diseño especial de captadores horizontales. Las cestas de energía se
utilizan cuando no es posible la
perforación profunda ni la cimentación termoactiva bien por motivos
hidrológicos, o cuando el espacio
disponible es demasiado pequeño.
La cesta de energía es una alternativa muy efectiva desde el punto de
vista económico y energético en el
ámbito de la geotermia.
La Cesta de Energía Uponor es la
solución ideal para viviendas unifamiliares y terciario de pequeñas
dimensiones.
Descripción de la aplicación
Durante el funcionamiento, el brine
(mezcla de agua y glicol) circula
por la cesta de energía extrayendo
calor o frío del suelo. Con ayuda de
una bomba de calor se eleva la temperatura hasta alcanzar un nivel de
funcionamiento utilizable.
En los meses cálidos de verano, la
temperatura fresca del suelo se
puede utilizar para la refrigeración
pasiva, conocida también como
geocooling. Durante este proceso
normalmente sólo está en marcha la
bomba de circulación de brine de la
bomba de calor. De este modo, el
consumo energético durante la fase
de refrigeración se limita al mínimo,
por lo que es claramente más rentable que las variantes de refrigeración
convencionales.
La condición para ello, no obstante,
Nota:
La combinación del sistema de cestas de geotermia con la
estación de refrigeración Uponor EPG6 es una solución ideal
para refrigeración pasiva o geocooling.
32
es un sistema radiante de calefacción y refrigeración. La alternancia
en la solicitación al terreno funcionando en modo calefacción y modo
refrigeración crea un equilibrio
energético en la subsuperficie,
garantizando así una fuente de
energía de larga duración.
La Cesta de Energía Uponor está
diseñada para su uso a una profundidad de 1-4 metros. La cesta de
energía se instala cerca de la superficie, a una profundidad en la que
todavía se producen fluctuaciones
de temperatura estacionales. Así
pues, la temperatura del suelo se ve
afectada por las condiciones meteorológicas. Las fluctuaciones estacionales
se producen hasta profundidades
que rondan los 15 metros (existen
diferencias regionales); y las fluctuaciones diarias, hasta una profundidad aproximada de 1 m.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
A la profundidad de instalación del
sistema de cestas de energía, es en
noviembre cuando se alcanza la
temperatura máxima del suelo y en
mayo la mínima, a diferencia de lo
que ocurre con las temperaturas
exteriores. Esto se debe a que, por
una parte, el suelo es un mal conductor del calor y, por otra parte,
tiene una gran capacidad de almacenamiento del calor.
Así, la energía solar (radiación solar)
que penetra en los primeros metros
de la superficie terrestre a principios
del verano se almacena durante varios
meses. La temperatura del suelo
desciende a un ritmo más lento que
la temperatura del aire. Al principio
del periodo de uso de la calefacción
se producen las temperaturas máximas en el suelo, mientras que las
mínimas se alcanzan al principio del
Temperatura (superficie terrestre) [ºC]
5
10
15
20
25
0
Profundidad en el suelo [m]
Cesta de Energía Uponor
Profundidad de
instalación: 1 a 4 m
5
10
15
20
5
10
15
20
25
Temperatura (profundidad) [ºC]
periodo de refrigeración.
En las profundidades de instalación
de la Cesta de Energía Uponor se
mantiene durante todo el año una
temperatura relativamente constante
de unos 7 a 13 °C. La forma cónica
de la Cesta de Energía Uponor permite aprovechar un gran volumen
de suelo a pesar de su superficie
relativamente pequeña.
De este modo, el gran volumen de
terreno y la extracción de calor
estable evitan la congelación inoportuna del entorno directo. En
casos de carga extrema, tan sólo es
posible que se forme hielo en el
lado de la cesta de energía. No
obstante, esta formación de hielo
desaparecerá al reducirse la carga.
Dado que las temperaturas de
extracción son razonablemente
constantes, esta es una fuente de
energía ideal para alimentar la
bomba de calor. Se incrementa así
considerablemente la eficiencia de
la bomba de calor. El uso recomendado está dentro de un intervalo
de capacidad de hasta 30 kW.
La temperatura del suelo aumenta una media de 1 ºC por cada 33 m aproximádamente.
.
1. Febrero
1. Mayo
1. Noviembre
Distancia diseñada y prefijada de las espiras de tuberías en la Cesta de
Energía Uponor
1. Agosto
Instalación de la Cesta de Energía Uponor
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
33
Límites de aplicación
Gracias a la forma cónica de gran
volumen de la Cesta de Energía
Uponor se crea una mayor superficie para la absorción de la geotermia y se maximiza el volumen de
fluido caloportador, brine. De esta
forma se puede extraer la energía
térmica del suelo de manera más
constante.
Se evita la llamada solidificación por
congelación, ya que la extracción de
calor tiene lugar por debajo de la
línea de helada, a una profundidad
de 1 a 5 m. Por ello, la superficie
situada sobre la Cesta de Energía
Uponor instalada se puede usar
como jardín sin ningún problema.
Debe evitarse la construcción encima y la impermeabilización de la
zona.
La regeneración natural del suelo se
produce por la radiación solar regular y el humedecimiento del suelo
por la lluvia y la nieve derretida. La
poca profundidad de instalación
evita la alteración del equilibrio
hídrico. El tamaño compacto de la
Cesta de Energía Uponor requiere
hasta un 60% menos de superficie
de parcela en comparación con el
captador horizontal.
Hipotéticos casos extremos como el
levantamiento irregular del suelo
por la formación de grandes círculos
de hielo si el dimensionado del sistema es insuficiente, o la formación
de una capa continua de hielo por
debajo de la superficie que impediría la filtración del agua de lluvia, no
suelen producirse con las cestas de
energía.
Propiedades físicas de los tipos de suelo caraterísticos
Contenido de agua
Conductividad térmica
Capacidad térmica específica
Densidad
Unidad
Arena
Franco
Limo
Arcilla arenosa
% Vol.
W/mK
J/kg K
kg/m³
9.3
1.22
805
1,512
28.2
1.54
1,229
1,816
38.1
1.49
1,345
1,821
36.4
1.76
1,324
1,820
Fuente: VDI 4640
En la tabla anterior se distingue
entre arena, franco, limo y arcilla
arenosa, lo que refleja la amplia
gama de suelos existentes en la
naturaleza.
La arena en este contexto es un
suelo suelto formado por granos
separados (> 50 mm). En este tipo
de suelo el efecto capilar es
extremadamente bajo y la permeabilidad del agua subterránea es
alta. Así pues, el agua de lluvia se
filtra rápidamente a las capas más
profundas, lo que da lugar por
encima del nivel freático a un bajo
contenido volumétrico de agua
inferior al 10%.
34
El suelo franco consiste básicamente en una mezcla de arena y
limo, mientras que el limo es un
suelo de grano medio-fino (entre 2
mm y 50 mm). Estos suelos cohesivos presentan un contenido
volumétrico de agua del 20 al 40%,
por lo que resultan más adecuados
que la arena para captadores horizontales.
En arcilla arenosa, consistente en
su mayor parte en granos muy finos
(< 2 mm), el efecto capilar es aún
mayor, produciendo un contenido
volumétrico de agua superior al
30%.
Las propiedades físicas exactas
varían de un lugar otro, lo que se
debe, entre otras cosas, al distinto nivel de precipitaciones. La
tabla muestra los valores medios
de las propiedades físicas de los
diferentes tipos de suelo.
En Europa las diferencias climáticas
son tan grandes que no tiene sentido instalar captadores horizontales
siguiendo unas mismas normas. En
climas templados es posible una
mayor capacidad de extracción
específica por unidad de superficie
sin producir alteraciones en el sistema ni en el entorno.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Las ventajas de la Cesta de Energía
Uponor son:
incluso en zonas de protección
de aguas
Sin efectos en el agua subterránea
Sin riesgo de solidificación por
congelación, sin efectos en el uso
como jardín, sin efectos en la acción capilar del suelo
Regeneración rápida del suelo
por la acción del sol, la lluvia y la
nieve derretida
Refrigeración pasiva
No requiere permisos especiales
ni trabajos de perforación
Procedimiento sencillo de
aprobación de obra (obligación
de notificación, dependiendo del
país)
Debido a la poca profundidad
de instalación, es posible su uso
Requiere poco espacio, 50-60%
menos que los captadores horizontales
Instalación posible en terrenos
de difícil acceso en los que no se
pueden utilizar equipos pesados
de perforación
Instalación rápida
Sistema libre de mantenimiento
Dimensionado de las cestas de energía
A la hora de determinar las dimensiones de un sistema de cesta de
energía se deben tener en cuenta
los siguientes aspectos:
La base para el dimensionado
adecuado del sistema de cesta de
energía es el cálculo correcto de la
carga de calefacción y el análisis
concreto del tipo de suelo y la
humedad del suelo.
Selección del sistema emisor
Para un sistema de cesta de energía,
al igual que para cualquier otro sistema de geotermia, es fundamental
la selección del sistema emisor y las
temperaturas de trabajo del mismo.
Para garantizar la máxima eficiencia
posible de todo el sistema, se debe
elegir una temperatura lo más baja
posible, por esto motivo la mejor
opción es optar por un sistema de
emisión radiante.
Por norma general se aplica lo
siguiente:
Un aumento de la temperatura del
caudal del emisor en 1 grado Kelvin
supone cerca de un 2,5% más de
energía requerida. Temperatura del
caudal del emisor recomendada
para los sistemas de calefacción
radiantes: máximo 35°C.
A partir de la experiencia se han
establecido los siguientes valores de
referencia para el dimensionado de
los sistemas de captación geotérmica
con Cestas de Energía Uponor. Estos
valores sirven para evaluar las condiciones del suelo. Son adecuadas para
la instalación de una Cesta de
Energía Uponor las clases de suelos
1-4 (DIN 18300). A partir de la clase
de suelos 5 debe consultarse con el
fabricante.
Valor de referencia para el dimensionado de un sistema de captación geotérmica con Cestas de Energía
Uponor
Suelo seco sin cohesión
Suelo húmedo cohesivo
Arena / grava saturada de agua
500
600
700
800
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Potencia específica de captación (caso de calefacción) por cada Cesta de Energía
Uponor con 1800 h/a [W/cesta]
Valor de referencia para el dimensionado de un sistema de captación geotérmica con Cestas de Energía
Uponor XL
Suelo seco sin cohesión
Suelo húmedo cohesivo
Arena / grava saturada de agua
500
600
700
800
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
Potencia específica de extracción (caso de calefacción) por cada Cesta de Energía
Uponor XL con 1800 h/a [W/cesta]
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
35
En caso de que no sea posible
clasificar claramente el terreno del
emplazamiento de instalación,
éste deberá ser analizado por un
geólogo.
Con modos de funcionamiento
> 1.800 h, el número de Cestas de
Energía Uponor deberá adaptarse a
las condiciones del suelo.
La bomba de calor necesaria debe
ser elegida por el fabricante o por el
proyectista del sistema de climatización geotérmica. Se seleccionará
el modelo de bomba de calor en
función de la carga de calefacción,
las temperaturas del sistema, la aplicación y el tiempo de funcionamiento.
Esto dará lugar a la potencia de
refrigeración y calefacción.
El siguiente ejemplo muestra cómo
calcular el número necesario de
Cestas de Energía Uponor:
Vivienda unifamiliar
Potencia de calefacción calculada *
Capacidad refrigerante
Propiedades del suelo Capacidad máxima de
extracción de una Cesta de Energía Uponor
N.º requerido de cestas de energía
Volumen de brine
Tamaño del colector de geotermia
6 kW
4 kW (según el fabricante de la bomba de calor)
Suelo húmedo cohesivo
1.2 kW
4
336 l
2 salidas
* incluida agua caliente y tiempo de bloqueo de la empresa suministradora; periodo de
funcionamiento de 1.800 h
El cálculo de la pérdida de presión se refiere al ejemplo anterior. Aquí se utilizan sólo los datos para monoetilenglicol
Densidad kg/m³
cp kJ/(kg • m)
Viscosidad Pa • s
Caudal másico kg/s
N.º máximo de cestas en fila
Velocidad del fluido m/s
Longitud de tubería PE-Xa 32 x 2,9 mm por cesta incl. tubo de conexión en m
Longitud de tubería PE-Xa 32 x 2,9 mm por
conexión en serie de 2 cestas en m
Pérdida de presión de la conexión en serie de
cestas de energía incl. tubo de conexión integrado
Pérdida de presión del colector de geotermia
Uponor, 2 salidas
Pérdida de presión total incluido el colector
36
Monoetilenglicol 29%
1,051
3,72
0,00313
0,36
2
0,32
150
300
280 mbar
30 mbar
310 mbar
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Montaje e instalación
Es necesario estudiar la presencia de
árboles y tuberías o cables (agua,
teléfono, aguas residuales, etc.) en el
plan de la obra. De esta manera se
pueden evitar problemas de antemano y situar la posición exacta de las
Cestas de Energía.
Cesta de Energía, la Cesta puede
entrar en contacto con material de
relleno de bordesy filos cortantres. Si
se utilizasen materiales convencionales,
como PE 100, las tuberías resultarían
dañadas. El suelo se tendría que
cambiar por un relleno blando una
mezcla de humus y arena. Este relleno adicional no es necesario con el
uso de una tubería Uponor PE-Xa.
El lugar elegido para la ubicación de
las Cestas, tiene que estar libre de
edificaciones y estructuras como:
garajes, cubiertas para aparcamiento,
bodegas, piscinas o viales. De lo
contrario ya no será posible la
regeneración natural.
Se deben mantener las siguientes
distancias: La distancia mínima hasta
los cimientos, fincas adyacentes,
zonas de tráfico, piscina y tuberías
de agua y aguas residuales debe ser
de 1,5 a 2 metros. Las distancias y
espacios recomendados entre la Cesta de Energía y otros elementos figuran en la tabla de datos técnicos.
La Cesta de Energía Uponor consta
de un captador geotérmico diseñado
en tubería PE-Xa de 150 m de longitud lineal y DN 32 x 2,9 mm. Mientras que la Cesta de Energía Uponor
XL consta de un captador geotérmico con 200 m de longitud lineal de
tubo PE-Xa de última generación. La
tubería va fijada a una estructura de
cuatro barras ligeras diseñadas en
espuma de poliuretano. La forma
cónica del captador Cesta de Energía
aumenta la superficie de captación
geotérmica y el volumen para el fluido caloportador, aumentando el
transporte de la energía. La tubería
PE-Xa hace que la Cesta de Energía
Uponor sea resistente al fenómeno
de crecimiento lento y rápido de grietas. Sobre todo en el momento de
rellenar el foso de excavación de la
Uponor Energy Cage
PE-Xa
Datos técnicos
Cesta de Energía
Cesta de Energía XL
Metros lineales de tubería
Diámetro superior (a)
Diámetro inferior (b)
Altura (c)
Distancia de las tuberías
Volumen de la cesta
Distancia de centro a centro de cesta (d)
Superficie necesaria en caso de instalación en fila / cesta
Superficie necesaria en caso de disposición en paralelo / cesta
Circuitos
150 m
2,4 m
1,4 m
2,0 m
114 mm
6,1 m³
6,0 m
15 – 20 m²
200 m
2,4 m
1,4 m
2,7 m
114 mm
8,1 m³
7,0 m
20 – 25 m²
35 – 40 m²
35 – 40 m²
máximo 2 en serie
Volumen de brine
Potencia de captación (garantizada con
1.800 horas de carga completa al año)
Prefijación del captador geotérmico
Tubo de conexión horizontal integrado
para suministro y retorno
84 l
1,1 – 1,5 kW
directamente de forma
individual en el múltiple
108 l
1,6 – 2,0 kW
Estructura de barras de espuma de PU con cinta de fijación
20 m
25 m
d
c
b
a
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37
La Cesta de Energía Uponor debe
conectarse siguiendo el principio de
Tichelmann, según el cual, con
tuberías de igual longitud e igual
sección transversal, se obtendrá un
caudal y unas condiciones de flujo
idénticos. Hemos de asegurarnos de
que la longitud de las tuberías no
difiera más de un 10%.
Los tubos de conexión de flujo y
flujo de retorno de 20 o 25 m se
encuentran ya integrados en la Cesta de Energía Uponor. Si, en casos
excepcionales, esto no fuera suficiente, el tubo se puede prolongar
mediante el uso de la tecnología de
conexión Uponor Quick & Easy.
Debemos asegurarnos también de
que los tubos de conexión tengan la
misma longitud para evitar que se
produzcan diferencias de presión y
caudal. En caso de que esto no
pueda evitarse, se puede efectuar
un ajuste mediante el uso de caudalímetros en el colector de geotermia Uponor.
Instalación de una Cesta de Energía
Las Cestas de Energía Uponor se
instalan a una profundidad de 1,4
metros. El tiempo de instalación
aproximado es de 1 hora por kW de
capacidad de calefacción, es decir,
para una vivienda unifamiliar con
unos 6 kW, se calculará un día de
trabajo.
Las Cestas de Energía Uponor se
entregan puestas sobre camión
directamente en obra. Debido a su
bajo peso, se pueden llevar
rodando hasta el lugar de instalación una vez descargadas o bien
38
se pueden colocar con ayuda de
una excavadora. Para la excavación
del suelo, la excavadora debe tener
un peso mínimo de 5-7,5 toneladas,
dependiendo de la amplitud del
proyecto. Si existe espacio suficiente, son preferibles excavadoras
de mayor tamaño, idealmente una
excavadora con una pala para tierra
de dos metros.
El foso de excavación de la cesta de
energía se puede rellenar con el
propio material excavado anterior-
mente. Debemos asegurarnos de ir
regando y compactando el material
de relleno durante el proceso de
instalación, es decir, al rellenar el
foso de excavación de la cesta de
energía. Para evitar el asentamiento
se pueden usar equipos de compactación después del rellenado. De lo
contrario podrían producirse pequeños hundimientos durante los dos
primeros años y además evitamos la
presencia de aire que perjudica la
transmisión de energía al captador
geotérmico.
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La Cesta de Energía Uponor debe
instalarse siguiendo estos pasos:
1. Trabajo de excavación
2. Introducción de la Cesta de
Energía Uponor y rellenado del foso
de excavación
3. Conexión al colector
4. Prueba de presión
5. Llenado del sistema con brine
6. Validación y documentación del
sistema de cesta de energía.
dad de excavación depende de la
línea de helada regional. En la mayoría de las regiones esta se sitúa a 0,7
– 1,2 m por debajo de la superficie
de la tierra. Podemos establecer, por
tanto, una profundidad de excavación de 3,2 – 3,7 m. A continuación
se cava una zanja de conexión de 1,2
m de profundidad desde el primer
hueco de excavación hasta el colector.
sujección. Así, se separa el tramo de
tubo de conexión horizontal, y se
facilita después el tendido de la
tubería en la zanja de conexión.
Este proceso está ilustrado también
en las siguientes imágenes.
Una vez concluido el trabajo de
excavación, la cesta de energía se
introduce en el foso de excavación
con ayuda de una máquina adecuada
(excavadora) y se rellena con el suelo
excavado anteriormente. Es importante regar con suficiente agua y que
el relleno quede lo más compacto
posible. Las otras cestas de energía
se instalan del mismo modo.
Mediante el uso de una excavadora
adecuada se procede a realizar una
excavación cuadrada de unos 2,5 x
2,5 m para la primera Cesta de
Energía Uponor y Cesta de Energía
XL que se va a instalar. La profundi-
Antes de introducir la cesta de
energía en el foso excavado debemos realizar unas acciones preparatorias. El tubo de conexión integrado
en la cesta de energía se debe sacar
del interior para fijarlo a las espirales
de tubería por medio de bridas de
Separación de los tubos de conexión
Colocación de los tubos de conexión
Fijación del tubo de retorno
Fijación del tubo de suministro
Excavación del foso de instalación
Introducción de la cesta de energía
Regado del material de relleno
Relleno de la Cesta de Energía Uponor PE-Xa
Cesta de energía instalada y compactada
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39
Debemos asegurarnos de mantener
las distancias mínimas previstas de
las cestas de energía entre sí. A
continuación se excavan zanjas de
conexión entre cada dos cestas de
energía del campo de cestas, alineadas con el borde superior de la cesta. Después se conectan en serie
dos cestas de energía y cada serie
de cestas se conecta al colector. Las
Cestas de Energía Uponor XL deben
conectarse individualmente al
colector.
Luego, según la variante de instalación, bien las series de dos cestas
o bien la Cesta de Energía XL, se
conectan al colector de geotermia
Uponor por medio de los adaptadores y racores a compresión, estos
últimos incluidos en el propio colector.
Dependiendo del caudal del sistema
de cestas de energía, los tubos de
conexión pueden tener diferentes
dimensiones. Esto debe calcularse
de antemano para minimizar las
pérdidas de carga del sistema. A la
entrada y a la salida de la sala de
máquinas del edificio es conveniente usar sistemas pasamuros válidos para circulación de fluidos a
presión.
La prueba de presión según la norma DIN 4279-1 (o norma local
equivalente) debe efectuarse para
cada serie de captadores o captador
geotérmico cesta individual y para
los tramos de conexión horizontal.
40
El sistema de cestas de energía se
debe rellenar con una solución anticongelante según la norma VDI
4640 para una temperatura mínimo
de -15 °C. Si se utilizan las soluciones anticongelantes de Uponor,
esto corresponde a una proporción
de mezcla de 3:1. La cantidad de
brine necesaria para la cesta de
energía figura en los datos técnicos.
¡La solución anticongelante y el
agua deben mezclarse en un recipiente
con suficiente capacidad antes de
introducir la mezcla en la Cesta de
Energía Uponor!
Una vez terminado el campo de
captación geotérmica de Cestas de
Energía Uponor, se recomienda
señalar la posición efectiva de la cesta en el plano o mapa del terreno y
marcar los números de ramales de
tubería. Esta documentación es de
utilidad para conectar correctamente
cada ramal al colector y como plano
“as-built” para la legalización del
proyecto. El instalador del sistema es
el responsable de cumplir todas las
normas y reglamentos aplicables. Se
debe seguir un procedimiento de
validación del sistema por parte de la
dirección facultativa de la obra.
Ejemplo de proporción correcta de
la mezcla:
Volumen de Brine
Cesta de
Energía
Uponor
Volumen total
de brine
84 l
Cesta de
Energía
Uponor
XL
108 l
Proporción de
la mezcla
3:1
3:1
> Solución
anticongelante
21 l
27 l
> Agua
64 l
81 l
Importante
¡La solución anticongelante y
el agua deben mezclarse en
un recipiente con suficiente
capacidad antes de introducir
la mezcla en la Cesta de
Energía Uponor!
Volumen de agua según las dimensiones de la tubería
Dimensiones de la
tubería PE-Xa [mm]
Diámetro interior
[mm]
Volumen de agua
[l/m]
32 x 2,9
26,2
0,539
Normativa legal
Para todos los sistemas de cestas de energía puede ser necesaria
una aprobación específica conforme a las normativas locales.
Además de las regulaciones locales, se recomienda seguir como
referencia la norma VDI 4640 específicas de geotermia.
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Pilotes de energía
Sistema / ámbito de aplicación
Descripción de la aplicación
Un pilote de energía debe cumplir
dos funciones:
La función estructural, transferir las
cargas mecánicas de la estructura al
terreno; y la función energética, el
uso captador geotérmico. El uso de
un pilote de cimentación como
pilote de energía no debe afectar a
su función estructural.
Límites de aplicación
El proyectista debe evitar en cualquier
caso la reducción de la capacidad de
carga del pilote. Es decir, que la función energética no afecte a la función
estructural. Fundamentalmente, se
deben establecer limitaciones de temperaturas y evitar la pérdida de sección
transversal debida a las tuberías del
intercambiador geotérmico. Aunque el
volumen que ocupan los captadores
geotérmicos en las estructuras suele
ser despreciable en comparación con
todo el volumen de vertido de hormigón en la estructura.
La energía suministrada por un sistema
de cimentación termo-activa como los
Ilustración esquemática de un sistema de pilotes de energía
Ventajas
pilotes o los muros pantalla se utiliza
para cubrir la demanda base de climatización de un edificio, y en algunos
casos también las demandas pico.
Temperatura (superficie terrestre) [ºC]
5
10
15
20
25
Profundidad en el suelo [m]
0
5
10
Uponor ener
Installation depth: ca. 10 - 30 m
15
20
5
10
15
20
25
Temperatura (profundidad) [ºC]
La temperatura del suelo aumenta una media de 1 ºC por cada 33 m aproximádamente
1. Febrero
1. Mayo
1. Noviembre
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1. Agosto
Coste de inversión adicional
muy bajo en caso de cimientos de pilotes planificados
Cubre la demanda base de
energía
Se puede utilizar con todas
las cimentaciones profundas
Solución ideal para aplicaciones residenciales y no
residenciales
En el caso de viviendas unifamiliares
con cimentaciones profundas
pueden llegar a abastecerse de forma monovalente con pilotes de
energía si contamos con un adecuado aislamiento.
La estática del edificio determina la
distribución y el número de pilotes
de cimentación. La distribución de
los pilotes de cimentación según
criterios exclusivamente energéticos (no estructurales) no suele
resultar económicamente rentable
frente a geotermia vertical (excep41
ción: p. ej. pilotes hincados prefabricados de bajo coste, usados también
parcialmente como “pilotes perdidos”).
Un sistema de pilotes de energía debe
utilizarse como almacenamiento alterno, cambiando sistemáticamente el
uso de calefacción y refrigeración. Se
consigue así una capacidad de extracción específica óptima para la generación
42
tanto de calefacción como de
refrigeración. El equilibrio de temperaturas de un sistema de pilotes de
energía se puede diseñar de una
manera equilibrada para que se mantenga estable en el tiempo. Con un
equilibrio térmico prácticamente constante
a lo largo de los años se minimiza la
interferencia térmica mutua de los
pilotes de energía adyacentes.
Según la experiencia con sistemas de
pilotes de energía de tamaño medio y
grande, el diseño y funcionamiento para
cubrir la carga base el más rentable.
Para ello se debe planificar y establecer
una relación óptima de carga y trabajo
durante el dimensionado. El funcionamiento en calefacción y refrigeración
realizado es lo que determina principalmente la eficiencia del sistema de
pilotes de energía.
Instalación de armaduras de refuerzo
Procedimiento de hormigonado de los pilotes in-situ
Tubo de llenado para el homigonado
Supervisión del montaje del pilote
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Pilotes de cimentación
En cuanto a los pilotes de cimentación,
cabe distinguir entre el tipo de producción y por el tipo instalación.
Tipo de producción
Pilotes prefabricados
El pilote está prefabricado totalmente o en partes antes de su
instalación en el terreno
Pilotes de hormigón macizos
Pilotes de hormigón centrifugados
Tubos de acero
Pilotes de hormigón in-situ
El pilote se fabrica en obra, en el
terreno rellenando de hormigón el
hueco cilíndrico.
Tipo de instalación
Pilotes de hincado y prensado
El pilote es enclavado en el suelo o
prensado en el suelo bajo presión
estática.
Pilotes de perforación
El pilote se instala en un pozo perforado. Los pozos se pueden realizar
mediante distintos métodos de perforación.
Trabajo de perforación para pilote
Métodos de perforación
Método de Kelly
El método de Kelly permite
formar pilotes de perforación: no
entubados, parcialmente entubados, totalmente entubados
o con lodos. La herramienta de
perforación se sujeta a una barra
de Kelly telescópica. Si se utiliza
la entubación completa, los tubos de perforación se introducen
en el suelo hasta alcanzar la profundidad necesaria, continuando
la perforación hasta alcanzar la
profundidad final.
Método de Kelly con ampliación de la base de los
pilotes
La ampliación de la base de los
pilotes se basa en el principio de
una ampliación circular simétrica
del diámetro inferior del pozo.
Al ampliar la superficie de apoyo
del pilote en el suelo que lo
sustenta, aumenta la capacidad
de carga exterior del pilote.
La medida de la ampliación se
determina teniendo en cuenta
el suelo existente y los criterios
geométricos de limitación según
los requisitos estructurales. Otra
posibilidad para aumentar la ca-
pacidad de carga es la inyección
de cemento. Con este método
aumenta la fricción superficial del
pilote de perforación rellenándolo
con cemento en suspensión.
Médodo SOB
Este método de perforación
para pilotes es un procedimiento
de barrenado que permite una
perforación de gran metraje en
suelo firme. En este método
se utiliza como herramienta de
perforación una barrena continua. Una vez que ha alcanzado
la profundidad final del pozo,
el tubo hueco interior de la
barrena se rellena de hormigón
de abajo arriba.
Método DKS
El sistema de doble cabezal
rotativo es una combinación del
método SOB con barrena continua y el método de Kelly con
entubación. El resultado es un
orificio entubado realizado con
una barrena continua.
Método VDW
El sistema “contra la pared”
nació de la necesidad de erigir
nuevos edificios justo delante
de edificios ya existentes en las
ciudades. El principio de producción coincide con el del método
DKS, pero se utilizan diámetros
menores.
Hormigonado de pilote de perforación
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43
Tipos de pilotes de cimentación
Pilotes huecos-centrifugados
instalados por perforación
Se trata de pilotes de forma redonda
hechos de hormigón que se introducen en el terreno mediante distintos procedimientos de perforación.
Estos pilotes trasladan las cargas
estructurales a suelos sólidos más
profundos; unidos entre sí forman
un muro de contención para fosos
de excavación o bancales, eliminan
obstáculos en el suelo o bloquean el
agua subterránea por debajo de la
superficie. En función de su uso,
puede variar la longitud, diámetro,
material, diseño y distribución de los
pilotes.
Un tipo especial de pilotes de perforación son los micropilotes. Se trata
de elementos de cimentación con
un diámetro de hasta 300 mm, por
medio de los cuales se transfieren
las cargas a capas de terreno sólido
más profundas a través de la fricción
superficial. La particularidad de los
micropilotes es que, con un pequeño diámetro, se puede conseguir
una alta capacidad de carga mediante
tecnologías de inyección de cemento
a presión dirigida.
La variedad de maquinaria de perforación existente hace posible procedimientos muy productivos para
la formación de pilotes de perforación de pequeño diámetro incluso
en espacios reducidos.
Los edificios deteriorados por un
asentamiento desigual se pueden
estabilizar o elevar mediante micropilotes pretensados. Adaptados a las
distintas condiciones del suelo, los
44
micropilotes se pueden montar con
distintos métodos de perforación.
Los pilotes de perforación están
provistos de una armadura que
absorbe las cargas de tracción, la
presión o las cargas alternas.
La transferencia de la carga al suelo
circundante se consigue rellenando
el pozo con mortero de cemento. Se
puede añadir un relleno posterior
para aumentar la fricción superficial
/ transferencia de carga.
Pilotes huecos-centrifugados
instalados por hincado
Este tipo de pilotes instalados por
hincado son una alternativa a los
sistemas de cimentación convencionales muy razonable desde el
punto de vista económico y técnico.
El pilote de hincado dúctil es un sistema de cimentación rápido, flexible
y sencillo por el cual se clavan en el
tubos-carcasa de fundición dúctil
(dependiendo de la longitud requerida se pueden unir varios segmentos
mediante manguitos) para transferir
las cargas al terreno. En función de
las propiedades del terreno, el pilote
se construye como pilote de columna o como pilote con inyección de
cemento a presión. Dependiendo de
la carga transferida, existen distintos
diámetros de tubo con su respectivo
grosor de pared para la construcción
de los pilotes. El uso de excavadoras
hidráulicas ligeras y ágiles permite
realizar trabajos de construcción en
espacios reducidos. Los pilotes se
instalan en obra por medio de un
martillo hidráulico de doble efecto.
Pilotes de hormigón macizos de
prensado
Los pilotes de hormigón macizos de
prensado están formados por secciones
que se instalan a presión en el terreno por medio de un sistema hidráulico. Una construcción existente o
un sistema de lastre proporcionan la
reacción necesaria para ello. El pilote
está formado por secciones de hormigón armado colocadas una encima de otra. El suelo se puede excavar desde el pilote a través de su
núcleo hueco, de manera que el
pilote alcance la profundidad requerida sin necesidad de una gran reacción. Cuando el pilote se encuentra
a la profundidad correcta, se crea
una base ampliada utilizando una
mezcla de mortero seco compactada
en contenedores metálicos. El
núcleo del pilote se llena de hormigón.
Al utilizarse máquinas ligeras desmontables, este sistema resulta muy
adecuado para el trabajo en condiciones difíciles y en espacios muy
reducidos. El pilote de hormigón
macizo de prensado se utiliza sobre
todo para trabajos de recalce. La
reacción necesaria en este caso la
suele proporcionar el propio edificio
por medio de una nueva solera de
hormigón vaciada in situ. Se instalan
y hormigonan unos anclajes en esta
solera, y se dejan abiertos los orificios
a través de los cuales se prensan los
pilotes. Mediante el uso de esta técnica es posible fijar los pilotes al
suelo con una precarga. La altura de
trabajo mínima es de 0,8 m. De esta
manera es posible introducir un
pilote de hormigón armado hincado
a presión bajo unos cimientos preexistentes. Estos cimientos se usan en
este caso como contrapeso para hincar el pilote.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Pilotes de hormigón prefabricados
Los pilotes de hormigón prefabricados se producen con una sección circular o una sección cuadrada sin
hueco. Estos pilotes transfieren
grandes cargas estructurales a un
terreno sólido más profundo a través
de la fricción superficial y transmisión de carga, y están provistos de
armadura de refuerzo continua.
Pilotes de hincado prefabricados
Los pilotes de hincado prefabricados
son también una alternativa muy
razonable a los sistemas de cimentación convencionales desde el punto de vista económico y técnico.
Los pilotes prefabricados de sección
completa se instalan en obra con
ayuda de un martillo hidráulico de
doble acción.
Dependiendo de la subsuperficie, es
posible que no se pueda alcanzar la
profundidad de colocación prevista
originalmente y sea necesario cortar
la longitud del pilote. En caso de termoactivación con captador geotérmico, hay que tener precaución
durante la retirada del hormigón
sobrante para no dañar el captador.
Pilotes in-situ
En el caso de los pilotes de perforación de gran diámetro, se realiza
una perforación para introducir la
camisa de acero que mantiene las
paredes verticales de la perforación. A continuación se retira el
material perforado en forma de
lodos. El siguiente paso es intro-
del edificio. En casos especiales se
utilizan también muros pantalla
como elementos de cimentación profunda. Los muros pantalla sirven para
sellar embalses, contener vertederos y
almacenes u otras plantas industriales
que pueden poner en peligro el agua
subterránea.
Por medio de cortadoras o fresas
especiales se abre el terreno formando las ranuras profundas, las paredes
de estas ranuras se aseguran por
aplicación de lechadas especiales
para evitar hundimientos.
Introducción de la armadura en la perforación
ducir la armadura interna del pilote
y se rellena el hueco de perforación
con hormigón in-situ. Por último
se retira la camisa de acero. Este
tipo de pilotes in-situ se suelen
usar para cimentación estructural
de edificios de gran altura.
Muros pantalla termoactivos
Los muros pantalla se construyen
dentro de vaciados de terreno, se
trata de armaduras con relleno de
hormigón in-situ, y pueden llegar a
alcanzar grandes profundidades. El
espesor de los muros varía en función de las necesidades estructurales.
Los muros pantalla presentan una
deformación mínima, por lo que se
utilizan principalmente como muros
de contención en cimentaciones del
centro de las ciudades. Debido a su
impermeabilidad relativamente alta,
se usan también como muro exterior
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Muros pantalla de hormigón
in-situ
Cuando se ha alcanzado la profundidad requerida para el muro
pantalla, la lechada es sustituida
normalmente por hormigón armado, con el fin de poder montar
unos muros estructuralmente
efectivos y capaces de contener
el agua subterránea.
Muros de sellado de una fase
Los muros de sellado de una fase
son muros pantalla hechos de
una suspensión autoendurecible
y construidos en una ranura excavada en el terreno. La suspensión
autoendurecible se utiliza al
mismo tiempo como lechada de
recubrimiento. Se pueden instalar
además elementos de sellado,
como diafragmas o tablestacas.
45
Activación de los pilotes de cimentación
Pilotes huecos-centrifugados
instalados por perforación
Los pilotes de hormigón huecoscentrifugados enclavados y los
pilotes de prensado no se equipan
con las tuberías del captador hasta
que se han hincado en el suelo. Esta
es también una gran ventaja de los
pilotes de hormigón huecos-centrifugados, ya que las tuberías del captador se pueden adaptar a la profundidad de inserción real y se puede
minimizar el riesgo de dañar las
Excavación de un foso y preparación
de un plan de hincado de pilotes
tuberías del captador mediante una
inspección previa del hueco del
pilote.
De forma similar a los captadores o
sondas verticales, se introducen en el
suelo dos bucles de tuberías y se
llenan con material de relleno. En
caso de un radio de curvatura estrecho de los bucles de tuberías, se
recomienda usar codos en U de electrofusión, o también se pueden
insertar directamente sondas verti-
Enclavamiento y acoplamiento de los
pilotes centrifugados
46
Tendido y montaje de los tubos de
conexión horizontales, incluida la
conexión al grupo de conexión al
múltiple. Prueba de presión del
sistema completo. Hormigonado de la
losa de cimentación
El flujo de suministro y de retorno de
cada pilote de energía se puede agrupar por medio de piezas en Y o piezas
en T o se puede combinar en grupos
con otros pilotes.
Corte de los pilotes centrifugados
sobresalientes, comprobación del
vacío y medición de la longitud
efectiva del vacío con cintra métrica
HP
Instalación del colector en U doble y
rellenado posterior al vacío
cales. Durante el rellenado debemos
asegurarnos de que el material de relleno presente una alta conductividad
térmica y un buen contacto con los
materiales en distintas condiciones
ambientales y que se pueda introducir
sin crear huecos.
CP
Finalización del revestimiento y
montaje de la bomba de circulación y
la bomba de calor
Instalación de pilotes
huecos-centrifugados
activados térmicamente
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Pilotes de hormigón enclavados
prefabricados
Los pilotes de hormigón enclavados
prefabricados vienen ya equipados
de fábrica con las respectivas tuberías del captador. Para ello, la tubería del captador se fija en el interior
de la cesta de refuerzo, y el pilote
se construye mediante hormigonado. El número de bucles de tuberías
se adapta a la forma y el diámetro
del pilote.
Se debe prever un hueco para los
Excavación de un foso
tubos de conexión en la parte inferior del pilote. El extremo de las
tuberías sale fuera del pilote de
manera que sobresalga después de
su instalación. Durante la instalación se debe seleccionar la dirección
de los extremos sobresalientes de
las tuberías de tal manera que no
haya que guiar el tubo de conexión
alrededor del pilote.
Dependiendo de la subsuperficie, es
posible que no se pueda alcanzar la
profundidad de colocación prevista
originalmente y haya que cortar la
longitud del pilote.
En caso de activación con bucles de
tuberías, la retirada del hormigón
sobrante genera el riesgo de dañar
las tuberías del intercambiador de
calor. La ventaja del uso de pilotes
de hormigón prefabricados es que
el montaje y las pruebas de presión
se realizan en fábrica y se evita
dañar las tuberías del intercambiador de calor debido al hormigonado
del pilote en el lugar de instalación.
Preparación de un plan de hincado de Hincado de los pilotes de hormigón
los pilotes
prefabricados
HP
Retirada del revestimiento protector e Tendido y montaje de los tubos de
instalación de las abrazaderas de 90º conexión horizontales, incluida la
conexión al grupo de conexión al
múltiple. Prueba de presión del
sistema completo. Hormigonado de la
losa de cimentación
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
CP
Finalización del revestimiento y
montaje de la bomba de circulación y
la bomba de calor
Instalación de pilotes de
hormigón prefabricados
activados térmicamente
47
Pilotes de hormigón in-situ
En el caso de los pilotes instalados
con el método de hormigón in-situ,
las tuberías del captador se montan
sobre la armadura antes de introducirla en la perforación. Las tuberías
Acopio de armaduras con captadores montados
del captador se suelen montar en la
parte interior de la armadura para evitar que resulten dañadas en el proceso
de instalación. Para ello, las tuberías
del captador se fijan a la armardura en
configuración de meandros, en espi-
ral, bucles paralelos o bucles cruzados al pie del pilote. Las tuberías
deben ser de materiales resistentes a
la tenso-fisuración, ya que, se fijan
directamente sobre el mallazo del
pilote.
Tubos de conexión PE-Xa para geotermia Uponor
Circuitos del captador
geotérmico Uponor
instalado en la
armadura del pilote
Introducción de los bucles de tuberías PE-Xa
Uponor Geotermica
48
Corte de la longitud del captador geotérmico
montado en el pilote
Fijación de los circuitos del captador
geotérmico
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Variantes de instalación
Instalación en forma de meandros
Instalación de bucles de tuberías
paralelos
En el montaje de los captadores
geotérmicos para cimentación, y
especialmente con pilotes de
pequeño diámetro, hay que tener
en cuenta el radio de curvatura. Si
no se pueden evitar radios de curvatura demasiado estrechos, se
recomienda utilizar soportes para
los codos de las tuberías o codos en
U de electrofusión.
En el caso de pilotes de longitud
reducida, es posible la instalación
en el pilote en forma de meandros
con conexiones de suministro y de
retorno directamente al colector. El
número de circuitos del captador
depende del diámetro de la armadura del pilote. Estos son los valores
de referencia:
Diámetro
del pilote
20 – 70 cm
Número de tuberías
verticales
4 – 6 codos en U en el
extremo
75 – 80 cm
4 – 6 con curvatubos
en el extremo
90 – 120 cm 6 – 8
130 – 180 cm 8 – 12
Instalación de bucles de tuberías
cruzados
Las conexiones de suministro y de
retorno de captador geotérmico del
pilote de energía se agrupan por
medio de un colector en la cabeza
del pilote, un accesorio “Y” o accesorio “T”, y se pueden combinar
con otros pilotes formando un
grupo. En caso de distintos niveles
de construcción, los extremos de los
circuitos en la cabeza del pilote se
deben equipar con tuberías protectoras o aislamiento, para su retirada
una vez que se haya montado todo
el pilote. Todos los extremos de los
circuitos se mantendrán cerrados
para evitar la entrada de suciedad.
Como ya se indicó anteriormente,
tanto en el diseño como en la instalación hay que considerar la reducción de la capacidad de carga del
pilote. Es decir, que la función energética no afecte a la función estructural.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Instalación en espiral
Para evitar dañar las tuberías del
captador, el pilote se hormigonará
con un tubo de llenado (método de
tolva), asegurando que no se dañen
las tuberías. Para compactar el hormigón no deben utilizarse vibradores de hormigón. Si el pilote se va
a hormigonar mediante vertido,
habrá que comunicarlo al encargado
de los trabajos.
49
Muros pantalla
En el caso de los muros pantalla montados en obra, los circuitos del captador deben añadirse a las armaduras
antes de introducir estas. Los circuitos
captadores de energía geotérmica se
suelen montar en el interior de la
Creación del pozo perforando con
una barrena y enclavamiento de los
tubos de perforación
armadura para evitar que resulten
dañadas al introducir la armadura en el
terreno
La longitud convencional de los
pilotes de cimentación es de unos 10
– 30 m. La temperatura en la capa
superior de la tierra varía con la
Introducción del refuerzo con
registros de tuberías
Llenado de hormigón de los tubos de
perforación con el método de tolva y
extracción simultánea de los tubos de
perforación
HP
Retirada del revestimiento protector e Tendido y montaje de los tubos de
instalación de los codos de 90º
conexión horizontales, incluida la
conexión al grupo de conexión al
múltiple. Prueba de presión del
sistema completo. Hormigonado de la
losa de cimentación
50
estación del año. En cuanto se alcanza
la zona por debajo del límite de helada, esta fluctuación disminuye. A partir de una profundidad aproximada de
15 m, el suelo tiene una temperatura
bastante constante.
CP
Finalización del revestimiento y
montaje de la bomba de circulación y
la bomba de calor
Instalación de
pilotes de hormigón
in-situ activados
térmicamente
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Dimensionado de los pilotes de energía
Las dimensiones de los pilotes de
energía dependen de las horas de
funcionamiento anuales del sistema
de bomba de calor geotérmica y del
diseño de los pilotes de hormigón,
así como de la posible interferencia
mutua entre los pilotes de energía.
Cuanto menor es la resistencia térmica RE del pilote de energía, mayor es la transferencia del calor. La
resistencia térmica indica la pérdida
de temperatura durante la transición del calor desde el terreno
hasta el brine. Los parámetros que
determinan la resistencia térmica
del pilote son el diámetro perforado, la conductividad térmica del
material del pilote y el tipo de
pilote de energía.
Un diámetro menor del pilote
reduce la resistencia térmica. Una
mayor conductividad térmica del
material del pilote reduce la pérdida
de calor durante la transferencia del
calor y, por tanto, reduce la resistencia térmica.
La resistencia térmica del pilote de
energía RE se compone, por tanto,
de las resistencias intermedias de
los distintos elementos y las resistencias específicas del material.
Resistencias intermedias:
La capacidad refrigerante corresponde a la proporción de potencia
que la bomba de calor obtiene del
terreno y es la diferencia entre la
potencia térmica QH y el consumo
eléctrico Pel.
Suelo < > material del pilote < >
tubería < > fluido caloportador
(brine).
Resistencias del material:
RE = Rc + RR + RP [W/(m²K)]
Rc coeficiente de transferencia del
calor de brine/tubería
RS coeficiente de transferencia del
calor de los circuitos de tuberías
RP coeficiente de transferencia del
calor del material del pilote
La longitud requerida de captador
geotérmico L se basa en la capacidad de extracción específica qE del
terreno y la capacidad del refrigerante QO de la bomba de calor.
L=
QO
qE
QO = QH + Pel
[W]
A la hora de determinar las dimensiones de los tubos de conexión de
los pilotes de energía, debemos
asegurarnos de que exista una baja
pérdida de presión (importante:
mayor viscosidad del brine comparada con el agua), ya que el consumo de la bomba circuladora
reduce el coeficiente de rendimiento estacional β del sistema de bomba de calor.
[m]
Capacidad de captación específica por metro de profundidad del pilote
Subsuperficie
Sustrato de baja calidad, sedimento seco
Sustrato normal rocoso y sedimento saturado de agua
Roca consolidada con alta conductividad térmica
Capacidad de captación específica qE por
metro de profundidad del pilote para una
potencia de calefacción de hasta 30 kW
1800 h/a
2400 h/a
25 W/m
20 W/m
60 W/m
50 W/m
84 W/m
70 W/m
Durante periodos de funcionamiento más prolongados debe tenerse
en cuenta tanto la capacidad de captación específica como el factor
de captación anual específico.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Fuente: VDI 4640
51
La velocidad de flujo máxima debe
ser de 1 m/s. La velocidad de flujo
en los pilotes de energía debe ser
turbulenta, ya que un flujo turbulento mejora la transferencia del
calor de la tubería al brine, aumentando así el rendimiento.
En caso de dimensionado monovalente (una sola fuente de energía)
tanto la bomba de calor como el
captador geotérmico, se deben
dimensionar de tal manera que se
pueda satisfacer la demanda total
del edificio QG. El cálculo de potencia total QWP incluye la demanda de
climatización del edificio QG y la
de agua caliente sanitaria Qww y se
considera un tiempo de bloqueo Z.
QWP = (QG + QWW) · Z
[W]
Si al seleccionar la bomba de calor
se utiliza un modelo con menor
potencia de refrigeración / calefacción de la necesaria o menor
longitud de captador de la necesaria, aumentarán las horas de funcionamiento de la bomba de calor.
52
Esto significa que el terreno estará
sometido a mayores solicitaciones
térmicas y la sonda a un mayor
factor de captación anual. Para
evitar un consumo excesivo de
electricidad por parte de la bomba
de calor se tiene que dimensionar
correctamente el captador geotérmico.
Para determinar las dimensiones de
los sistemas de pilotes de energía
es muy importante conocer las
propiedades térmicas del terreno.
El cálculo de la conductividad térmica a partir de muestras no
alteradas de una perforación de
prueba es posible en principio,
pero es un método muy elaborado
que sólo se puede llevar a cabo en
laboratorio.
El dimensionado de los sistemas de
pilotes de energía por medio de
programas de simulación requiere
disponer de datos precisos sobre la
conductividad térmica efectiva a lo
largo de todo el pozo. Estos
parámetros se obtienen directamente del terreno del lugar de la
obra por medio de un Test de
Respuesta Térmica.
Test de respuesta térmica
El Test de Respuesta Térmica se
realiza con un pilote de energía
montado. Durante esta prueba se
aplica al pilote de energía una
potencia térmica constante que
luego se extrae. La evaluación se
realiza de acuerdo con la teoría de
la fuente lineal de Kelvin. Los
resultados muestran las condiciones geológicas exactas en el
lugar de instalación a lo largo de
todo el pilote de energía y en condiciones de funcionamiento ordinarias, incluidos los efectos de un
posible flujo de agua subterránea
existente.
Debido a la compleja correlación
geológica e hidrogeológica necesaria para el dimensionado de los
pilotes de energía, así como los
conocimientos técnicos especializados, la simulación y el dimensionado de los sistemas de pilotes de
energía deben ser realizados únicamente por personal especializado.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Montaje e instalación
Los sistemas de pilotes de energía
deben utilizarse siempre como intercambiadores alternos de calefacción y
refrigeración. Debido edificación
construida encima, el suministro
natural de calor no es suficiente y,
por lo tanto, cuando el sistema lleva
varios años en uso, el nivel de temperatura en el suelo descenderá,
cayendo por debajo del límite de uso
real. Durante el funcionamiento de la
calefacción, la temperatura debe ser
lo más baja posible (< 35 °C) y
durante la refrigeración lo más alta
posible (> 16 … 18 °C).
Todos los pilotes de energía, incluidos
sus tubos de conexión, deben ser de
la misma longitud y deben conectarse
a una bomba de calor según el principio de Tichelmann a través de un
colector de suministro y otro de retorno con tuberías de recogida.
Cuando las tuberías se instalan según
el principio de Tichelmann, la longitud
requerida de los pilotes de energía se
divide en pilotes de energía conectados en paralelo para la potencia de
extracción correspondiente. Por lo
tanto, en lo relativo a la pérdida de
carga, hay que tener en cuenta el
caudal de los distintos pilotes de
energía, la longitud de las tuberías y
el diámetro de estas.
Si no es posible instalar pilotes de
energía, incluidos los tubos de
conexión, con captadores de la misma
longitud, deberá producirse una compensación hidráulica por medio de
válvulas de equilibrado con el fin de
mantener la misma pérdida de presión
en cada circuito de tuberías.
Los circuitos de suministro y de retorno de un pilote de energía se pueden
agrupar por medio de un colector en
la cabeza del pilote, un accesorio en
“Y” o en “T”, y se pueden combinar
con otros pilotes en un grupo.
Las conexiones a los tramos horizontales se realizan en la cabeza del
pilote. Los extremos de las tuberías
del captador del pilote se sacan fuera
de la cabeza del pilote para no tener
que guiar los tubos de conexión horizontales alrededor del pilote. Por
medio de codos y accesorios, las
tuberías verticales que salen del pilote
perforado se conectan a los tubos
horizontales para que no se formen
bolsas de aire en esa zona.
Los tubos de conexión se instalarán
con una pendiente mínima hasta el
colector para permitir el purgado.
Esto debe hacerse preferiblemente en
posición horizontal en un lecho de
arena (con las tuberías de PE-Xa no
es necesario el lecho de arena) bajo la
solera hasta el colector correspondiente.
Debemos asegurarnos de poner los
tubos de conexión aislados y evitar así
el contacto directo entre ellos con el
fin de no provocar un cortocircuito
térmico entre el flujo de suministro y
de retorno.
Pilotes de energía: utilización térmica de la subsuperficie
Situación inicial
Temperatura de
la subsuperficie
aprox. 8–12°C
Refrigeración en verano
La subsuperficie actúa
como sumidero de calor
Otoño
Almacenamiento de calor
en la subsuperficie
aprox. 12–16°C
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Calefacción en invierno
Calefacción del edificio,
subsuperficie utilizada
como fuente de calor
Primavera
Almacenamiento de frío
en la subsuperficie a
aprox. 4–8°C
53
Las conexiones horizontales se deben
instalar con tubería pre-aislada, p. ej.
con Uponor LHD thermo mini.
nica de unión fiable, libre de mantenimiento y duradera en el tiempo,
como Uponor Quick & Easy.
Los tubos de conexión horizontal se
pueden instalar individualmente (en
paralelo) hacia el colector, o bien,
en grupo (en serie). La ventaja de
conectar cada pilote por separado al
colector correspondiente es que, en
caso de fallo de un pilote, tan sólo
se pierde la potencia de ese pilote.
Según la norma DIN 4140-2, todos
los tubos de conexión en la zona del
conducto de pared, así como todas
las tuberías portadoras de brine
instaladas en la casa, deben estar
aislados (aislamiento resistente a la
difusión de vapor de agua) para evitar la condensación de agua.
Todos los colectores y accesorios
deben instalarse en arquetas o registros accesibles, y protegidos cuando
se encuentren fuera del edificio.
Todos los pilotes de energía deben
estar equipados con válvulas en los
colectores para poder cerrarlos. Las
conexiones horizontales entre los
pilotes y los colectores se ejecutarán
de manera que ningún elemento
que sometido a esfuerzos. Debe
tenerse en cuenta la interferencia
mutua de los pilotes de energía.
Uponor LHD Thermo Mini
Normalmente no es posible determinar la cantidad y distribución de
los pilotes de energía en función de
criterios solamente energéticos, y se
determinan según las condiciones
estructurales del edificio. Una posibilidad de diseño son los llamados
“pilotes perdidos”, es decir, los
pilotes no activados térmicamente o
instalados de forma adicional como
pilotes de energía sin requisitos
estructurales.
Las conexiones de circuitos y tuberías, especialmente las no accesibles, deben ejecutarse con una téc-
Prueba de presión de las instalaciones de pilotes de energía
54
Con el fin de evitar la congelación
del intercambiador de calor, las tuberías, los tubos de conexión y el evaporador, el sistema de bomba de calor
se llena de brine, que suele ser una
mezcla de agua y glicol (fluido caloportador).
Importante
Para los aspectos estructurales
se deben tener en cuenta los
límites de temperatura
(min. > 0 °C/max. 25 – 30 °C).
Conexión entre pilotes de energía por medio de tuberías Uponor PE-Xa
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Tubo de
suministro
Cinta de señalización de la zanja
30 - 40 cm por encima de la tubería
Asegúrese de que sea posible el
llenado y la descarga del sistema.
Para evitar el llenado excesivo, el sistema de bomba de calor debe estar
equipado con una válvula de seguridad.
El porcentaje de glicol suele ser del
25 – 30%. Por lo tanto, las pérdidas
de presión de las tuberías del captador son 1,5 – 1,7 veces mayores que
si estuviesen llenas de agua pura.
Esto se debe tener en cuenta a la
hora de calcular las dimensiones de
la bomba.
La prueba de presión debe efectuarse
de acuerdo con la norma DIN 4279-1
(o norma local equivalente). Dependiendo del material de tubería utilizada, los tubos de conexión se tenImportante
¡El anticongelante y el agua
deben mezclarse en un recipiente
con capacidad suficiente antes de
introducir la mezcla en el pilote
de energía Uponor!
120 - 150 cm
Relleno principal
incl. diseño de la vía
min. 70 cm
Los fluidos caloportadores del captador geotérmico y los tubos de
conexión se elegirán siempre de
manera que, en caso de fuga, se
evite o se minimice la contaminación
del agua subterránea y del suelo. Se
elegirán sustancias orgánicas no
tóxicas o biodegradables conforme a
la norma VDI 4640.
Lecho de tubos de conexión. Flujo no aislado, reflujo aislado
derán en un lecho de arena. Sólo si
se utilizan tuberías Uponor PE-Xa
será innecesaria la introducción en
arena debido a su resistencia al crecimiento lento y rápido de grietas.
La fijación de las conexiones horizontales (altura en el suelo y distancia) se puede efectuar por medio de
ganchos o instalando las tuberías
sobre una malla de refuerzo.
Volumen de agua según las dimensiones de la tuberías
Dimensiones de la tubería
PE-Xa
[mm]
20 x 2.0
25 x 2.3
32 x 2.9
40 x 3.7
50 x 4.6
63 x 5.8
75 x 6.8
90 x 8.2
110 x 10.0
125 x 11.4
Diámetro interior
[mm]
Volumen de agua
[l/m]
16.0
20.4
26.2
32.6
40.8
51.4
61.4
73.6
90.0
102.2
0.201
0.327
0.539
0.835
1.307
2.075
2.961
4.254
6.362
8.203
Normativa legal
Para todos los sistemas de pilotes de energía y cimentación
termoactiva puede ser necesaria una aprobación específica conforme a las normativas locales. Además de las regulaciones
locales, se recomienda seguir como referencia la norma VDI 4640
específica de geotermia.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
55
Captadores verticales
Sistema / ámbito de aplicación
Los captadores verticales es el sistema más ampliamente utilizado en
geotermia. Pueden cubrir todo el
rango de potencias tanto para calefacción como para refrigeración y
necesitan poco espacio. Los captadores verticales se pueden usar en
prácticamente todos los tipos de
suelo.
Ventajas
Sistema de geotermia que
necesita poco espacio en
términos comparativos
Válido para prácticamente
todos los tipos de suelo
Refrigeración tanto activa
como pasiva (geocooling)
Calefacción y agua caliente
sanitaria
Solución ideal para aplicaciones residenciales y no
residenciales
Descripción de la aplicación
produce agua caliente sanitaria y calefacción.
Una de sus principales ventajas en
comparación con los sistemas de climatización convencionales y su ventaja frente a otras fuentes de energía
renovable es que se aprovecha durante
todo el año, tanto para refrigeración
como para calefacción.
La potencia captada por una sonda
vertical depende de las condiciones
geológicas y climáticas, el diseño de la
captación vertical y la fluctuación
estacional de la demanda de frío y calor
por parte del usuario. Para potencias
superiores se pueden crear los llamados campos de captadores o campos
de sondas geotérmicas verticales. Esto
es una combinación de varios captadores verticales.
Límites de la aplicación
Captador vertical U Simple Uponor PE-Xa
Uponor G12
Un captador geotérmico vertical
consta normalmente de dos o cuatro
tuberías de material plástico en forma de U en paralelo. Estas tuberías
vehiculan un fluido caloportador lla-
mado brine, una mezcla de agua y
anticongelante. El brine extrae el
calor del suelo, lo transporta hasta el
evaporador de la bomba de calor y,
una vez enfriado, regresa al captador
vertical. La energía extraída del suelo
se calienta por medio de la bomba
de calor hasta la temperatura requerida del sistema de calefacción
radiante. La temperatura de suministro
Básicamente, los captadores verticales
son intercambiadores de calor instalados en vertical en el interior del terreno. Se aprovecha la energía disponible en el terreno combinada con una
bomba de calor, que eleva o disminuye la temperatura del fluido hasta un rango utilizable para aplicaciones de calefacción, refrigeración y
agua caliente sanitaria. Los sistemas
de captadores geotérmicos verticales
o sondas geotérmicas son ideales para
el funcionamiento en refrigeración
tanto activa, como pasiva (geocooling).
En modo refrigeración el calor
absorbido del edificio se transfiere al
terreno. Por supuesto, también se
56
Ilustración esquemática de un sistema de captador vertical
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Dependiendo del sistema, las sondas
verticales para el uso en la geotermia
pueden tener una longitud de hasta
400 m. Las soldaduras o uniones
entre los codos en U y la resistencia
de las tuberías se comprueban en
fábrica mediante una prueba de
presión según normas de geotermia
y materiales plásticos. No está permitida la soldadura de un captador
vertical en el lugar de la obra. La
sondas o captadores verticales
deben suministrarse en obra, totalmente fabricadas y testadas una por
una.
Las temperaturas en la capa superior
de la tierra varían con la estación. Sin
embargo, cuando caen por debajo
Temperatura (superficie terrestre) [ºC]
5
10
15
20
25
0
Colector Vertical Uponor
Profundidad en el suleo [m]
suele ser de unos 35 °C. La temperatura de emisión del sistema ha
de ser lo más baja posible para crear
las condiciones para un alto coeficiente de rendimiento estacional.
Profundidad de instalación:
de 30 a 250 m
5
10
15
20
5
10
15
20
25
Temperatura (profundidad) [ºC]
On aver
1. Febrero
1. Mayo
del límite de helada, esta fluctuación
disminuye claramente, y lo que es
mejor, a partir de una profundidad
de 15 m, el suelo presenta una tem-
1. Noviembre
1. Agosto
peratura prácticamente constante.
Por ello, los captadores verticales
apenas están sujetos a fluctuaciones
de temperatura.
Tipos de captadores verticales
Existen tres diseños básicos de captadores verticales:
Sección transversal de un captador en U simple
Sección transversal de un captador de U doble
Sección transversal de un
captador coaxial
Captador en U simple
Un captador o sonda geotérmica
en U simple consta de dos tuberías
del captador unidas en la parte
inferior por un racor en forma de
U. El captador en U simple tiene,
por tanto, una tubería de ida o
suministro y otra de retorno.
Captador en U doble
Un captador o sonda en U doble
consta de cuatro tuberías del captador unidas en la parte inferior
por parejas de racores en forma de
U. El captador en U doble tiene,
por tanto, dos tuberías de ida o
suministro y otras dos de retorno.
Captador coaxial
Se trata de un captador formado por dos tuberías
integradas la una en la otra (tubería interior y tubería
exterior). Así pues, dependiendo del tipo de uso, la
tubería interior se convierte en el flujo de suministro o
de retorno.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Tipo especial: tubería aislada con
tuberías exteriores no aisladas
dispuestas en círculo
57
Dimensionado de los captadores verticales
El dimensionado de los captadores
verticales depende de las condiciones del terreno, el tiempo de funcionamiento anual del sistema de
bomba de calor, el diámetro del
pozo, el relleno del pozo, la posición
de las tuberías en el pozo y la interferencia mutua entre los sistemas de
captadores verticales.
Resistencias térmicas individuales.
Cuanto menor es la resistencia térmica del pozo Rb, mayor es la transferencia de frío o calor. La resistencia térmica de la perforación geotérmica o
pozo indica la pérdida de temperatura durante el proceso de transferencia de energía desde el terreno hasta
fluido caloportador – brine -. Factores
que influyen en la resistencia térmica
del pozo son: el diámetro del pozo,
la conductividad térmica del material
de relleno y el tipo de sonda vertical.
Rc coeficiente de transferencia del
calor brine / sonda
RS coeficiente de transferencia del
calor de la sonda vertical
RV coeficiente de transferencia del
calor del material de relleno
Un diámetro pequeño del pozo
reduce la resistencia del pozo. Una
mayor conductividad térmica del relleno del pozo reduce la pérdida de calor
durante la transferencia del calor, es
decir, reduce la resistencia del pozo.
La resistencia térmica del pozo es,
por tanto, una combinación de las
resistencias térmicas individuales de
los distintos elementos y las resistencias específicas del material.
Terreno < > relleno del pozo < > sonda < > fluido caloportador (brine).
Resistencias del material:
Rb = Rc + RS + RV [W/(m²K)]
La longitud requerida del captador
L depende de la capacidad de captación específica qE del terreno y de
la capacidad refrigerante QO de la
bomba de calor de brine/agua.
L=
QO
qE
La capacidad refrigerante corresponde
a la proporción de potencia de la
bomba de calor geotérmica extraída
del terreno y es la diferencia entre la
potencia QH y el consumo eléctrico
Pel.
QO = QH + Pel
A la hora de determinar las dimensiones de los tubos de conexión del
captador vertical, debemos asegurarnos de que exista una baja pérdida de carga (importante considerar
que el brine tiene mayor viscosidad
que el agua), ya que el consumo de
la bomba circuladora reduce el coeficiente de rendimiento estacional,
factor β del sistema de bomba de
calor geotérmica.
[m]
Capacidad de captación específica por metro de sonda vertical
Subsuperficie
Sustrato de baja calidad, sedimento seco
Sustrato normal rocoso y sedimento saturado de agua
Roca consolidada con alta
conductividad térmica
Capacidad de captación específica qE por m de
sonda vertical para una potencia de calefacción de hasta 30 kW
1800 h/a
2400 h/a
25 W/m
20 W/m
60 W/m
50 W/m
84 W/m
70 W/m
Durante periodos de funcionamiento más prolongados debe tenerse en
cuenta tanto la capacidad de captación específica q como el factor de captación anual específico.
En las verticales estos deben estar entre 100 y 150 kWh/(m • a).
Para Suiza se aplican las condiciones de dimensionado de la AWP/FWS.
58
[W]
Fuente: VDI 4640
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
La máxima velocidad del flujo de
brine debe ser de 1 m/s. El régimen
de trasiego en las sondas geotérmicas debe ser turbulento, ya que un
flujo turbulento mejora la transferencia del calor de la sonda al brine,
aumentando o disminuyendo así la
temperatura del brine.
En caso de dimensionado monovalente de la bomba de calor de
brine/agua, las fuentes de calor se
deben dimensionar de tal manera
que cumplan el requisito de capacidad del edificio QG y no el de la
bomba de calor.
El requisito de potencia total QWP
incluye el requisito de capacidad
del edificio QG y para el calentamiento de agua doméstica Qww teniendo
en cuenta un tiempo de bloqueo Z.
QWP = (QG + QWW) · Z
[W]
Si al seleccionar la bomba de calor
se utiliza un modelo con menor
potencia de calefacción o menor
longitud de sondas, aumentarán las
horas de funcionamiento de la
bomba de calor. Esto significa que
el terreno estará sometido
mayores solicitaciones térmicas
mayor esfuerzo o se producirá un
factor de captación anual más
alto. Es absolutamente fundamental
establecer un correcto dimensionado del sistema, es decir, ni
sobredimensionar las sondas ni la
bomba de calor para no disparar la
inversión. Ni infradimensionar el
sistema para no tener exceso de
consumo en el posterior funcionamiento normal del sistema.
Por norma general se aplica lo
siguiente: Con el dimensionado
monovalente de una bomba de
calor de brine/agua, la potencia
de la bomba de calor debe ser al
menos el 100% de la demanda de
potencia total.
Para determinar las dimensiones
de sistemas de captadores verticales mayores (> 30 kW) es muy
importante conocer las propiedades térmicas del terreno. El
dimensionado de los sistemas de
captadores verticales por medio de
programas de simulación requiere
información sobre la conductividad
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
térmica efectiva a lo largo de todo el
pozo. Esta información se obtiene
directamente en el lugar de la obra
por medio de un Test de Respuesta
Térmica.
Test de Respuesta Térmica (TRT)
El Test de Respuesta Térmica se realiza con una sonda geotérmica vertical.
Durante esta prueba se aplica a la
sonda de tierra una potencia térmica
constante que luego se extrae. La
evaluación de la conductividad se
realiza de acuerdo con los modelos
del foco lineal o cilíndrico. Los resultados muestran las condiciones
geológicas exactas en el lugar de
instalación a lo largo de todo el pozo
y en condiciones de funcionamiento
típicas, incluidos los efectos de un
posible flujo de agua subterránea
existente.
Debido a la compleja correlación
geológica e hidrogeológica del
dimensionado del campo de sondas,
así como los conocimientos técnicos
especializados, la simulación y el
dimensionado de los sistemas de
captadores verticales deben ser
realizados únicamente por expertos.
59
Montaje e instalación
Si no es posible instalar sondas verticales de la misma longitud, incluidos
los tubos de conexión, deberá producirse un equilibrado hidráulico por
medio de válvulas de equilibrado con
el fin de mantener la misma pérdida
de carga en cada circuito de tuberías.
Los tubos de conexión se instalarán
con una pendiente mínima hasta el
colector para permitir la ventilación.
Seguridad operativa
Todos los colectores y racores deben
instalarse en arquetas protegidas de
la lluvia fuera del edificio o en la sala
de máquinas. Además, los tramos
horizontales deben estar equipados
con válvulas esféricas en los colectores para poder cerrarlos en caso
60
Para evitar la interferencia térmica
mutua, los captadores verticales
deben instalarse con una distancia
mínima entre ellos. En caso de presencia de aguas subterráneas, las sondas
verticales deben colocarse en ángulo
recto respecto a la dirección de flujo
del agua subterránea. Se debe evitar
Las conexiones de tuberías montadas
en el lado del edificio y no accesibles
deben efectuarse con una técnica de
conexión libre de mantenimiento,
como Uponor Quick & Easy o racores
de electrofusión.
Según la norma DIN 4140-2 y el
Código Técnico de la Edificación,
todos los tubos de conexión horizontal en la zonas no calefactadas,
deben estar aislados (aislamiento
Relleno principal
incl. diseño de la vía
Tubo de
suministro
Cinta de señalización de la zanja
30 - 40 cm por encima de la tubería
120 - 150 cm
Cuando los captadores verticales se
conectan según el principio de
Tichelmann, la longitud total requerida de captador geotérmico se divide
en varias sondasd verticales de la
misma longitud. Las sondas se
conectan en paralelo. Por lo tanto,
en lo relativo a la pérdida de carga,
hay que tener en cuenta el caudal de
los distintos captadores verticales, la
longitud de las tuberías y el diámetro
de estas.
necesario. Los tramos de tubos horizontales se conectarán a los colectores sin someterlos a esfuerzos.
min. 70 cm
Todos los captadores verticales,
incluidos sus tubos de conexión,
deben ser de la misma longitud y
deben conectarse a una bomba de
calor según el principio de Tichelmann
a través de un colector de suministro
y otro de retorno.
Lecho de los tubos de conexión. Suministro no aislado, flujo de retorno aislado
la impermeabilización de las zonas
donde se instalen los captadores
verticales.
resistente a la difusión de vapor de
agua) para evitar la condensación de
agua.
Dependiendo del tipo de tubería utilizada, los tramos de conexión horizontal se tenderán en un lecho de
arena. El uso de tuberías PE-Xa hace
que nos podamos ahorrar el lecho de
arena debido a su resistencia al crecimiento lento y rápido de grietas.
Para evitar la congelación de la instalación del circuito del terreno, entre
el captador vertical y el evaporador
de la bomba de calor, ésta se llena de
brine, normalmente una mezcla de
agua y glicol (fluido caloportador).
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Construcción y medio ambiente
Los fluidos caloportadores que circulen por las sondas geotérmicas y
los tramos horizontales se elegirán
siempre de manera que, en caso
de fuga, se evite o se minimice la
contaminación del agua subterránea y del suelo. Se elegirán sustancias orgánicas no tóxicas o biodegradables conforme a la norma
VDI 4640.
calcular las dimensiones de la bomba
de circulación.
Las sondas geotérmicas verticales se
entregan en obra totalmente fabricadas
y probadas una por una. Para instalar
el captador vertical después de la
perforación, es conveniente llenarlo
de agua antes de la instalación, con
el fin de evitar que salga flotando.
Normalmente se añaden pesos lastres
adicionales al pie de la sonda.
Volumen de agua según las dimensiones de la tubería
Dimensiones de la tubería
PE-Xa
[mm]
40 x 3.7
50 x 4.6
63 x 5.8
75 x 6.8
90 x 8.2
110 x 10.0
125 x 11.4
Diámetro interior
[mm]
Volumen de agua
[l/m]
32.6
40.8
51.4
61.4
73.6
90.0
102.2
0.835
1.307
2.075
2.961
4.254
6.362
8.203
Asegúrese de que sea posible el
llenado y la descarga del sistema.
Para evitar el llenado excesivo, el
sistema de bomba de calor debe
estar equipado con una válvula de
seguridad.
El porcentaje de glicol suele ser del
25 – 30%. Por ello, las pérdidas de
presión de las tuberías del captador
son 1,5 -1,7 veces mayores que si
estuviesen llenas de agua pura. Esto
se debe tener en cuenta a la hora de
Estos deben incluirse en el cálculo de
la longitud de los pozos.
La selección del diámetro del pozo
depende del diseño del captador
vertical y de las condiciones específicas
del terreno. Cuanto menor es el
diámetro del pozo, mejor es la transferencia del calor.
geotérmicos. Los materiales de relleno estándar, como la bentonita,
tienen una conductividad térmica de
0,7 – 0,8 W/mK; los morteros geotérmicos mejorados térmicamente
presentan una conductividad térmica
de hasta 2,5 W/mK. De este modo
se puede alcanzar una mayor
temperatura de la brine o se puede
reducir la longitud requerida de la
sonda manteniendo la misma
temperatura de la brine. El trabajo de
relleno de los pozos geotérmicos a
través del tubo de inyección debe
efectuarse siempre de abajo arriba
para evitar la formación de huecos.
Los espaciadores entre las tuberías
de sonda evitan el contacto térmicos
entre el flujo de suministro y de
retorno.
Importante
¡El agente anticongelante y
el agua deben mezclarse en
un recipiente con suficiente
capacidad antes de introducir
la mezcla en el captador vertical Uponor!
El relleno y compactación del pozo
debe hacerse con material de relleno
mejorado térmicamente, morteros
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61
La prueba de presión debe efectuarse
de acuerdo con la norma DIN 4279-1
(o norma local equivalente). Esta
prueba se debe realizar antes del
relleno del pozo, para comprobar la
estanqueidad y resistencia de las
sondas. Durante el trabajo de relleno del material se debe mantener la
Normativa legal
Para todos los sistemas de captadores verticales y perforaciones
pueden ser necesarias aprobaciones específicas conforme a las
normativas locales. Además de las regulaciones locales, se
recomienda seguir como referencia las normas VDI 4640 específicas
de geotermia.
Instalación sonda Uponor GeoVertis simple U
62
sonda en carga con el fin de evitar
la formación de burbujas de aire en
el espacio circular entre la pared de
la tubería de la sonda y el material
de relleno. La presencia de aire en
esos espacios produciría efecto aislante y, por consiguiente, una
reducción de la transferencia del
calor desde el terreno al fluido
caloportador.
Sonda Uponor GeoVertis doble
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Uponor, calidad de materiales
PE-Xa
Con su larga vida útil y su enorme
resistencia, las tuberías Uponor PE-Xa
no sólo ofrecen seguridad total de
suministro, sino también una excelente
relación precio-rendimiento. Las
instalaciones ganan fiabilidad y
seguridad inigualable durante décadas.
Uponor ofrece una garantía prolongada de 10 años, incluida la compensación por daños en casos concretos para el montaje de tuberías
PE-Xa sin lecho de arena según la
normativa aplicable.
peróxido añadido reacciona en el
proceso de fusión, separando parcialmente los átomos de hidrógeno
de los átomos de carbono de las
cadenas moleculares de polietileno.
En esos puntos se produce la interconexión tridimensional de las cadenas moleculares. Se genera así una
red tridimensional estable que no se
puede “deshacer“. Por ello, las tuberías PE-Xa son especialmente adecuadas para todas las aplicaciones de
instalación que implican un esfuerzo
del material.
Recuperación de pinzamientos con aire
caliente
Uponor PE-Xa geotermia permite
utilizar el reconocido sistema de
unión Uponor Quick & Easy.
Además, como segunda opción, las
tuberías Uponor PE-Xa se pueden
soldar por medio de racores de electrofusión autorizados por Uponor,
ofreciendo la misma calidad en la
unión igual que de tuberías de polietileno no reticulado.
Durante el proceso de fabricación de
las tuberías Uponor PE-Xa, las
moléculas de polietileno se unen a
una red tridimensional consiguiendo
un alto grado de reticulación en un
procedimiento de fabricación patentado. Gracias a este reticulado, la
tubería adquiere unas excelentes
propiedades térmicas y mecánicas
que la convierten en la mejor opción
para aplicaciones exigentes como la
geotermia.
Las tuberías PE-Xa para geotermia
han sido reticuladas a alta presión
según el método de frabricación
patentado de Engel. En este proceso,
el material de polietileno de alta calidad se funde para formar una tubería
en las llamadas prensas de extrusión.
Debido a la alta temperatura generada en el proceso y la alta presión, el
Cadena molecular "deshecha" a consecuencia
de un esfuerzo en el polietileno no reticulado
La estructura molecular del polietileno reticulado PE-Xa no se deshace cuando es sometida
a un esfuerzo
A diferencia de las tuberías de polietileno
no reticulado, las tuberías de polietileno
reticulado presentan lo que se
denomina efecto de memoria. Esta
es una de las principales propiedades
diferenciadoras del material que
recupera su forma original casi
automáticamente después de una
deformación mecánica, expansión,
para ajustarse al sistema de accesoriosfittings Q&E de Uponor. Es la única
unión natural y “viva” del mercado,
ya que no tiene juntas tóricas ni elementos metálicos. Y además, cuanto
más tiempo pasa, más tiende el
material a recuperar su forma, por
tanto, a largo plazo es incluso más
segura.
Incluso los eventuales pinzamientos
que se pudieran producir durante el
montaje, se pueden solucionar
calentando la tubería a un máximo
de 133 °C.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
El efecto de memoria de las tuberías
PE-Xa es el propiedad del material
que permite la técnica de unión
Quick & Easy exclusiva de Uponor.
En este sistema, la tubería PE-Xa se
expande mecánicamente con un
expandidor manual o a batería, a
continuación se inserta el racor o
accesorio y, debido al efecto de
memoria, el PE-Xa vuelve a recuperar
su forma original con la fuerza de
cierre necesaria y sin elementos adicionales sobre el racor, de manera
natural rápida y segura.
63
Las tuberías fabricadas en otros
materiales plásticos como PE 80 o
PE 100 deben instalarse siempre en
un lecho de arena, lo que constituye
un proceso laborioso y costoso. Por
el contrario, las tuberías fabricadas
en polietileno reticulado con peróxido PE-Xa son muy dúctiles, se
pueden someter a grandes esfuerzos
mecánicos e instalar sin necesidad
de un lecho de arena o grava conforme a la especificación DVGW W
400-2. El propio terreno excavado
análisis de resistencia a fluencia de
las tuberías en el FNCT (ensayo de
resistencia a fluencia por entalla).
Este ensayo, específico de materiales
plásticos, se mide la resistencia a la
tracción de una muestra de material
con una entalla o fisura. Para ello se
realizan entallas alrededor de una
muestra con una profundidad del
10% del espesor del material, y se
expone la muestra a una fuerza de
tracción dentro de un baño de agua
caliente, que simula la duración en el
tiempo.
se puede usar directamente para
el rellenado y la compactación, lo
que ahorra tiempo y dinero.
Cuando tuberías de plástico se
instalan sin lecho de arena, quedan
expuestas a esfuerzos mecánicos y
cargas puntuales. El esfuerzo de
cargas puntuales sobre la pared
exterior del tubo, p. ej. debido a
piedras y otros cuerpos, y el esfuerzo
tangencial de la tubería debido a la
presión interna, actúan a la vez
sobre la pared de la tubería. Como
se puede ver en la figura nº1 , las
acción de ambas fuerzas se suma
en la pared interna de la tubería.
En las tuberías de polietileno no
reticulado, el resultado es la aparición de concentradores de tensiones que derivan en la aparición
Se mide entonces el tiempo transcurrido
hasta que se forma una grieta producida por la entalla, se propaga la
grieta y finalmente estalla la tubería.
La comprobación de las tuberías
Uponor PE-Xa a una temperatura de
Formación de grietas en tuberías de PE no reticulado
1
Tensión tangencial causada
por la presión interna
Instalación de tuberías PE-Xa directamente,
sin lecho de arena
El PE-Xa de Uponor para
geotermia obtiene los mejores
resultados en las cuatro pruebas más importantes:
Propagación lenta de
grietas: Prueba concluida sin
resultados (al cabo de 14,300 h)
Propagación rápida de
grietas: La prueba S4 no
puso de manifiesto ninguna
propagación de grietas
Resistencia a la fluencia:
Un tiempo real de prueba de
30 años da lugar a una vida
útil de más de 100 años
Rendimiento en caso de exposición a una carga puntual:
Ningún efecto, aprobado
para instalación sin lecho
de arena conforme a DVGW
W400-2
64
2
pi
+
Ft
2
Resultado:
Propagación de las grietas
del interior al exterior como
causa típica del daño en las
tuberías de polietileno no
reticulado convencionales
3
Suelo
1
Ft
Esfuerzo de fibras exterior
causado por cargas puntuales
pi
Fr
=
Suma de las fuerzas en la F + F
r t
pared interna de la tubería
Fr
Carga puntual
Ft+ Fr
de grietas en la pared de la tubería, y
se propagan hasta el exterior con el
paso del tiempo. Provocando, por
consiguiente, la rotura del material.
El material de las tuberías de geotermia
Uponor PE-Xa no se ve afectado por
el fenómeno de propagación de grietas
gracias a su alto grado de reticulación. Esta ventaja decisiva del
material se ha confirmado en pruebas
independientes (S4, Notch, FNCTest).
A la hora de seleccionar materiales
plásticos para aplicaciones de
geotermia se debe considerar el
Pared de la tubería
FNCT – σ = 4 N/mm · tiempo de fluencia a υ = 80 °C
80,000
Extrapolado a 80 °C
70,000
PE-Xa
60,000
50,000
40,000
30,000
Prueba a 95 ºC concluida
sin estallido
20,000
Estallido
10,000
Estallido
PE 80
PE 100
PE-Xa
0
h
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
95 °C se dio por concluida al cabo
de 14.300 horas sin daños. Extrapolando a la temperatura de prueba de
80 °C, temperatura de ensayo para
el PE sin reticulación, esto da lugar a
una resistencia a fluencia de más de
70.000 horas, un valor muy superior
al rendimiento de los materiales de
PE no reticulado más avanzados.
Debido a esta alta resistencia a
esfuerzos mecánicos y resistencia a
propagación de grietas, las tuberías
Uponor PE-Xa son especialmente
adecuadas para la geotermia:
En el proceso de instalación de sondas geotérmicas o captadores verticales, es frecuente que se produzca
contacto e impactos entre la sonda y
la entrada y paredes de la perforación.
Es bastante habitual que se produzcan fisuras y cortes en el material de
la sonda geotérmica por la presencia
de elementos metálicos en la entrada
de la perforación y/o filos de piedras
cortantes en las paredes del pozo.
Además de la resistencia a la propagación de grietas, el tubo de geotermia Uponor PE-Xa es capaz de recuperar su forma original tras una elongación que se pueda producir en los
trabajos de instalación de la sonda en
la perforación.
En el caso de los pilotes termoactivos, puede producirse un esfuerzos
mecánicos y entallas por filos cortantes al fijar las tuberías a la armadura de acero. Igualmente el material
del captador geotérmico puede sufrir
daños en los trabajos de introducir la
armadura en el pozo del pilote y
durante el hormigonado. El exclusivo
material para geotermia Uponor PEXa, gracias a sus propiedades de:
resistencia mécanica, resistencia tér-
mica, memoria elástica y térmica y
resistencia al fenómeno de propagación lenta de grietas, representa la
opción más segura y fiable para
cualquier instalación de captación
geotérmica.
La base de un sistema de climatización alimentado por geotermia son
los captadores geotérmicos. Aunque
los captadores son el elemento base
del sistema, en el presupuesto de
toda la partida de geotermia (incluida la bomba de calor) habitualmente
los captadores suelen representar
como máximo el 5%. Por tanto, siendo el componente clave del sistema
es conveniente elegir las sondas
geotérmicas y captadores más seguros y fiables, con la ventaja de que
económicamente no va a tener gran
repercusión en el conjunto de la
obra.
Quick & Easy
Las tuberías Uponor PE-Xa (reticuladas
a alta presión según el método de
Engel) se caracterizan por tener
memoria elástica y térmica. Por tanto,
podemos aprovechar esta capacidad
para utilizar la tecnología de unión
Quick & Easy. Si una tubería Uponor
PE-Xa se expande mecánicamente
(sin calor) con una herramienta adecuada, el material recuperará su forma
original en un breve periodo de
tiempo. Aprovechando este efecto
memoria el material se une a los
accesorios y racores Quick & Easy
obteniendo una unión natural y
“viva” en el tiempo, es decir, el
material del tubo siempre tiene tendencia a unirse con el accesorio
debido a su efecto memoria. Por
consiguiente, la unión Quick & Easy,
a diferencia del resto de uniones
existentes en el mercado, es más
segura a lo largo del tiempo que
cualquier otro sistema. Con esta tecnología de unión el material de la
tubería se convierte en un cierre
estanco, se une con la fuerza adecuada
y la forma adecuada al racor Quick &
Easy, obteniendo una conexión natural y segura al 100% de la tubería de
unión sin necesidad de juntas
tóricas. La resistencia de la unión
Quick & Easy es superior a la resistencia de la propia tubería. El proceso
de ejecución de la unión es rápido y
sencillo. En primer lugar se coloca el
anillo de montaje en el extremo de la
tubería para luego expandir el tubo
junto con el anillo mediante una sencilla herramienta similar a un taladro
de batería. Se acoplan distintos
cabezales de dilatación según el
diámetro de tubería Uponor PE-Xa
con el que estemos trabajando.
U P O N O R G E OT E R M I A I N F O R M A C I Ó N T É C N I C A 1 1 / 2 0 1 3
Antes de que el extremo de la tubería
empiece a recuperar su forma original,
se inserta el racor Uponor Quick &
Easy. Ya al cabo de unos segundos,
la tubería comienza a recuperar su
tamaño original, produciendo una
unión natural, estanca, resistente y
totalmente segura. Dependiendo de
la temperatura ambiente de trabajo,
poco después de la ejecución de las
uniones se puede efectuar ya normalmente una prueba de presión y
estanqueidad.
Para aplicaciones de geotermia se
encuentra disponible la gama de
racores Uponor Quick & Easy fabricados en PPSU. La polifenilsulfona
(PPSU) es un material plástico de
alto rendimiento que destaca por su
gran resistencia mecánica y resistencia a la temperatura.
65
Introducir el anillo
Expansión de la tubería y el anillo
Inserción en el accesorio Quick&Easy
Planificación de proyectos
Organización de proyectos
Implementación de proyectos
Las tareas de planificación en los
proyectos de geotermia se pueden
dividir en dos áreas la planificación
llamada TBA que concierne el sistema
de captación geotérmica, mientras
que la planificación TGA incluye las
instalaciones técnicas y de servicio
del edificio.
A continuación se muestra el proceso
de planificación, que incluye el contenido y la asignación de tareas
para la planificación del sistema de
geotermia y la planificación de las
instalaciones técnicas del edificio,
con el fin de ofrecer un resumen de
las tareas necesarias y proporcionar
al técnico una guía para el orden de
ejecución de estas tareas. Este plan
facilita además la comunicación
entre el cliente y los distintos técnicos especializados, así como la
supervisión de la finalización de las
tareas.
Pasos de planificación
1.
Definición de los aspectos básicos
2.
Planificación preliminar
3.
Ingeniería del diseño
4.
Planificación de la aprovación
5.
Planificación de la ejecución
6.
Preparación de la oferta
7.
Colaboración en el proceso de licitación
8.
Supervisión del lugar de la obra
9.
Mantenimiento del objeto, documentación
Esquema de planificación, Fuente: Manja Gust, HGN Hydrologie GmbH,
Niederlassung Magdeburg, 2008
66
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67
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Concepto y
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Edificios
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Madrid
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T
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+34 91 685 36 00
+34 902 100 240
+34 91 647 32 45
[email protected]
1059495 – 11/2013 ME – Sujeto a cambios
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Madrid
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