manual técnico del uso del terreno en aplicaciones de geotermia de

MANUAL TÉCNICO DEL USO DEL TERRENO EN APLICACIONES DE GEOTERMIA DE BAJA TEMPERATURA

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Abril de 2015

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2Pág.

Ìndice

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GeotermiaGLOSARIO DE TÉRMINOS

Introducción a. Problemática

CAPÍTULO 1. Generalidades y campo de aplicación A. Objeto B. Contenido C. Metodología del estudio a. Límites

CAPÍTULO 2. Sistemas de bomba de calor geotérmica y ahorro energético D. Conceptos teóricos a. Bomba de calor b. Modelo matemático E. Situación actual de la geotermia de uso directo

CAPÍTULO 3. Potencial geotérmico en Guayaquil F. Gradiente geotérmico y propiedades del terreno G. Emplazamiento óptimo

CAPÍTULO 4. Diseño y dimensionado del sistema de intercambio de calor geotérmico H. Cálculo de cargas térmicas I. Estimación de temperaturas y caudales a. Tipos de sumideros de calor

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04

0708

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3Pág.

Ìndice

www.iner.gob.ec

J. Desempeño de una bomba de calor a. Bomba de calor agua-aire b. Bomba de calor agua-agua K. Calculo de la longitud de intercambio L. Cálculo del potencial de ahorro energético a. Rentabilidad de la inversión

CAPÍTULO 5. Montaje de la instalación M. Perforaciones N. Instalación de la tubería O. Otros elementos del circuito

CAPÍTULO 6. Puesta en marcha y mantenimiento P. Puesta en marcha Q. Mantenimiento

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

APÉNDICES

Pág.

353739404546

52

474849

5453

55

56

57

Autores:Guillermo Soriano, ESPOLRuben Villanueva, INER-ESPOLInmaculada González, INER



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Índice

4Pág.www.iner.gob.ec

AislanteDicho de un material: Que impide la transmisión del calor, la electricidad, el sonido, etc.

ASHRAELa sociedad técnica de los Estados Unidos de América dedicada a mejorar la calidad de vida a través de los avances tecnológicos relacionados a la calefacción, refrigeración, aire acondi-cionado y ventilación.

ASTMOrganismo de normalización de los Estados Unidos de América.

BombaMáquina o artefacto para elevar el agua u otro líquido y darle impulso en una dirección deter-minada.

Bomba de calorCircuito frigorífico de ciclo reversible, que se utiliza para refrigeración y calefacción.

Caída de presiónDiferencia de presión total entre dos puntos de una instalación causada normalmente por la resis-tencia por fricción del flujo en un conducto o componente.

CavitaciónFormación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones que este experimenta en su presión.

CondensadorCambiador de calor en el que el fluido frío permite llevar al otro de su fase gas a su fase líquida.

Eficiencia energéticaConjunto de programas y estrategias para reducir la energía que emplean determinados disposi-tivos y sistemas sin que se vea afectada la calidad de los servicios suministrados.

Glosario de términos

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Índice


EvaporadorUnidad de equipo para la concentración de disoluciones por evaporación de uno o varios componentes más volátiles, que puede realizarse por aportación de calor o por disminución de la presión.

Fuente de calorToda región que cede calor.

Grado díaUnidad de calor que representa un grado de temperatura que en un día dado la temperatura media sobrepasa una temperatura umbral.

HVACSiglas de “heating, ventilation and air conditioning”.

Intercambiador de calorAparato diseñado para transferencia de calor entre dos fluidos o medios a diferente temperatura y, normalmente, separados por una barrera física.

Longitud efectivaDimensión en la que un conducto recto contribuye a la longitud de una instalación de distribución de un fluido.

Longitud equivalenteLongitud de un tramo recto de tubería o de conducto, que origina la misma pérdida de carga que el o los componentes considerados.

RefrigeranteSustancia que, por sus características, permite evacuar calor de un sistema mediante su propio calentamiento o enfriamiento.

Sumidero de calorDepósito o foco que absorbe energía en forma de calor.

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TermostatoAparato que sirve para mantener automáticamente una determinada temperatura.

Tubería en USección de tubería enterrada verticalmente donde el agua baja hasta la máxima profundidad por una tubería y sube por otro tramo de tubería hasta la superficie mediante un codo en forma de U en el extremo inferior.

VálvulaMecanismo que regula el flujo de la comunicación entre dos partes de una máquina o sistema.

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El Gobierno de la República del Ecuador, en el marco de las políticas de Cambio de la Matriz Productiva y del Plan Nacional del Buen Vivir, promueve el uso de las energías renovables y de la eficiencia energética en el marco de la Constitución, donde se indica que se deben fo-mentar las prácticas ambientalmente limpias, di-versificadas y de bajo impacto que no pongan en peligro la soberanía alimentaria, el equilibrio ecológico ni el derecho al agua.

El presente documento surge del proyecto de investigación “Estudio para uso de suelo como

sumidero de calor para el reemplazo de torres de enfriamiento/enfriadores evaporativos”, finan-ciado por la Secretaría Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación, SE-NESCYT, y ejecutado mediante convenio sus-crito entre el Instituto Nacional de Eficiencia Energética y Energías Renovables, entidad adscrita al Ministerio de Electricidad y Energía Renovable del Ecuador, y la Escuela Superior Politécnica del Litoral de Guayaquil como método para promover la eficiencia energética y el uso de energías renovables diversificadas..

Introducción

www.caritasecuador.org


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http://www.educacionsuperior.gob.ec/

http://www.espol.edu.ec/

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Índice


La ciudad de Santiago de Guayaquil se sitúa en la costa litoral de la República del Ecuador a unos 20 km de la aguas arriba de la desem-bocadura del río Guayas. Posee una población de 2´350.915 siendo la ciudad más poblada del país [1]. Ubicada en la costa del Pacífico, posee un clima tropical, y es conocida como la Perla del Pacífico. La ciudad de Guayaquil ocupa una extensión de 345 km² de superficie de los cuales 316 km² pertenecen a la tierra firme (suelo) y los restantes 29 km² pertenecen a los cuerpos de agua (ríos y esteros). La ciudad se encuentra situada en la cuenca baja del río Guayas, que nace en las provincias de Pichin-cha y Cotopaxi, el este de la ciudad está a orillas del río Guayas, a unos 20 kilómetros de su

desembocadura en el Océano Pacífico, mien-tras está rodeada por el Estero Salado en su parte suroccidental y el inicio de la cordillera Chongón-Colonche, una cadena de montañas de media altitud.

Debido a su latitud de 2º10’ S tiene un clima húmedo y con temperaturas altas durante el día gran parte del año, si bien las temperaturas se ven moderadas en el invierno austral gracias a las corrientes marítimas más frías. La temperatura media es de 23°C a 33°C. El clima seco-tropical en el cual predomina el ciclo seco, y las preci-pitaciones ocurren por lo general en los meses de Febrero y Marzo.

a. Problemática

www.skyscrapercity.com

Figura 1: Temperaturas en el aeropuerto de Guayaquil. Promedio 1990-2013 [2].

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Santiago de Guayaquil es una de las ciudades más importantes del Ecuador, no solo por ser la más grande y poblada del país, sino también por ser un importante centro industrial y de co-mercio.

Debido a la gran cantidad de edificios e indus-trias es necesario el uso del agua como medio de transferencia, para el rechazo de calor de

los sistemas de refrigeración y procesos indus-triales, mediante torres de enfriamiento.

Se estima que en el mix energético de Ecuador, cada kWh generado equivale a una emisión de 289.64 g CO₂/kWh (2009) [3], de forma que es posible calcular la cantidad de CO₂ que se ahorra con una instalación de bomba de calor geotérmica.

daprose.net

Figura 2: Evolución del consumo y las emisiones en la República del Ecuador [4].

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A. ObjetoB. ContenidoC. Metodología del estudio

CAPÍTULO 1. Generalidades y campo de aplicación

INER

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El objeto de esta guía es fijar las condiciones técnicas mínimas para el diseño y funcionamien-to de un sistema de climatización por bombas de calor geotérmica. Si bien existen multitud de variantes, se hace énfasis en los de tipo vertical por ser los más aptos para disipar una elevada cantidad de energía térmica.

A efectos de la aplicación de este manual, se considerará como instalación geotérmica de baja temperatura, a las instalaciones fijas de cli-matización destinadas a atender al bienestar

térmico de las personas o al mantenimiento de una temperatura en el interior de los edificios.

Estas instalaciones intercambian calor con el te-rreno mediante un flujo caloportador en circuito cerrado. El terreno utilizado para estas instala-ciones no tiene suficientes recursos geotérmicos para producir energía eléctrica mediante el aprovechamiento del vapor de agua por ser una zona relativamente superficial y encontrarse a una temperatura inferior a 50 ºC.

A. Objeto

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Con el fin de facilitar su comprensión y utiliza-ción, este manual se ordena en los siguientes capítulos:

El Capítulo 1 contiene las generalidades so-bre la utilización y contenido de esta guía, la problemática de la refrigeración de edificios y un resumen de la metodología en base a la cual se ha realizado la investigación.

El Capítulo 2 hace referencia a las bombas de calor en su aplicación como forma de climatizar un edificio y en especial las de tipo geotérmico, además de mostrar un desarrollo teórico básico.

El Capítulo 3 muestra el potencial geotérmico de la ciudad de Guayaquil en base a los datos recogidos.

El Capítulo 4 contiene los pasos para el cál-culo de una instalación geotérmica por sumide-ro de calor vertical aplicable a un clima cálido

El Capítulo 5 es una guía para perforación y colocación de la tubería enterrada y los ele-mentos necesarios para el funcionamiento de la instalación.

El Capítulo 6 da unos consejos básicos de operación y mantenimiento, aplicables a cual-quier tipo de instalación similar.

Se completa con las referencias bibliográficas, varios anexos útiles para la fase de diseño y cálculo.

B. Contenido

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Se han realizado mediciones del consumo ener-gético y del funcionamiento de una torre de en-friamiento real con el fin de servir de punto de partida para el diseño de un sistema alternativo que ofrezca la misma capacidad de refrigera-ción pero con mayor eficiencia energética y un menor impacto medio ambiental.

Para el correcto funcionamiento del sistema de enfriamiento geotérmico es necesario el cono-cimiento de las características térmicas del te-rreno, por lo que se han realizado varias per-foraciones en la ciudad de Guayaquil para su

medición. Una vez conocidos los permisos ad-ministrativos necesarios para las obras, se con-sultaron los mapas geológicos disponibles para estimar en un primer momento las ubicaciones más idóneas. La distribución de las perforacio-nes por toda la ciudad se determinó fundamen-talmente por las características litológicas y la cercanía al nivel freático de cada punto.

Las coordenadas obtenidas por el GPS “Gar-min, modelo Oregón 550”, de cada uno de los puntos estudiados se exponen en la siguiente tabla:

C. Metodología del estudio

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PerforaciónFecha

de inicioAmbiente

sedimentarioCoordenada

XCoordenada

yProfundidad

(m)Denominación

P-1

P-3

P-4P-5

P-7P-8

P-2

P-6

P-9

P-10

Espol

Base Naval Norte

Centro Cívico

Astinave

Esclusa

Base Naval Sur

UniversidadGuayaquil

Hospital Teodoro Maldonado Carbo

Central Eléctrica. Trinitaria

Policía Militar del suburbio

20/12/2013

31/01/2014

25/11/2013

27/11/2013

07/02/2014

27/01/2014

06/02/2014

17/12/2013

06/12/2013

11/12/2013

F. Cayo

Depósito aluvial

Depósito estuario

Depósito estuario

Depósito estuario

Depósito estuario

Depósito estuario

Depósito estuario

Depósito estuario

Depósito estuario

0615971

0624700

0622853

0623914

0622410

0621493

0625682

0622391

0621337

0617762

9761947

9761136

9755713

9754883

9753066

9749474

9749741

9753074

9751066

9754724

60

60

50

50

60

60

60

60

50

60

Tabla 1: Localización de las zonas de perforación.

Pág.

Índice


Las perforaciones tienen una profundidad de H=50 m y 60 m y un diámetro de D=113 mm. Para el relleno se ha elegido una lechada de cemento, que debe asegurar la estanqueidad del sistema de tuberías a la vez que protegerlas del entorno. La conductividad teórica de la le-chada y de la tubería es baja por el tipo de ma-teriales que se usan, sin embargo la gran super-

ficie disponible facilita la transferencia de calor.

Se realizaron 9 ensayos de 48 horas cada uno, durante las pruebas hubo un registro cada 2 minutos de las temperaturas de entrada y salida del fluido, velocidad de flujo de la bomba y la potencia de calor trasferido al agua de circu-lación.

www.rehau.com

Figura 3: Evolución de las temperaturas durante las pruebas.

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Para conocer las propiedades térmicas del te-rreno, lo más común es ver cómo reacciona la temperatura del terreno ante la introducción de calor, estas pruebas se conocen como “Thermal Response Test” o TRT. Se basan en el calenta-miento del terreno mediante un tubo en U por el que se hace circular un fluido en circuito cerra-do, normalmente agua, y se miden las tempera-turas de entrada y salida a lo largo del tiempo.

En primer lugar es necesario determinar la tem-peratura a la que se encuentra el terreno sin perturbar, para lo cual se introduce agua sin calentar y se va midiendo la temperatura de salida hasta que esta no sufra variaciones. Aun-que este método en efecto introduce cierta perturbación en la temperatura.

fervocamp.wordpress.com

Figura 4: Test de respuesta térmica

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Los ensayos de laboratorio para la identifica-ción de las muestras extraídas en las perfo-raciones han sido: el contenido en humedad (según norma UNE 103300:94), determina-ción del límite líquido (según UNE 103103:94), determinación del límite plástico (según UNE 103104:93), análisis granulométrico (según nor-ma UNE 103101:95) y densidad de los sólidos (según ASTMD 854). Una vez recopilados los resultados de los ensayos anteriormente nom-brados se procede a clasificarlos mediante la ASTMD 2487-69.

Los análisis realizados por el Laboratorio de ensayos metrológicos y de materiales “Lemat” han sido la determinación de la composición mineralógica cristalina por medio del ensayo de difractometria (XRD), determinación de la composición de los cristales amorfos por medio del ensayo de Espectroscopia (FIT-IR), determi-nación del porcentaje de minerales extraños, % materia orgánica por medio del Calorimetría diferencial (DSC) y determinación del conteni-do de fibra de materiales compuestos mediante Termogravimetria (TGA).

El ensayo del contenido de humedad deter-mina el porcentaje de agua que existe en la muestra, el límite líquido el porcentaje de agua que separa el estado semilíquido del estado

plástico; el límite plástico la cantidad de agua que separa el estado plástico del estado se-misólido; el análisis granulométrico determina el porcentaje de partículas de diferente tamaño existentes y la densidad de sólidos el cociente entre la masa y el volumen.

La determinación de la composición mineraló-gica cristalina se determina por medio del en-sayo de difractometria (XRD), la determinación de la composición de los cristales amorfos por medio del ensayo de espectroscopia (FIT-IR), la determinación del porcentaje de minerales extraños, porcentaje materia orgánica por me-dio del calorimetría diferencial (DSC) y la deter-minación del contenido de fibra de materiales compuestos mediante termogravimetria (TGA).

Con los datos obtenidos de la identificación de suelos se procede a clasificar las muestras según la norma ASTMD 2487-69.

Durante la realización de las perforaciones se localizó el nivel freático en todas las perfora-ciones excepto en la P-1 (Espol). La profundi-dad del nivel freático se midió mediante una sonda piezométrica, encontrándose entre 0.70 m (en P-3, Base naval Norte) y 2.00 m (en P-8, Base naval Sur).

oceanoestelar.blogspot.com

Pág.

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El proceso de toma de datos in situ está limita-do a la ciudad de Guayaquil, donde se han realizado 10 perforaciones a fin de estimar las propiedades térmicas del terreno. Por razones prácticas sólo se puede perforar en determina-

dos lugares ya que puede haber impedimentos de tipo administrativo, logístico o de seguridad. La duración de las pruebas puede estar limita-da por los mismo motivos, y de ella depende los resultados obtenidos.

a. Límites

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D. Conceptos teóricosE. Situación actual de la geotermia de uso directo

CAPÍTULO 2. Sistemas de bomba de calor geotérmica y ahorro energético

energiayconfort.com

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Una bomba de calor es una máquina térmica que transfiere calor de un foco frío a otro calien-te mediante el uso de energía exterior, normal-mente por un motor eléctrico, que hace mover un fluido en circuito cerrado que es el encarga-do del transporte del calor por cambios en su temperatura. Su utilización vendrá condiciona-da por el precio de los combustibles fósiles y de la energía eléctrica, ya que es una alternativa más económica en su funcionamiento pero con costes iniciales relativamente altos comparada con otros tipos de tecnologías.

Consta de un evaporador en el foco frío, el cual se encarga de absorber calor, y un con-densador en el foco caliente, que se encar-ga de cederlo; tanto el evaporador como el condensador son intercambiadores de calor entre los focos de temperatura y el fluido calo-portador. Para que los intercambios de calor se

puedan realizar, es condición necesaria que el fluido este a una temperatura menor que la del foco frío en el evaporador y a una temperatura mayor que el foco caliente en el condensador, esto se logra mediante los cambios de presión que tienen lugar en el compresor y la válvula de expansión.

El movimiento de este fluido a lo largo del circui-to normalmente es responsabilidad de un mo-tor eléctrico que mueve el fluido mediante un compresor, de forma que en el condensador la presión es siempre mayor que en el evapora-dor. Este fluido puede ser un gas o bien una sustancia que realice un cambio de fase en su recorrido por el circuito, de forma que se pueda aprovechar la alta entalpia (energía interna) de cambio de fase que presentan los fluidos para mejorar la absorción y cesión de calor.

D. Conceptos teóricos a. Bomba de calor

energiayconfort.com

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La bomba de calor puede ser usada en for-ma inversa de manera que el evaporador y el condensador pueden intercambiar su función mediante una válvula que invierte el sentido de circulación del fluido. Esto es especialmente útil

cuando las necesidades de climatización de un espacio cambien estacionalmente, siendo necesario calentar y enfriar en distintas épocas del año.

INER

Figura 5: Esquema de una bomba de calor geotérmica.

QcF

Q

W M

Q

Q

Pág.

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Los principios teóricos de funcionamiento de una bomba de calor fueron establecidos por Sadi Carnot en el siglo XIX. El desarrollo un ciclo mediante el cual se transfiere calor de un foco frío a uno caliente mediante una sucesión de etapas [5]:

1-2 → compresión isoentrópica.2-3 → transferencia de calor en el condensa-dor al foco caliente.3-4 → estrangulamiento isoentrópico hasta la presión del evaporador.

4-1 → transferencia de calor desde el foco frío.

Sin embargo, un proceso real introduce ciertas irreversibilidades que imposibilitan los procesos isoentrópicos. Además el fluido de trabajo se suele llevar hasta la fase de vapor saturado para mejorar el trabajo del compresor al no ha-ber gotas suspendidas. El calor transferido ha-cia o desde el fluido tiene que ver con el tipo de fluido, el caudal másico y el incremento o decremento de su temperatura:

b. Modelo matemático

INER

Figura 6: Diagrama T-s de un ciclo de compresión de vapor.

Tcondensador

Tevaporador

Qevaporador

Qcondensador

Líquido

Vapor3

41

S

T2

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El rendimiento máximo de cualquier bomba de calor en un ciclo de Carnot ideal corresponde a un ciclo reversible, y depende de las temperaturas de los focos frío y caliente. Para el caso de enfriamiento el rendimiento mejora al bajar la temperatura del foco caliente, esto se debe a que baja la demanda en ambos casos.

Siendo TC y TF las temperaturas de los focos caliente y frío.

Aproximadamente por debajo de una temperatura de foco frío de 0ºC el rendimiento de la má-quina de calor es demasiado bajo, y en el caso de servir para realizar el calentamiento de agua puede ser más ventajoso el empleo del efecto joule [6].

Sin embargo, un ciclo real tiene irreversibilidades en su funcionamiento que hacen aumentar la entropía y por tanto hacen necesario un aumento de la energía externa suministrada al ciclo. De forma que el rendimiento real (llamado COP) para el caso de que el efecto útil sea el de calen-tamiento o enfriamiento es respetivamente:

Siendo h la entalpía en cada estado.El calor proporcionado al foco caliente será:

INER

Pág.

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Siendo la energía proporcionada por el compresor para mover el fluido.

Se puede calcular los balances de energía y exergía mediante [7]; [8] y [9]:

Donde:

Qk: Es la potencia calorífica a través del con-torno a la temperatura

T0: Temperatura de entrada de calor

Tk: Temperatura de salida de calor

W: es el trabajo

Ψ: es el flujo de exergía

h: la entalpia

s: la entropía

I: la destrución de exergía, y;

0: indica que las propiedades se han de medir en el estado muerto.

El análisis exergético puede ayudar a identificar componentes ineficientes, mientras que el análi-sis energético es útil para estimar el consumo de

recursos y sus costos. Estos balances se pueden aplicar a cada elemento de la bomba de ca-lor.

INER

Pág.

Índice


La energía geotérmica de uso directo se usa en muchos países para aplicaciones domésticas e industriales como calentamiento o enfriamiento de espacios, cultivo en invernaderos, acuacultu-ra, secado de productos agrícolas, etc. A fecha de 2009 se estima que el uso de este tipo de energía a nivel mundial fue de 438 Peta Joules con unas 2.9 millones de unidades instaladas, siendo los países que hacen mayor uso de este

tipo de instalaciones China, Estados Unidos, Suecia, Turquía, Japón, Noruega, Islandia, Fran-cia, Alemania y Países Bajos. Así mismo se estima que entre 2010 y 2020 la potencia instalada de tipo geotérmica para uso directo se triplique en todo el mundo [4], a ello contribuye el cada vez mayor número de fabricantes y de produc-tos en el mercado junto con una mayor difusión y conocimiento de este tipo de tecnología.

E. Situación actual de la geotermia de uso directo

the rik pics

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F. Gradiente geotérmico y propiedades del terrenoG. Emplazamiento óptimo

CAPÍTULO 3. Potencial geotérmico en Guayaquil

the rik pics

Pág.

Índice


Las capas superficiales del terreno varían su temperatura a lo largo del año debido funda-mentalmente al calentamiento provocado por la radicación solar. Sin embargo el terreno po-see una gran inercia térmica, lo que hace que su temperatura a cierta profundidad se mantenga

casi constante a lo largo del año con indepen-dencia de las condiciones ambientales exterio-res, de tal forma que se puede considerar que a unos 5 metros de profundidad la temperatura no varía a lo largo del día, y a partir de 10 me-tros se mantiene constante durante todo el año.

A partir de 100 metros de profundidad se de-bería tener en cuenta el gradiente geotérmico de la Tierra, que se estima en unos 15-30 ºC/km, provocado por el calor que se transmite desde

los materiales fundidos del núcleo. Por ese moti-vo la mayoría de instalaciones geotérmicas de baja entalpía no suelen profundizar más allá de 80 metros.

F. Gradiente geotérmico y propiedades del terreno.

www.dicyt.com

Figura 7: Variación estacional de la temperatura en caliza a varias profundidades [10].

Pág.

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Las propiedades térmicas del terreno son im-portantes para la estimación del potencial de utilización de un sumidero de calor. Estas pro-piedades dependerán de su composición mi-neral, su compactación, la presencia de agua

subterránea o la radiación solar absorbida en-tre otros. De todas sus propiedades las más im-portantes son la temperatura, la conductividad y la difusividad, que serán necesarias conocer para realizar los cálculos del diseño.

INER

ESTERO ALUVIAL ROCA

MáximoMínimoMedia

(W/mK)

R

0.524

0.080

0.267

(mK/W)

R

0.469

0.180

0.324

(mK/W)

R

0.421

0.230

0.326

(W/mK)

K

1.312

0.782

1.069

(W/mK)

K

1.020

1.008

1.014

(W/mK)

K

1.674

1.670

1.672

(m²/día)

a

0.144

0.017

0.049

(m²/día)

a

0.075

0.053

0.064

(m²/día)

a

0.386

0.094

0.240

Tabla 2: Valores promedio de propiedades del terreno medidas.

Pág.

Índice


La temperatura es un valor fundamental para establecer la longitud de la tubería enterrada necesaria ya que una menor temperatura im-plica una mejor transferencia de calor. Si bien la temperatura varía con la profundidad, se ha de tomar un valor medio a lo largo de todo el tramo vertical de las tuberías, lo que se puede conseguir haciendo circular agua por una tu-bería vertical en U y tomando su valor medio al cabo del tiempo.

La conductividad es la capacidad que tiene el terreno para disipar el calor por conducción, siendo esta una propiedad interesante para las instalaciones que necesiten funcionar duran-te muchas horas al día, de forma que el calor no se concentre entorno al sumidero de calor y la temperatura se eleve reduciendo la capaci-

dad de enfriamiento.

La difusividad es la relación entre la conduc-tividad y el producto de la densidad por la capacidad calorífica. Representa la velocidad con que la temperatura puede aumentar en un sólido. Valores altos indican un gran aumento de temperatura y pueden ser interesantes para sumideros que deban funcionar durante muchas horas al día. Los valores bajos, sin embargo, pueden mejorar el desempeño de un sumidero típico ya que la temperatura se ve afectada en menor valor por el bombeo de agua caliente.Se ha comprobado experimentalmente que una masa de agua próxima mejora considera-blemente la transmisión de calor y evita un au-mento excesivo de la temperatura del terreno.

G. Emplazamiento óptimo

INER

Pág.

Índice


H. Cálculo de cargas térmicasI. Estimación de temperaturas y caudalesJ. Desempeño de una bomba de calorK. Cálculo de la longitud de intercambioL. Cálculo del potencial de ahorro energéticoM. Rentabilidad de la inversión

CAPÍTULO 4. Diseño y dimensionado del sistema de inter-cambio de calor geotérmico de calor geotérmico

INER

Pág.

Índice


La carga térmica está condicionada por las ganancias o pérdidas de calor a través de los cerramientos y huecos de un edificio, esto inclu-ye la fachada, la solera, el tejado, las puertas y ventanas. En el caso de las ganancias, estas pueden ser en forma de calor sensible, normal-mente producto de la radiación solar, o por la transmisión de calor desde el ambiente exterior, lo que se traduce en un aumento de la tempe-ratura, o en calor latente, lo que hace aumentar la humedad ambiental del interior del edificio por la entrada y filtración de aire exterior con mayor contenido de vapor de agua. También hay que tener muy en cuenta el calor, tanto sensible como latente, que se puede generar desde el interior del edificio, como por el uso de iluminación, maquinaria o por la presencia de personas.

Un mejor aislamiento del edificio reduce consi-derablemente la carga térmica, lo que econó-micamente es rentable tener en cuenta en la fase de diseño arquitectónico. Sin embargo es necesario considerar una renovación mínima y necesaria del aire a fin de mantener unas con-diciones higiénicas para los usuarios del edificio.Se puede usar cualquier método para el cál-culo de cargas, teniendo en cuenta también la duración de los periodos de cada una de las demandas que pueden ocurrir a lo largo del día, ya que demandas altas con periodos cor-

tos pueden ser cubiertas más fácilmente que demandas moderadas durante todo el día. Se puede hacer una división de las cargas a lo largo del día idealmente de forma horaria o al menos según los periodos: 8h-12h, 12h-16h, 16h-20h, 20h-8h [11].

Una bomba de calor que actúe en modo frío y calor a lo largo del año intercambiará ener-gía en la misma porción de terreno, ya que hará uso del mismo intercambiador de calor como condensador o como evaporador. Sin embar-go la potencia inyectada y extraída del terreno es diferente incluso para iguales necesidades de calentamiento y enfriamiento, como conse-cuencia de añadir o restar la potencia externa eléctrica del motor de la bomba. Esto hará que, para iguales periodos de uso en cada modo, el terreno reciba más calor y se caliente. Esta estimación es importante para saber la longitud de los tubos en U enterrados y la separación entre ellos.

Normalmente este tipo de cálculos se realizan con un software específico de los disponibles comercialmente, muchos de los cuales siguen la norma ASHRAE o ACCA Manual J. Para un cál-culo aproximado se puede tomar una carga de 175 Wh (600 BTU) por cada m2 de superficie útil, aunque no es recomendable proceder de esta forma.

H. Cálculo de cargas térmicas

INER

Pág.

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Una longitud de intercambiador corta hace ne-cesaria un aumento de la temperatura (conden-sador) para transmitir igual potencia, reducien-do la eficiencia, mientras que un intercambiador grande aumenta los costes. La temperatura re-comendable para el modo frío del fluido por el tubo en U es 11 o 19 ºC por encima de la temperatura del terreno, más próximo a la parte

superior de este rango para climas cálidos.

Un flujo alto aumenta la potencia calorífica y reduce el estrés térmico que deben soportar las tuberías del circuito, pero hace necesaria una bomba mayor con mayores gastos de funcio-namiento. En general se estima que el caudal apropiado es entre 2.7 y 3.2 Lpm/kW.

Las tuberías verticales suelen tener un diámetro entre ¾’’ y hasta un máximo de 1-¼’’ por razo-nes económicas. Las horizontales de distribución manejan mayores flujos y deben ser de mayor

diámetro, normalmente entre 1-¼’’ y 2’’, que de-penderá de la potencia total de la instalación.

I. Estimación de temperaturas y caudales

unionhispanoamericana.ning.com

Figura 8: Ejemplo de distribución para disipar 5 TRF.

1-¼’’

1-¼’’

1-¼’’ 1-¼’’ 1-¼’’ 1-¼’’

1-¼’’ 1-¼’’ ¾’’

¾’’

¾’’ ¾’’ ¾’’

¾’’ ¾’’

¾’’ ¾’’

¾’’ ¾’’

¾’’

3.6 gpm

18 gpm 14.4 gpm 10.8 gpm 7.2 gpm 3.6 gpm

3.6 gpm 3.6 gpm 3.6 gpm 3.6 gpm

Pág.

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Los sumideros de calor se pueden clasificar se-gún la distribución del intercambiador de tube-rías enterrado en verticales y horizontales. Los su-mideros horizontales tienen una menor inversión inicial al requerir menos uso de maquinaria, pero por el contrario ocupan una gran área entorno al edificio. A su vez, ambos tipos de orientacio-nes pueden tener una disposición de tuberías en serie o en paralelo, siendo la más habitual

la de tipo paralelo ya que distribuye el calor en el terreno de manera uniforme y normalmente esto hace que se optimice la longitud total del sumidero.

En la siguiente figura se representa una instala-ción de tres pozos verticales en paralelo. Esta es la tipología a la que se hace referencia en los cálculos posteriores.

a. Tipos de sumideros de calor

Eduardo Arias Rábanos

Figura 9: Sumidero vertical en paralelo

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Existen también sumideros verticales que apro-vechan la construcción de los cimientos de un edificio para la instalación de una tubería en los pilares del edificio, lo que economiza el es-pacio y es económicamente muy provechoso, pero hace necesario un buen diseño para evi-tar fugas en la red que serían muy difíciles o im-

posibles de reparar.

Los sumideros horizontales pueden ser de tu-bería simple, doble, slinky u otros tipos. Dada su gran variedad se recomienda el uso de un sof-tware específico de cálculo.

mbqresearch.com

Figura 10: Sumidero horizontal de tubería simple

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Existen otro tipo de sumideros que a pesar de no hacer uso directo del calor del suelo se deno-minan igualmente como geotérmicos. Por ejem-plo la captación de agua para su circulación por la bomba de calor e eliminación posterior.En la siguiente figura se aprovecha la menor temperatura de una masa de agua próxima para enfriar un edificio por intercambio de calor

a través de una tubería sumergida.

Estos sistemas son más problemáticos desde el punto de vista medioambiental por el peligro de contaminación de las aguas y el aumento de la temperatura que puede suponer un daño para la biología acuática.

lacasasostenible.com

Figura 11: Sumidero sumergido en circuito cerrado

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Las bombas de calor de menos de 14 kW sue-len ser las más eficientes, y su coste es menor si se usan de forma simple y no en sistemas mul-ti-zona.

La localización de la instalación sería la que mi-nimizara la longitud de las tuberías, si bien la ge-neración de ruido puede ser un factor limitante. Es posible también usar el espacio ocupado por un aire acondicionado clásico ya que el tamaño de la bomba de calor no es mucho más grande.

El tipo de edificio a climatizar por una bomba de calor a menudo condiciona la forma en la que se distribuyen las bombas de calor. Para edificios con varios pisos la distribución más adecuada es de tipo central ya que se minimi-za la longitud de las tuberías, pero es posible

que requiera el uso de un control variable de la velocidad. El tipo unitario es más adecuado para viviendas con pocos pisos. Finalmente, el tipo sub-central es adecuado para para dar servicio a zonas con gran diversidad y es un compromiso entre los dos otros tipos.

El funcionamiento de una bomba de calor con-siste en la circulación en circuito cerrado de un fluido caloportador que sucesivamente absor-be y cede calor en dos intercambiadores, de forma que el calor del foco frío es cedido al foco caliente.

A continuación se presenta el desarrollo mate-mático de cálculo en unidades anglosajonas e internacionales, con la notación representada en los siguientes esquemas:

J. Desempeño de una bomba de calor

Moris Arroes

Figura 12: Esquema de una bomba de calor en unidades anglosajonas e internacionales

HRGPM

EWT

LWTEAT;ELT

LAT;LLT

TCCFPM;GPM

DMDM

Te,f

Ts,f Te,c

Ts,c

MW

mf mc

Qf Qc

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Las ecuaciones básicas de una bomba de calor son:

Siendo EER el rendimiento térmico de la máquina.

www.enertres.com

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Este tipo de bomba de calor utiliza un fluido, que normalmente es agua, para realizar el intercam-bio de calor en el sumidero enterrado. Este fluido podría contener cierta cantidad de anticon-gelante en caso de ser usado en una región donde las temperaturas puedan bajar de 0 ºC en algún momento del año.

El enfriamiento en el interior del edificio se realiza mediante una corriente de aire que circula por la bomba de calor gracias a un ventilador y luego se distribuye por las diferentes estancias. Este tipo de bombas de calor en formato uni-zona no son aptas para grandes edificios debido a la ineficiencia del transporte de calor por corrientes de aire.

La temperatura de salida del aire (LAT) se puede calcular conociendo la temperatura de entrada (EAT), la potencia calorífica (SC) y el flujo de aire (CFPM). Estos datos normalmente son ofrecidos por el fabricante a través de manuales o guías técnicas.

La temperatura del agua de salida (LWT) se puede calcular en base a la de entrada (EWT), la potencia calorífica (HR) y el flujo de agua (GPM).

a. Bomba de calor agua-aire

geotermicapilosur.com

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Un ejemplo de tablas de desempeño de varias bombas de calor agua-aire se puede ver en los apéndices.

Los valores QF,SC,W y QC pueden necesitar ser corregidos según EAT,CFPM y AF si estos no corresponden con los nominales que figuran en

las tablas. Esto se hace sin más que multiplicar los valores QF,SC,W y QC por coeficientes de corrección y por tanto usar los nuevos datos QF,corr,SCcorr,Wcorr y QC,corr con las ecuaciones de cálculo anteriores obteniendo EERcorr, LATcorr y LWTcorr.

lacasasostenible.com

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Este tipo de bombas de calor utiliza un fluido, que normalmente es agua, en ambos focos térmicos. Esto hace mucho más eficiente la distribución de agua fría por un edificio de gran tamaño, pero obliga al uso de equipos secundarios para proporcionar aire frío en cada estancia de tipo ven-tiloconvector.

Las ecuaciones del lado del sumidero son idénticas que en el caso anterior. En la parte del edi-ficio, la temperatura del agua de salida (LLT) se calcula en base a la temperatura del agua de entrada (ELT), la potencia calorífica (TC) y el flujo de agua (GPM).

b. Bomba de calor agua-agua

www.archiexpo.es

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Para el cálculo de la longitud de tubería enterrada se puede emplear un método teórico basado en datos de las propiedades térmicas del terreno previamente conocidos [12]. Esta longitud está fuertemente determinada por la potencia calorífica y por las temperaturas admisibles del líquido caloportador.

La resistencia térmica del terreno se calcula mediante:

Donde:

kg :conductividad térmica en Btu/h∙ft∙ºFDb :diámetro en pies de la perforaciónDgo :diámetro en pies del terreno que se ve afectado por la transferencia de calor, al cual se le suele asignar un valor de 15 ft.

La resistencia térmica de las tuberías se calcula mediante:

Donde:

kp :conductividad térmica de las tuberíasDpo :diámetro externo en pulgadasDpi :diámetro interno.

K. Calculo de la longitud de intercambio

INER

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La resistencia térmica del relleno:

Donde:

kgrout : conductividad térmica del relleno.Finalmente, la longitud total de tuberías para el modo frío se obtiene mediante:

Donde:

EWTmax : temperatura máxima del agua de entradaLWTmax : temperatura máxima de salidaTG : temperatura del suelo sin perturbarFC : fracción de uso en modo frío (en este caso es 1) RB=RGrout+Rpp. Los valores EER hacen referencia a la eficiencia energética de la bomba de calor.

imanefri.blogspot.com

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Este valor de la longitud total debe ser corregido para tener en cuenta el calentamiento el terre-no como consecuencia de la transmisión de calor desde el agua caliente mediante el uso conti-nuado del sumidero. Para ello se calcula un factor de corrección NNAGL (normalized net annual ground energy load):

Teniendo este valor, se hace uso de los gráficos siguientes para obtener el coeficiente BM (multi-plicador de longitud de orificio, obtenido a partir de correlación gráfica con respecto a la carga de tierra anual neto normalizado), que determinará el incremento de la longitud de la tubería enterrada respecto a la temperatura del terreno sin perturbar. Cada gráfica corresponde a un valor de la conductividad térmica del terreno entorno a pozo, de tal forma que valores no consi-derados necesitarán de interpolación numérica.

Donde:AGLDH: energía total anual para calentamiento en Btu (para un clima cálido es 0)AGLDC: energía total anual para enfriamiento en Btu.

static.habitissimo.es

Leyenda

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Se selecciona la curva según el número de filas y la separación entre perforaciones.

www.skyscrapercity.com

21,95

1,75

1,65

1,55

1,45

1,35

1,25

1,15

1,05

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

10 500 1000 1500 2000 2500 3000

NNAGL (Btu/ft ºF)

kG=1.3 Btu/h ft ºF

B M

3500 4000 4500 5000 5500 6000 70006500

1,85

21,95

1,75

1,65

1,55

1,45

1,35

1,25

1,15

1,05

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

10 500 1000 1500 2000 2500 3000

NNAGL (Btu/ft ºF)

kG=0.7 Btu/h ft ºF

3500 4000 4500 5000 5500 6000 70006500

1,85

B M

Pág.

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Por lo tanto, el valor final de la longitud total de las tuberías es:

minxelholandeserrante.blogspot.com

21,95

1,75

1,65

1,55

1,45

1,35

1,25

1,15

1,05

1,9

1,8

1,7

1,6

1,5

1,4

1,3

1,2

1,1

10 500 1000 1500 2000 2500 3000

NNAGL (Btu/ft ºF)3500 4000 4500 5000 5500 6000 70006500

1,85

B M

kG=1.9 Btu/h ft ºF

Pág.

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La potencia calorífica de cualquier sistema de transmisión de calor por fluido se puede calcular conociendo el flujo másico, la capacidad calorífica del fluido y la diferencia de temperaturas ocurridas durante el proceso, es el efecto útil de cualquier sistema de climatización:

La energía eléctrica consumida por los equipos, fundamentalmente en motores eléctricos, es el coste de funcionamiento que principalmente se va a producir en un sistema de bomba de calor geotérmica o de torre de enfriamiento.Conociendo ambos datos se puede determinar la eficiencia energética global mediante el coe-ficiente EER, como se ha visto anteriormente, y estimar la emisión de dióxido de carbono en tone-ladas anualmente mediante:

L. Cálculo del potencial de ahorro energético

strange kind of landscape

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La rentabilidad de la inversión se puede estimar conociendo los costes iniciales, los de funciona-miento y los de mantenimiento.

El pay-back representa los años que se tardan en recuperar la inversión, es un indicador muy sen-cillo de obtener. Además, hay dos métodos de cálculo de la rentabilidad económica muy usados, son el Valor Actual Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR).

El VAN permite obtener el valor de futuros ingresos pero con la valoración que tendrían en la actualidad, de forma que se pueda comparar con la inversión inicial. Si su valor es positivo indica que el proyecto está creando beneficios.

El TIR es equivalente a obtener el interés para un VAN igual a 0 y representa la rentabilidad

del proyecto, por lo que normalmente se toma la vida útil total estimada de la instalación.

M. Rentabilidad de la inversión

Rafael Vila

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M. PerforacionesN. Instalación de la tuberíaO. Otros elementos del circuito

CAPÍTULO 5. Montaje de la instalación

INER

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Una vez definida la longitud de la tubería ente-rrada, su profundidad y el número y disposición de cada tubería en U, el primer paso a realizar para la instalación física del sumidero son las perforaciones.

Se han de tener en cuenta los materiales del subsuelo que durante la perforación emergerán mezclados con agua. En su caso se debe de tener previsto la limpieza y vertido posterior.

Por las características del subsuelo de Gua-yaquil, a partir de unos 45 m de profundidad la composición del suelo hace muy difícil se-guir perforando ya que las paredes del pozo se suelen desmoronar o se puede producir el efecto de sifonamiento desde la parte infe-rior haciendo imposible introducir la tubería en toda su longitud. Esta perforación debe tener el suficiente diámetro para la instalación de la tubería.

M. Perforaciones

INER

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La tubería se debe introducir llena de agua o bien con un lastre, ya que de no hacerlo la propia tendencia a la flotación va a dificultar mucho su descenso por el pozo.

Se suelen usar bridas o algún tipo de unión si-milar para sujetar las dos secciones de la tube-ría en U, la ida y el retorno, aproximadamente cada 3-5 metros para facilitar su instalación y centrar ambas secciones en la perforación. Una pequeña separación entre ambas secciones de la tubería en U facilitará el enfriamiento del fluido.

Normalmente se prevé un exceso de longitud para facilitar el manejo y las posteriores uniones en la parte más superficial que corresponde a la distribución de flujos.

Posteriormente a su instalación se asegura en superficie para evitar la caída y deformación

de la tubería, de forma que esta no toque el fondo de la perforación o las paredes en la medida de lo posible.

El siguiente paso es el vertido de la lechada de cemento para el relleno del hueco. Para asegu-rar una distribución uniforme y sin bolsas de aire se recomienda empezar el vertido de abajo hacia arriba a través de una tercera tubería y una bomba específica. Esta lechada cumple la función de conducir el calor desde el agua al terreno y evitar la contaminación de los acuífe-ros por posibles fugas del circuito.

El relleno más usado es una mezcla de cemento con arena, bentonita y agua. La bentonita es una arcilla que realiza la función de impermea-bilizar la mezcla del agua. Mediante pruebas empíricas se calculó la mezcla más adecuada para una perforación:

N. Instalación de la tubería

INER

Cemento (kg/m³) 587.7Agua (L/m³) 323.3Arena (kg/ m³) 1251.8Bentonita (kg/m³) 6.5Plastificante (L/m³) 8.8Grava 2.18

Tabla 3: Sugerencia de proporciones de la mezcla para el relleno [13].

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Esta mezcla tiene un coeficiente de permeabili-dad del 1.9x10-7±2.1x10-8 con lo que mejora al cemento puro con el valor de 7.5x10-6.

Sin embargo, debido a las características hi-drogeológicas de Guayaquil es necesario que esta mezcla tenga un tiempo de fraguado re-lativamente corto, lo que se puede conseguir mediante aceleradores, y además que tenga una consistencia tal que se evite su disolución por debajo del nivel freático. Para ello se ha de utilizar una mezcla lo más densa posible.

El polietileno de alta densidad tiene un buen comportamiento frente a roedores e insectos, y es adecuado para evitar la proliferación de bacterias, hongos o esporas. Es el tipo de ma-terial que frecuentemente se utiliza en este tipo

de instalaciones.

La tubería de color negro está especialmente diseñada para la resistencia a la intemperie, sin embargo para su funcionamiento durante largos periodos de tiempo es recomendable cubrir las tuberías con algún tipo de pantalla para evitar la incidencia de la luz ultravioleta que junto al oxígeno del aire hacen disminuir su vida útil.

Para el cálculo de presiones, se ha de consi-derar que la tubería debe trabajar a una tem-peratura media-alta, y teniendo en cuenta que la presión nominal normalmente se aplica a una temperatura de 20 ºC, se usar los siguientes co-eficientes para el polietileno:

INER

Temperatura del fluido (ºC) Coeficiente

20 1

30 0.87

40 0.74

Tabla 4: Coeficientes de corrección por temperatura para tuberías de Polietileno

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De tal forma que la presión máxima que puede resistir una tubería es:

Podría ser importante proteger superficialmente las tuberías para evitar su aplastamiento y rotu-ra ante una carga imprevista como puede ser por el paso de un vehículo. Las partes más sus-ceptibles a daño son los codos y las secciones verticales de las tuberías en la parte superior de

cada perforación vertical. Esta protección pue-de consistir en barreras que impidan el acceso a la parte inmediatamente superior a estas tu-berías, o con un refuerzo metálico o de concre-to que pueda soportar el peso estimado.

INER

Pág.

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En el interior del edificio a climatizar se han de prever una serie de elementos destinados a transferir el calor del edificio al agua de re-frigeración de forma distribuida. Esto se reali-za normalmente mediante un circuito cerrado secundario de agua y con equipos de tipo ventiloconvector o “fancoil”, como los que co-múnmente se usan junto con una torre de enfria-miento, o cualquier otro que permita el uso de agua como por ejemplo el suelo radiante.

Un vaso de expansión compensa el aumento de volumen del fluido de un circuito por la varia-ción de temperatura, evitando sobrepresiones que puedan dañarlo. Existen vasos cerrados y abiertos, pero los segundos son más económi-cos y fáciles de instalar. En primer lugar se cal-cula el volumen total de agua del circuito [14]:

El incremento de agua está relacionado con el volumen específico del agua a la temperatura de calentamiento:

El volumen inicial del vaso de expansión se sue-le establecer en un 2 % del volumen total de agua del circuito:

Por lo tanto, el vaso de expansión abierto debe tener un volumen de al menos Vvaso,inicial de agua con la capacidad de expandirse al menos ∆V más. El vaso debe ser instalado al menos un me-tro por encima del punto más alto del circuito, que normalmente corresponderá a la caldera.

Otros elementos a considerar pueden ser un fil-tro para el agua del circuito enterrado, ya que es común la presencia de suciedad que puede dañar a largo plazo la bomba de calor o el intercambiador de calor.

En algunos casos también es útil instalar un de-pósito de inercia para el almacenamiento tem-poral de agua fría en el circuito secundario, el cual tendría la función de absorber las variacio-nes bruscas de carga.

O. Otros elementos del circuito

INER

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P. Puesta en marchaQ. Mantenimiento

CAPÍTULO 6. Puesta en marcha y mantenimiento

INER

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Una vez concluida la fase de instalación de los equipos se deben hacer pruebas de funciona-miento a fin de asegurar un correcto desempe-ño de todos los elementos que componen el sistema y disminuir lo más posible el riesgo de fallos:

• Limpieza del circuito y llenado• Purga de aire• Verificación de presiones y caudales• Presurización de la instalación• Puesta en marcha de la bomba de calor y comprobación de parámetros

En primer lugar se debe realizar una limpieza del agua del circuito para eliminar posibles restos de suciedad. Esto se realiza haciendo circular agua durante unos minutos mediante una bom-ba, ya sea la propia del circuito o una externa, de forma que la instalación se encuentre en cir-cuito abierto y el fluido eliminado sea repuesto con agua limpia.

Después se ha de llenar las tuberías enterra-das con agua (o el fluido caloportador previs-to con el anticongelante si es necesario) para comprobar la existencia de fugas. Durante el llenado es necesario encender la bomba en

periodos cortos de tiempo para purgar de aire cada rama del circuito, algo que puede llevar hasta una hora. Las burbujas de aire serán elimi-nadas en el vaso de expansión abierto o en el purgador instalado para tal efecto.

Una vez que el circuito está lleno de agua se ha de dejar durante el tiempo suficiente en ese estado a fin de verificar si el nivel de agua se mantiene constante verificando si existen fugas en las uniones. Posteriormente se ha de llenar el circuito a una presión 1,5 veces más alta que la máxima efectiva de trabajo, y a un mínimo de 6 bar, comprobando nuevamente la existencia de fugas y reparando con material nuevo en caso necesario. Una pérdida de agua en una tubería horizontal superficial puede ser fácil-mente localizada y reparada. Sin embargo una fuga en una tubería vertical obliga a usar algún tipo de fluido sellador o en el peor de los casos al abandono de esa sección de tubería y la realización de una nueva perforación.

Finalmente se ha de poner en funcionamiento la bomba de calor con los valores reales de pre-sión de los fluidos, comprobando todos sus mo-dos de funcionamiento y realizando mediciones de temperaturas, presiones y caudales.

P. Puesta en marcha

INER

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Una bomba de calor geotérmica está especial-mente diseñada para un funcionamiento con-tinuo durante largo tiempo, y el programa de mantenimiento debe ser el recomendado por el fabricante. Hay que tener en cuenta que una bomba de calor agua-agua necesitará menor

mantenimiento que una de tipo aire-agua.La parte enterrada no necesita ningún tipo de mantenimiento. Los fabricantes suelen estimar una vida útil de 50 años para una tubería de Polietileno correctamente dimensionada. [18]

Q. Mantenimiento

INER

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1 I. N. d. E. y. Censos, «Resultados del Censo 2010,» Guayaquil, 2010.2 Meteonorm Software, Meteotest, 2014. 3 «Segunda Comunicación Nacional sobre Cambio Climático,» Ministerio del

Ambiente-Ecuador, 2011. 4 «Renewable Energy Essentials: Geothermal,» International Energy Agency,

2010. 5 M. J. Moran y H. N. Shapiro, «Fundamentos de Termodinámica Técnica,»

2004. 6 A. Hepbasli y Y. Kalinci, «A review of heat pump water heating systems,» Re-

newable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13, pp. 1211-1229, 2009. 7 A. Hepbasli y O. Akdemir, «Energy and exergy analysis of a ground source,»

Energy Conversion and Management, vol. 45, pp. 737-753, 2004. 8 Hackel, G. Nellis y S. Klein, «Optimization of Cooling-Dominated Hybrid,» AS-

HRAE Transactions, pp. 565-580, 2009. 9 Kara, K. Ulgen y A. Hepbasli, «Exergetic assessment of direct-expansion so-

lar-assisted heat pump systems: Review and modeling,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 12, pp. 1383-1401, 2008.

10 M. A. Boukli Hacene, S. Amara y N. E. Chabane Sar, «Analysis of the first ther-mal response test in Algeria,» Journal of Thermal Analysis & Calorimetry, vol. 107, p. 1363–1369, 2011.

11 S. Kavanaugh, «A 12-Step Method for Closed-Loop Ground-Source Heat-Pump Design,» ASHRAE Transactions, pp. 328-337, 2008.

12 IGSHPA, Ground Source Heat Pump Residential and Light Commercial: De-sign and Installation Guide, International Ground Source Heat Pump Asso-ciation, 2011.

13 M. Allan y A. Philippacopoulos, «Properties and performance of cement-ba-sed grouts for geothermal heat pump applications,» 1999.

14 IDAE, «Proyecto ejecutivo para la producción mediante geotérmica de la climatización de los edificios del recinto modernista de Sant Pau,» 2012.

15 Ergonomics of the thermal environment: ISO 7730, 2005.16 ASHRAE, «Ventilation for acceptable indoor air quality,» vol. 62, 1986. 17 J. Lund, B. Sanner, L. Rybach, R. Curtis y G. Hellstr, «Geothermal (Ground-Sour-

ce) Heat Pumps A World Overview,» GHC BULLETIN, 2004.

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i. Características del terreno de Guayaquilii. Plano de zonificación térmicaiii. Rangos de confortiv. Seguridad

APÉNDICES

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PERFORACIONES

IDENTIFICACIÓN SUELO /ROCA

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Arenisca volcánica 27,2%

Brecha volcánica 66,3%

CH arcilla alta plasti-cidad

4,0% 5,2%

CH arcilla de alta plasticidad arenosa

10,0%

MH Limo de alta plas-ticidad

1,7% 16,0% 38,0% 24,5% 14,3% 3,3% 27,0% 48,0%

MH Limo de alta plasti-cidad arenoso

4,0% 3,3% 16,7%

ML Limo de baja plasticidad

16,7% 6,4%

ML Limo de baja plasti-cidad con arena

78,3% 77,7% 14,0% 16,7% 66,7% 50,0%

ML Limo de baja plasti-cidad gravoso

34,0%

Relleno artificial 6,5% 8,3% 2,0% 16,0% 7,2% 6,7% 5,0% 10,0% 2,0%

SC arena arcillosa 24,0%

SM Arena limosa 8,3% 63,3% 23,4%

SM Arena limosa con grava

3,3%

SP arena mal gradua-da

12,0% 28,0%

SP-SM arena mal gra-duada con limo

30,0% 30,0% 1,7% 11,7% 8,3%

Suelo vegetal 2,3%

Brecha verde 20,0%

Total general 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100%

i. Características del terreno de Guayaquil

Material ESTUARIO ALUVIAL ROCA

MAX MIN MEDIA

Arenisca 0% 0% 0% 0% 27%

Brecha 0% 0% 0% 20% 66%

Relleno 16% 2% 7% 0% 7%

Suelo vegetal 0% 0% 0% 2% 0%

Arcilla y limos plásticos (CH, ML, MH) 98% 2% 33% 0% 0%

Limos no plásticos (ML) 83% 0% 29% 78% 0%

Arenas (SP, SM, SP-SM) 65% 0% 31% 0% 0%

Tabla 5: Características geológicas del terreno de Guayaquil

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ii. Plano de zonificación térmica

Tabla 6: Resultados de análisis de puntos estudiados

KAVANAUG conductividades suelo-roca de cada perforación para el método lineal (W/mK)

Material \ Perfora-ción

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10

arenisca 0,940

brecha 1,605

CH arcilla alta plastici-dad

0,048 0,063

CH arcilla de alta plasticidad arenosa

0,121

MH Limo de alta plasticidad

0,020 0,193 0,459 0,295 0,172 0,040 0,325 0,579

MH Limo de alta plas-ticidad arenoso

0,048 0,041 0,211

ML Limo de baja plasticidad

0,201 0,078

ML Limo de baja plas-ticidad con arena

0,958 0,936 0,170 0,203 0,825 0,602

ML Limo de baja plasticidad gravoso

0,472

Relleno 0,112 0,144 0,035 0,277 0,124 0,115 0,087 0,173 0,035

SC arena arcillosa 0,293

SM Arena limosa 0,101 0,776 0,284

SM Arena limosa con grava

0,046

SP arena mal gra-duada

0,144 0,348

SP-SM arena mal graduada con limo

0,360 0,360 0,020 0,142 0,100

suelo vegetal 0,008

brecha P-3 0,484

Conductividad térmica (W/mK)

2,66 1,27 1,43 1,22 1,29 1,26 1,31 1,25 1,27 1,22

Perforación T promedio (°C)

T media en-trada (°C)

T media salida (°C)

Flujo medio (gpm)

Ta Suelo sin perturbar

(°C)

Flujo de calor (W)

1 59,27 60,55 57,99 5,55 26,5 4350,92

2 68,63 69,87 67,39 6,07 28 4366,97

3 65,64 66,83 64,45 6,57 28,5 4362,47

4 48,22 49,06 47,38 6,06 29 2746,03

5 50,50 51,42 49,58 5,36 29 2719,84

6 71,01 72,56 69,49 6,09 28 4346,53

7 63,42 64,79 62,08 5,49 29 4357,99

10 57,23 58,63 55,87 5,04 28 4380,87

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Figura 13: Plano de propiedades térmicas del terreno de Guayaquil.

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iii. Rangos de confort

Tabla 7: Rango de diversos factores necesarios para un confort térmico [15].

El confort térmico es una condición mental en la que se expresa la satisfacción con el am-biente térmico [15] o dicho de otro modo, es la sensación neutra que siente una per-sona respecto al ambiente que la rodea.Varios son los factores que influyen en el confort

térmico de una persona incluyendo las condi-ciones biológicas, psicológicas, la actividad físi-ca o el tipo de vestimenta, pero los factores más fácilmente medibles son la temperatura, la hume-dad y la velocidad del aire. Estos valores se pue-den establecer dentro de los siguientes rangos:

Para mantener un adecuado nivel de confort en la ciudad de Guayaquil, es necesaria la uti-lización de sistemas de refrigeración gran parte del año, los cuales incrementan el consumo de energía eléctrica aumentando costes de ge-neración y emitiendo CO2 a la atmósfera. Otro problema se origina del hecho de que las insta-laciones de refrigeración más comunes extraen calor de los edificios y lo transfieren al aire de la ciudad, lo que junto con el calentamiento origi-nado por el compresor y otras irreversibilidades hace que el ambiente exterior reciba una fuen-te adicional de calor.

Se ha estimado que el consumo eléctrico de Guayaquil en días regulares (sin tomar en cuenta la subestación HOLCIM) crece en un 18.5 % con el aumento de la temperatura máxima de 25 °C a

35 °C. Con la disminución de la temperatura ex-terior en al menos 2 ºC se tendría un ahorro signifi-cativo de 18 millones de dólares anuales (usan-do el valor de 1 kWh a 11 centavos de dolar)

La renovación de aire de un edificio es nece-saria para mantener unas condiciones higiéni-cas mínimas así como un cierto nivel de con-fort. Sin embargo, también se van a producir pérdidas de energía debidas a la necesidad de calentar o enfriar el aire exterior para ade-cuarlo a las condiciones interiores, por lo que estas renovaciones no deben ser incontroladas.

Este volumen a renovar va a depender del tipo de actividad que se desarrolle en el in-terior del edificio. En la siguiente tabla se pueden ver algunos valores recomendados:

Temperatura del aire ambiente Entre 18 y 26 ºCTemperatura radiante media de las superficies Entre 18 y 26 ºCVelocidad del aire Entre 0.05 y 0.15 m/sHumedad relativa Entre el 40 y el 65 %

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Comerciales Aeropuertos, estaciones, etc. 8

Aparcamientos 2 200/plaza

Aseos privados 20

Aseos públicos 30/inodoro

Bares, cafeterías, etc. 12

Restaurantes 10

Centro de cálculo 8

Áreas de venta al público 7.5 1

Cocinas 7.5 10

Dormitorios 8

Salas de reunión 10

Laboratorios 10

Piscinas 15

Gimnasios 15

Locales de entretenimiento 13

Oficinas 10

Salas de espera 8

Talleres 7.5

Auditorios 8

Escenarios, estudios 10

Peluquerías 12 4

Zapaterías 10 3

Vestuarios 0.3

Institucionales Dormitorios 10

Bibliotecas 8

Dormitorios de hospitales 13

Quirófanos 25

Cuidados intensivos 15

Iglesias 7.5

Aulas 8

Salas de exposición 7.5

Almacenes 1.5

Celdas 10

Industriales Nivel de actividad Flujo

Alto (fundición, minería, etc.) 20

Medio (ensamblaje, etc.) 16

Bajo (laboratorios, etc.) 12

Tabla 8: Caudales recomendados para renovación de aire en edificios [16].

Tipo de locales Unidades Personas m² suelo Local Otras

Vivienda Áreas de estar, comedores, etc. 7.5 0.4

Dormitorios 7.5 0.4

Aseos 3 15

Cocinas 2 50

Garaje 7.5 50/carro

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iv. Seguridad

Como todo proceso de construcción que implica el uso de maquinaria, la instalación de un sis-tema de bomba de calor geotérmica conlleva riesgos para la salud física de los trabajadores que deben ser tenidos en cuenta por la empresa responsable mediante un plan de actuación destinado, en primer lugar, a tratar de eliminar los riesgos, o al menos tratar de reducirlos así como los daños potenciales que puedan ocasionar, siempre dando preferencia a las medidas de pro-tección colectiva antes que las de tipo individual.

Cada circunstancia obligará a evaluar los riesgos asociados, pero se pueden identificar algunos de los riesgos más importantes asociados de forma general a perforación e instalación de un sumidero de calor y el equipo para su funcionamiento:

• Caída de personas a igual o distinto nivel.• Golpes y contactos contras objetos inmóviles o elementos móviles de las máquinas.• Proyección de fragmentos o partículas.• Atrapamiento por vuelco de máquinas.• Contactos térmicos y/o eléctricos.• Inhalación o ingestión de agentes químicos peligrosos.• Explosiones e incendios.• Atropellos, golpes y coches contra vehículos.• Hundimiento del terreno.• Daños por exposición a agentes físicos: ruidos y vibraciones.

Figura 14: Simbología de prevención de riesgos laborales.

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manual técnico del uso del terreno en aplicaciones de geotermia de

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