tarea bombas de calor
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Aplicación de Bombas de Calor en calefacción de viviendasTRANSCRIPT
INDICE DE CONTENIDO
I. INTRODUCCIÓN...................................................................................6
II. FUNDAMENTOS TÉRMICOS DEL TERRENO.............................................8
II.1 Evolución de la temperatura con la profundidad.......................................................................................................8
II.2 Métodos para calcular la evolución de temperatura de terreno................................................................................9
II.3 Propiedades Térmicas del Terreno.......................................................................................................................... 11
II.3.1 Conductividad..................................................................................................................................................... 11
II.3.2 Capacidad térmica.............................................................................................................................................. 13
II.3.3 Difusividad......................................................................................................................................................... 13
III. BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS...................................................14
Figura III-1: Esquema de funcionamiento de bomba de calor geotérmica...............................................................................14
III.1 Propiedades y características.................................................................................................................................. 14
Figura III-2: Esquema de bomba de calor geotérmica en ciclo de calefacción.........................................................................15
III.2 Ventajas................................................................................................................................................................. 15
III.3 Diseño, construcción y/o aplicación........................................................................................................................ 15
III.3.1 Elección de la bomba de calor............................................................................................................................. 15
III.3.2 Elección del fluido circulante............................................................................................................................... 16
Figura III-3: Propiedades físicas de los fluidos.........................................................................................................................16
III.3.3 Elección de la configuración a emplear................................................................................................................ 17
Figura III-4: Tubería simple horizontal.....................................................................................................................................17
Figura III-5: Tubería doble horizontal......................................................................................................................................17
Figura III-7: Sistema en serie vertical.......................................................................................................................................18
Figura III-9: Flujo en serie/paralelo en configuración vertical..................................................................................................20
III.3.4 Elección de los tubos........................................................................................................................................... 20
III.3.4.1 Elección de los materiales............................................................................................................................... 20
III.3.4.2 Elección de los diámetros................................................................................................................................ 20
III.3.4.3 Estudios de temperaturas............................................................................................................................... 21
III.3.4.4 Comprobación de la velocidad mínima del fluido.............................................................................................21
III.4 Dimensionamiento del intercambiador de calor enterrado.....................................................................................21
III.4.1 Determinar la temperatura máxima y mínima de la tierra...................................................................................21
III.4.2 Determinar las temperaturas máximas y mínimas de entrada del fluido a la bomba de calor...............................22
III.4.3 Calcular la diferencia de temperatura entre la tierra y el circuito.........................................................................22
III.4.4 Calcular la resistencia de los tubos al flujo de calor..............................................................................................22
III.4.5 Calcular la resistencia de la tierra........................................................................................................................ 22
III.4.6 Cálculo del factor de utilización........................................................................................................................... 23
III.4.6.1 Procedimiento de cálculo de las cargas de diseño............................................................................................23
III.4.6.2 Cálculo de la energía. Cálculo del factor de utilización.....................................................................................23
III.4.7 Cálculo de la longitud del intercambiador enterrado...........................................................................................23
III.4.7 Selección de la bomba de circulación.................................................................................................................. 24
IV EJEMPLO DE APLICACIÓN DE ECUACIONES........................................25
IV.1 Estudio de Temperaturas........................................................................................................................................ 25
IV.2 Oscilación de temperaturas medias........................................................................................................................ 25
IV.3 Propiedades térmicas de los suelos......................................................................................................................... 27
IV.4 Cálculo de la temperatura del suelo a distintas profundidades................................................................................27
BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................30
INDICE DE FIGURAS
Figura II-1: Variación de la temperatura de la tierra en función de la profundidad a lo largo del año..............9
Figura II-2: Variación de la temperatura de la tierra en función de la profundidad a lo largo del año............11
Figura II-3: Definición de conductividad térmica.................................................................................................12
Figura III-1: Esquema de funcionamiento de bomba de calor geotérmica........................................................15
Figura III-2: Esquema de bomba de calor geotérmica en ciclo de calefacción.................................................16
Figura III-3: Propiedades físicas de los fluidos....................................................................................................17
Figura III-4: Tubería simple horizontal.................................................................................................................. 18
Figura III-5: Tubería doble horizontal.................................................................................................................... 18
Figura III-6: Sistema en paralelo vertical...............................................................................................................19
Figura III-7: Sistema en serie vertical.................................................................................................................... 19
Figura III-8: Flujo en serie/paralelo en configuración horizontal........................................................................20
Figura III-9: Flujo en serie/paralelo en configuración vertical.............................................................................21
Figura IV-1: Gráfica de Oscilación superficial de temperaturas medias con respecto a su promedio, y
determinación de As y to........................................................................................................................................ 27
INDICE DE TABLAS
Tabla II-1: Valores de conductividad y capacidad térmica para distintos tipos de materiales........................13
Tabla IV-1: Valores de temperaturas ambientales de Talca................................................................................26
Tabla IV-2: Oscilación superficial de temperaturas medias con respecto a su promedio...............................27
Tabla IV-3: Propiedades térmicas de los suelos (International Ground Source Heat Pump Association,
1998)......................................................................................................................................................................... 28
INDICE DE ECUACIONES
Ecuación II-1............................................................................................................................................................ 10
Ecuación II-2............................................................................................................................................................ 12
Ecuación II-3............................................................................................................................................................ 14
Ecuación III-1........................................................................................................................................................... 17
Ecuación III-2........................................................................................................................................................... 17
Ecuación III-3........................................................................................................................................................... 17
Ecuación III-4........................................................................................................................................................... 22
Ecuación III-5........................................................................................................................................................... 23
Ecuación III-6........................................................................................................................................................... 23
Ecuación III-7........................................................................................................................................................... 23
Ecuación III-8........................................................................................................................................................... 25
Ecuación III-9........................................................................................................................................................... 25
I. INTRODUCCIÓN.
La energía geotérmica corresponde a la que está contenida en las rocas y los fluidos (agua caliente, vapor de
agua, aguas cargadas) llenando los poros y las fracturas de la capa terrestre. Una parte de estos recursos está en
relación directa con la actividad volcánica. Para algunas fuentes, los movimientos convectivos permiten transferir el
calor profundo hacia la superficie gracias a la permeabilidad de las rocas y la presencia de líquido en sus
porosidades. Los flujos térmicos dependen de la naturaleza del bajo suelo y las temperaturas varían según la
profundidad, con una variación media de 24°C por km. Gradientes de 9 a 48°C/km son muy frecuentes. Los sitios
donde los gradientes son los más elevados, constituyen las fuentes geotérmicas más interesantes y más viables.
Geotermia de superficie
Este medio de calefacción y de refrescamiento innovador, usa la asociación de dos técnicas:
•La energía geotérmica.
•La nueva generación de bombas de calor agua glicolada (mezcla de agua con glicol etilénico empleada en
equipos de refrigeración para prevenir la formación de hielo en los intercambiadores de los refrigeradores).
Grandes programas están en desarrollo en todo el mundo. En Francia, esta técnica está desarrollada desde 1996
con captores horizontales con agua glicolada. Desde 1998 esta técnica empieza a estar asociada con sondas
verticales. (Bernier, 2014)
Cuando se habla de aprovechamiento geotérmico, es necesario diferenciar los diferentes rangos de temperatura
(o, más técnicamente, potencial entálpico) de los diferentes yacimientos, que van desde las aplicaciones ya
mencionadas de muy alta entalpía, pasando por las de alta y media temperatura –asociadas al termalismo y a los
sistemas de calefacción de distrito– y finalmente el aprovechamiento de la geotermia de muy baja temperatura, que
requiere de la intervención de bombas de calor. En el rango de temperaturas más bajas, el aprovechamiento
geotérmico mediante bomba de calor (también denominada “bomba de calor geotérmica” o BCG) no requiere de
condiciones extraordinarias del terreno, siendo amplia su disponibilidad como fuente de energía renovable y
sostenible para un sinfín de aplicaciones térmicas.
Las ventajas de las BCG son múltiples, ya que se conjugan el concepto de ahorro y eficiencia, el hecho de ser una
fuente de energía renovable y múltiples ventajas en cuanto a integración arquitectónica, facilidad de mantenimiento
y escasez de ruido. Adicionalmente, son sistemas basados en tecnologías bien conocidas y, por consiguiente, su
introducción puede basarse en gran medida en elementos ya disponibles en el mercado. Finalmente, la BCG
destaca por su capacidad de integrarse con otras fuentes de energía renovables, a las que complementa más que
sustituye y puede ayudar en su desarrollo, tales como los paneles solares térmicos.
Por su principio de funcionamiento, la BCG es simplemente una bomba de calor que transfiere calor a o desde la
aplicación (edificio o proceso) al terreno. Ello posibilita una menor demanda de energía primaria por parte del
compresor (eléctrico o de gas) debido a que, en muchos momentos, el suelo posee condiciones de temperatura
más favorables que el aire.
El mejor rendimiento de este tipo de bombas se basa por consiguiente, no tanto en una diferencia en su tecnología
o componentes, sino en el aprovechamiento de un sencillo principio de la termodinámica mediante la gestión
energéticamente sostenible y eficiente del terreno como foco térmico. Por otro lado, dicha gestión sostenible y
eficiente implica un mayor grado de dificultad que en el caso del aire, puesto que el terreno posee características
térmicas más complejas y, con frecuencia, poco conocidas.
Desde el punto de vista de flujos de calor, las bombas de calor que solamente operan para calefacción (o en “modo
invierno”) realizan una permanente extracción de calor del terreno, que se contrarresta por el calor que aporta el
Sol y el flujo de calor ascendente que proviene de mayores profundidades (y debido al llamado “gradiente
geotérmico”). En sistemas que operan para calefacción y refrigeración, es necesario además tener en cuenta el
balance energético del suelo, es decir, la diferencia entre el calor aportado y extraído del terreno para la aplicación
en diferentes momentos. En un sistema perfectamente balanceado (igual cantidad de calor extraído o aportado al
terreno), el suelo opera meramente como un buen almacén de calor entre la estación fría y caliente, siendo ésta la
situación ideal desde el punto de vista de diseño y dimensionado. En la medida en que nos apartemos del balance
térmico, el sistema habrá de dotarse de una capacidad suplementaria de intercambio térmico para ser capaz de
operar a largo plazo de manera estable y sostenible. Otro factor de diseño primordial es la existencia de demandas
térmicas “pico” o a corto plazo que pueden requerir el dotar al sistema de BCG de una capacidad de intercambio
suplementaria. (Refrigeración, 2010)
Es importante indicar que el presente trabajo no pretende convertirse en un manual de cálculo para sistemas de
calefacción y/o refrigeración, más bien pretende entregar conceptos generales sobre el sistema y demostrar que si
es posible el realizar los cálculos requeridos.
II. FUNDAMENTOS TÉRMICOS DEL TERRENO
II.1 Evolución de la temperatura con la profundidad.
La energía aportada por la radiación solar, precipitaciones y otros efectos atmosféricos es transferida diariamente a
y desde la superficie de la tierra produciéndose un equilibrio térmico. Como consecuencia de este equilibrio, la
temperatura de la tierra a ciertas profundidades (aproximadamente 10 metros) se mantiene constante y se
aproxima a la temperatura media anual del aire ambiente en esa determinada zona (Figura II.1.). En las
profundidades comprendidas entre la superficie y estos 10 metros, la temperatura de la tierra variará dependiendo
de la profundidad y de las características del tipo de suelo: conductividad, difusividad, calor específico, etc. (Figura
II.3).
Figura II-1: Variación de la temperatura de la tierra en función de la profundidad a lo largo del año.
La figura muestra a la izquierda la evolución estacional de las temperaturas a lo largo de un año para un punto
situado a diferentes profundidades bajo la superficie. Las temperaturas y difusividades son típicas de Valencia,
España. Se observa que, a medida que se incrementa la profundidad, la amplitud de las oscilaciones térmicas
decrece y sus máximos y mínimos se van desfasando. La curva de color rojo corresponde a la oscilación natural
(inmediatamente bajo la superficie), en magenta, azul claro, amarillo y azul oscuro se representan sucesivamente
las evoluciones de temperatura a 1 m, 2 m, 3 m y 10 m respectivamente. A la derecha podemos ver el mismo
proceso en una representación tridimensional que permite obtener una idea global de la variación en profundidad.
Como se puede observar en la figura anterior, a medida que aumentamos la profundidad en el terreno, la evolución
de la temperatura se va amortiguando hasta permanecer constante. También se aprecia como en verano e
invierno, debido a la propia inercia del terreno, las temperaturas máximas y mínimas del suelo se retrasan en torno
a cuatro semanas comparadas a las temperaturas superficiales del suelo.
El gradiente geotérmico se define como la variación de temperatura con la profundidad, estando determinado en
unidades de °C/km. Con respecto a dicho gradiente y exceptuando zonas concretas con actividad magmática,
pueden diferenciarse tres profundidades típicas.
Hasta una profundidad de unos 50 m, la temperatura del terreno está básicamente determinada por el intercambio
térmico con la atmósfera y el sol, así como la presencia de aguas subterráneas, resultando ser sustancialmente
constante. Por debajo de dicha profundidad y hasta profundidades de unos 100 m existe un gradiente geotérmico
variable, al estar aún las temperaturas bajo la influencia de dichos fenómenos de intercambio superficial. Por
debajo de dicha profundidad suele establecerse ya un gradiente geotérmico claro y la temperatura generalmente
se incrementa con la profundidad, aunque dicho incremento puede ser muy variable según las condiciones
tectónicas y propiedades térmicas del suelo. Con carácter general suele estimarse que el gradiente geotérmica a
partir de dichas profundidades y en suelos estables tectónicamente o sedimentarios puede oscilar entre 15-30
°C/km.
Desde el punto de vista del diseño y dimensionado de intercambiadores geotérmicos para aplicaciones de muy
baja entalpía, puede concluirse de lo anterior que el gradiente geotérmico es un factor a tener en cuenta
únicamente en sistemas verticales cuya profundidad excediese los 100 m. Una dificultad considerable para ello
reside en el hecho de que el gradiente geotérmico presenta, según zonas, una considerable heterogeneidad
incluso sobre distancias horizontales pequeñas.
II.2 Métodos para calcular la evolución de temperatura de terreno.
Suponiendo un suelo homogéneo con propiedades térmicas constantes, la temperatura a cualquier profundidad z
puede calcularse a partir de la siguiente expresión:
T ( z , t )=Tm−A s e− z√ π
365 α cos [ 2π365 (t−t 0− z2 √ 365πα )];
Ecuación II-1
Donde:
T (z, t): es la temperatura en °C del suelo en el tiempo t a una profundidad z,
T m: es la temperatura media anual del suelo en °C (a una profundidad en donde no son perceptibles las
variaciones de temperatura),
A s: es la oscilación de la temperatura superficial en °C,
t: es el tiempo en días,
t 0: el desfase en días y
α: es la difusividad térmica del suelo en m2/día
La temperatura media del terreno T m se puede asumir como constante hasta profundidades de 100 metros.
El valor de la oscilación anual A s depende de la localización, del tipo de suelo y del contenido en agua.
El desfase en días t 0 se refiere al desplazamiento de la temperatura superficial con la profundidad como se
observa en la figura II.1; un valor típico de este parámetro es 35 ± 10 días.
Los valores de la difusividad térmica del suelo (α) dependen del tipo de suelo y del contenido de agua.
Otras formas para determinar las temperaturas del suelo son:
El conocimiento de las condiciones de temperatura locales del suelo basadas en la experiencia o datos
medidos.
Las gráficas de diseño (curva de embudo) como la mostrada en la figura 4.2 para la determinación de la
temperatura máxima y mínima del suelo en función del tipo y profundidad del suelo.
Figura II-2: Variación de la temperatura de la tierra en función de la profundidad a lo largo del año.
Las tablas de diseño para determinar las temperaturas máximas y mínimas del suelo para distintos valores de
oscilación anual del suelo (A s).
La figura II.2 muestra la evolución de la temperatura con la profundidad para diferentes días a lo largo del año. La
curva roja corresponde a la distribución de temperaturas en el día 30 (finales de enero), las curvas: magenta, azul
claro y amarillo, respectivamente, a los días 90, 180 y 270.
II.3 Propiedades Térmicas del Terreno.
II.3.1 Conductividad
La conductividad térmica es una propiedad característica de cada material que indica su capacidad para conducir
calor. Se puede expresar según la ley de Fourier como el calor que atraviesa en la dirección x un espesor de 1 m
del material como consecuencia de una diferencia de 1 grado entre los extremos opuestos. Se expresa en W/m°C
o W/mK.
Q x=−kA dTdx;
Ecuación II-2
Donde k es la conductividad térmica, Qx es e l calor difundido por unidad de tiempo, A el área de la superficie a
través de la cual tiene lugar la transmisión de calor, y el cociente dT entre dx representa el gradiente de
temperatura.
Figura II-3: Definición de conductividad térmica.
Para los materiales usuales en el terreno existen estudios que demuestran que la conductividad térmica aumenta
normalmente con el grado de humedad del mismo hasta alcanzar los valores de conductividad correspondientes a
un terreno saturado, si bien no es fácil establecer la dependencia entre ambos factores con carácter general.
Algunos de los valores más usuales para la conductividad térmica de acuerdo al tipo de terreno se recogen en la
tabla II.1.
Tabla II-1: Valores de conductividad y capacidad térmica para distintos tipos de materiales.
El cálculo de la conductividad térmica para el diseño de un sistema de bomba de calor geotérmica se puede
estimar a partir de tablas, medir en laboratorio mediante pruebas de conductividad sobre parte de terreno recogido
o determinar realizando un test de respuesta térmica del suelo (Thermal Response Test, TRT). Este último método
es el más fiable y el único recomendado para instalaciones medianas o grandes, ya que, por ejemplo, para una
instalación de 140 kWt una variación del valor de cálculo de la conductividad térmica de 2 a 2,2 W/m°C supone una
reducción de longitud del intercambiador de calor de 100 metros para las mismas condiciones de diseño. Con este
método, para la determinación de las características térmicas del suelo, se fuerzan pulsos de inyección de calor o
pulsos de extracción de calor en un bucle enterrado y se mide su respuesta en temperatura; en función de dicha
evolución y en base a ecuaciones analíticas se puede obtener el valor de conductividad efectiva del terreno.
II.3.2 Capacidad térmica.
Se denomina capacidad térmica o calorífica al cociente entre el calor que se suministra a un sistema y la variación
de temperatura provocada.
C=dQdT;
Ecuación II-3
Donde C es la capacidad calorífica o térmica y dQ el calor que es necesario suministrar para incrementar la
temperatura en dT.
La capacidad térmica del terreno expresa el calor que es capaz de almacenar un volumen de terreno al
incrementarse su temperatura, de ahí que se denomine “capacidad” a esta magnitud, pero también de la oposición
a dicho cambio de temperatura en la medida en que cuanto mayor sea la capacidad térmica mayor habrá de ser el
calor suministrado para lograr la misma variación de temperatura pudiendo hablarse así de cierta “inercia térmica”.
Sus unidades son J/m3K.
II.3.3 Difusividad.
La difusividad térmica se define como la relación entre la capacidad de conducción del terreno y la capacidad
térmica del terreno. Se mide en m2/s.
El rango de valores para la difusividad térmica, de acuerdo con los trabajos de Labs y Harrington (1982), va desde
0,36 x 10-6 m2/s hasta 0,8 x 10-6
m2/s, según sea el suelo seco o húmedo, mientras que Givoni y Katz seleccionaron
como valores límites 0,4 x 10-6 m2/s para suelo seco y 1,08 x 10-6
m2/s para suelo húmedo.
III. BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS
Una bomba de calor es una máquina que transfiere el calor desde un foco frío a otro caliente utilizando una
cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las bombas de calor aprovechan la energía existente en el ambiente
(foco frío), tanto en el aire como en el agua o la tierra, permitiendo calefaccionar las dependencias interiores (foco
caliente) con una aportación relativamente pequeña de energía.
La bomba de calor geotérmica extrae energía térmica del suelo en invierno transfiriéndola al interior del edificio,
mientras que en verano extrae el calor del interior del edificio y lo devuelve al subsuelo (Figura III.1).
Figura III-4: Esquema de funcionamiento de bomba de calor geotérmica.
III.1 Propiedades y características.
El principio de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica se basa en el ciclo termodinámico de compresión,
para un ciclo de calefacción en invierno, un medio refrigerante extrae el calor del medio ambiente exterior (suelo),
evaporándose a continuación. Un compresor eleva la presión y temperatura del refrigerante (gas), y posteriormente
transfiere el calor al interior del recinto al condensarse el medio refrigerante. El fluido refrigerante en estado líquido
y a una alta presión y temperatura se expande en la válvula de expansión, reduciendo su presión y temperatura
(Figura III.2).
Figura III-5: Esquema de bomba de calor geotérmica en ciclo de calefacción.
Las bombas de calor pueden estar alimentadas por corriente eléctrica o por motores a gas.
III.2 Ventajas.
Entre las ventajas de las bombas de calor se encuentran:
Alta eficiencia energética.
Permite la climatización integral y la generación de agua caliente doméstica, todo en un único aparato.
Reducción de emisiones de CO2.
Permite aprovechar todo tipo de fuentes de calor (suelo, aire, agua).
III.3 Diseño, construcción y/o aplicación.
III.3.1 Elección de la bomba de calor.
Las especificaciones de la bomba de calor fijan varios parámetros de diseño del intercambiador de calor enterrado,
ya que nos determinan el calor intercambiado con el suelo y el caudal circulante por el intercambiador de calor,
además de fijar el rendimiento del sistema (Coefficient of Performance, COP) de acuerdo con sus curvas
características de potencia-temperatura.
El COP de una bomba de calor representa la relación entre la capacidad térmica de la misma (Q) y la potencia
eléctrica consumida para suministrarla (W). Su definición para los modos de calefacción y refrigeración es la
siguiente, así como la relación entre el calor absorbido o inyectado al terreno.
COPcalefacción=Q calefacción
W calefacción
;
Ecuación III-4
COPrefrigeración=Qrefrigeración
W refrigeración
;
Ecuación III-5
Qinyectado=Qrefrigeración+W refrigeración ;
Ecuación III-6
La selección de la bomba de calor se realiza a partir de un cálculo de cargas térmicas de acuerdo a las exigencias
de diseño.
III.3.2 Elección del fluido circulante.
El fluido circulante por el intercambiador de calor enterrado es agua o agua con anticongelante, si se prevé en
diseño que el intercambiador geotérmico puede tener riesgo de congelación (elevado funcionamiento en
calefacción, temperaturas frías de terreno, etc.). La elección del fluido dependerá de distintos factores:
1. Características de transferencia de calor (conductividad térmica y viscosidad).
2. Punto de congelación.
3. Requerimientos de presión y caídas de presión por rozamiento.
4. Corrosividad, toxicidad e inflamabilidad.
5. Costo.
Figura III-6: Propiedades físicas de los fluidos.
III.3.3 Elección de la configuración a emplear.
Los tipos de configuraciones más usuales suelen atender a los siguientes criterios de clasificación:
Según el tipo de instalación:
o Horizontal, según el número de tubos puede ser:
Simple
Doble
o Vertical, según el tipo de tubería instalada:
Simple U
Doble U
Coaxial
Slinky
Según la trayectoria del fluido:
o Serie
o Paralelo
Figura III-7: Tubería simple horizontal.
Figura III-8: Tubería doble horizontal.
Figura III-9: Sistema en paralelo vertical.
Figura III-10: Sistema en serie vertical.
La selección de un intercambiador de calor horizontal, vertical o “Slinky” dependerá de la superficie de terreno
disponible, la potencia a disipar y los costos de instalación. Generalmente los sistemas horizontales se emplean
para instalaciones de baja potencia (viviendas) con grandes superficies disponibles, mientras que los sistemas
verticales permiten la ejecución de grandes instalaciones con una perfecta integración en la edificación y sin
hipotecar grandes superficies de terreno. La configuración “Slinky” es una variante de la horizontal –consistente en
disponer la tubería formando bucles o espiras– que se emplea para instalar la mayor longitud de intercambiador
con la menor excavación posible.
Para diseñar cada tipología de intercambiador de calor enterrado habrá que tener en cuenta lo siguiente:
Intercambiador Horizontal:
o Profundidad de la zanja
o N° de zanjas
o Espacio entre las sondas en cada zanja
Intercambiador Vertical:
o Profundidad de cada perforación
o N° de perforaciones
o Distancia entre perforaciones (se recomienda que esta distancia no sea menor a los 6 metros para
evitar interferencias térmicas entre las perforaciones, distancia que deberá aumentarse cuando la
conductividad del terreno sea elevada)
Intercambiador Slinky:
o Profundidad de la zanja
o N° de zanjas
o Diámetro y paso de las espiras
En las siguientes gráficas se muestran las distintas configuraciones según la trayectoria del fluido, en las
instalaciones en serie hay solamente una trayectoria para el fluido, mientras que en un sistema en paralelo el fluido
puede tomar dos o más trayectorias en alguna parte del circuito. El diseñado seleccionará un modo de circulación
u otro teniendo en cuenta las ventajas e inconvenientes que se citan a continuación.
Figura III-11: Flujo en serie/paralelo en configuración horizontal.
Figura III-12: Flujo en serie/paralelo en configuración vertical.
Ventajas de los sistemas en serie:
La trayectoria del fluido está perfectamente definida.
El aire atrapado puede ser eliminado con gran facilidad.
Funcionamiento térmico más alto por metro de tubo puesto que se requiere de un diámetro superior.
Desventajas de los sistemas en serie:
Se necesita un diámetro mayor para el tubo, lo que implica mayor cantidad de fluido y anticongelante, es
decir aumenta el costo de la instalación.
Longitud limitada debido a la caída de presión del fluido.
Ventajas de los sistemas en paralelo:
Costos de instalación más bajos al disminuir los diámetros necesarios y la cantidad de fluido de
intercambio.
Desventajas de los sistemas en paralelo:
Hay que tener especial cuidado en la eliminación del aire atrapado.
Problemas al equilibrar el flujo en los distintos bucles.
III.3.4 Elección de los tubos.
III.3.4.1 Elección de los materiales.
El polietileno (PE) y polibutileno (PB) son los materiales más comunes en los intercambiadores de calor enterrados.
Ambos son flexibles a la vez que resistentes y pueden unirse mediante fusión por calor para formar empalmes más
fuertes que el tubo mismo.
III.3.4.2 Elección de los diámetros.
Para la selección del diámetro de las tuberías se debe llegar a un compromiso entre la caída de presión y el
funcionamiento térmico, ya que éste:
1. Debe ser lo suficientemente grande para producir una pérdida de carga pequeña y así necesitar menor
potencia de bombeo.
2. Debe ser lo suficientemente pequeño para asegurar altas velocidades y así garantizar turbulencia del fluido
dentro del tubo, de manera que se favorezca el traspaso térmico entre el fluido que circula y la pared
interior. Cuanto mayor sea la turbulencia mayor será el intercambio térmico. La condición que asegura la
turbulencia es:
Re=4 x Qπ x Dx ϑ
;
Ecuación III-7
Donde:
Re: número de Reynolds que caracteriza si el flujo es laminar o turbulento.
Q: caudal en m3/s.
D: diámetro del tubo en metros.
ϑ: viscosidad cinemática m2/s.
III.3.4.3 Estudios de temperaturas.
Tanto el polietileno (PE) como el polibutileno (PB) se comportan adecuadamente a las temperaturas de trabajo del
intercambiador de calor, fijadas por la bomba de calor, y que dependen del punto de trabajo de la bomba de calor
seleccionada. Cuando la bomba de calor está en modo calefacción (produciendo en el condensador agua caliente
para suministrar al edificio entre 45-55 °C), en el evaporador se produce agua fría a unos 5-15 °C, que es la que
circula por las tuberías del intercambiador de calor enterrado. En refrigeración, cuando la bomba de calor produce
frío en el evaporador, a una temperatura comprendida entre 7-12 °C, por las tuberías del intercambiador enterrado
circulará el agua de intercambio de calor con el condensador a unos 25-35 °C.
III.3.4.4 Comprobación de la velocidad mínima del fluido.
Para comprobar la velocidad mínima del fluido para asegurar flujo turbulento basta con comprobar el caudal
mínimo circulante por la tubería.
III.4 Dimensionamiento del intercambiador de calor enterrado.
El intercambio de calor vendrá fijado por la diferencia de temperaturas entre el suelo y el fluido que circule por el
intercambiador, por lo tanto, para dimensionar el intercambiador de calor enterrado en primer lugar hay que
determinar estas temperaturas.
III.4.1 Determinar la temperatura máxima y mínima de la tierra.
A partir de la Ecuación II.1 se calculan las temperaturas máximas (TH) y mínimas de la tierra (TL) que ocurren
durante el ciclo anual para cualquier profundidad (Xs). Las ecuaciones analíticas son las siguientes:
T L ( X s )=Tm−A s e(−X s √ π
365 x α );
Ecuación III-8
T H (X s )=T m+A s e(−X s √ π
365 x α );
Ecuación III-9
La temperatura media de la tierra Tm se puede asumir como la temperatura seca media anual del lugar.
III.4.2 Determinar las temperaturas máximas y mínimas de entrada del fluido a la bomba de calor.
Un parámetro clave que tiene que elegir el diseñador del sistema es la temperatura del fluido que circule por el
intercambiador de calor enterrado. Debe encontrarse el compromiso óptimo entre dos consideraciones:
Cuanto más baja sea la temperatura en invierno (más alta en verano), mayor será la diferencia con la
temperatura del suelo, y menor tendrá que ser el intercambiador enterrado para el mismo intercambio de
calor, por lo que los costes de inversión serán menores.
Cuanto más alta sea la temperatura en invierno (más baja en verano), mayor será el COP del sistema, por
lo que el ahorro energético será mayor.
III.4.3 Calcular la diferencia de temperatura entre la tierra y el circuito.
Hay que calcular la diferencia de temperatura entre el mínimo de la temperatura de la tierra (TL) y la temperatura
mínima del agua de la bomba de calor (TMIN) para los ciclos de calefacción. En el caso de la refrigeración, hay que
calcular la diferencia en la temperatura del agua máxima de la bomba de calor que entra (TMAX) y la temperatura
máxima de la tierra (TH).
III.4.4 Calcular la resistencia de los tubos al flujo de calor.
La siguiente expresión determina la resistencia térmica de las tuberías del intercambiador enterrado:
Rp=1
2 x π xk px ln(D0D1 );
Ecuación III-10
Donde:
D0: diámetro exterior de la tubería en metros
D1: diámetro interior de la tubería en metros
Kp: conductividad térmica del material del tubo
III.4.5 Calcular la resistencia de la tierra.
La resistencia de la tierra (Rs) es la inversa de la conductividad térmica del terreno.
III.4.6 Cálculo del factor de utilización.
En el diseño de una instalación de bomba de calor geotérmica hay que tener en cuenta tanto la potencia pico como
la demanda energética a proporcionar; podemos distinguir entre los siguientes conceptos:
Cargas de diseño: son usadas para dimensionar y seleccionar la bomba de calor. Las cargas de diseño
están basadas en estándares o condiciones aceptadas para una localización dada en el día más
desfavorable de funcionamiento.
Demanda de energía: determina la energía necesaria que debe proporcionar el sistema al edificio durante
un periodo determinado (diario, mensual, anual, etc.).
Demanda del terreno: representa el calor captado por la tierra (en modo calefacción) o disipado por la
tierra (en modo refrigeración).
III.4.6.1 Procedimiento de cálculo de las cargas de diseño.
El procedimiento de cálculo de cargas para dimensionar un sistema de climatización es perfectamente conocido
por los diseñadores y existen varios métodos para ello. Fijando las condiciones interiores y exteriores, hay que
determinar el calor que debe aportar el sistema de calefacción para suplir la pérdida de calor del edificio en invierno
y calcular la ganancia de calor del edificio en verano que deberá evacuarse mediante el sistema de refrigeración
para mantener una temperatura confortable. Sólo se precisa realizar estos cálculos en los meses de enero y julio,
ya que son los meses con las condiciones críticas para calefacción y refrigeración.
III.4.6.2 Cálculo de la energía. Cálculo del factor de utilización.
Además de la potencia de la bomba de calor, en el diseño de los sistemas geotérmicos es imprescindible conocer
la demanda energética del edificio, ya que únicamente cuando la bomba de calor esté en funcionamiento el
intercambiador de calor cederá o absorberá calor. Debido a que la bomba de calor se dimensiona para las
condiciones de funcionamiento más desfavorables, cuando la carga térmica del edificio sea inferior a la potencia
de la bomba de calor, ésta funcionará intermitentemente. Este aspecto afecta a la resistencia térmica del suelo, ya
que para el cálculo de la Rs se tiene que saber la cantidad total de calor que llega a inyectarse o extraerse durante
toda una estación. Para considerar este efecto se debe determinar, tanto en calefacción como en refrigeración, la
fracción de tiempo que está en marcha la bomba de calor, que se multiplicará por la resistencia térmica del suelo, a
esta fracción se le llama factor de utilización (F) y es el cociente entre la demanda térmica del edificio durante una
estación (calefacción o refrigeración) dividido por la potencia de la bomba de calor.
III.4.7 Cálculo de la longitud del intercambiador enterrado.
A partir de todos los parámetros determinados anteriormente la longitud del intercambiador de calor enterrado se
puede determinar para calefacción y refrigeración mediante las siguientes expresiones. Estas expresiones son
válidas tanto para intercambiadores enterrados verticales como horizontales, las características de la configuración
empleada se reflejan en el valor de la resistencia térmica de la tierra (Rs).
Lcalefacción=Qcalefacción x
COPcalefacción−1COPcalefacción
x (Rp+R s x Fcalefacción )
T l−T min;
Ecuación III-11
Lrefrigeración=Qrefrigeración x
COPrefrigeración−1COPrefrigeración
x (R p+Rs x F refrigeración )
T max−T H;
Ecuación III-12
En intercambiadores de calor que funcionen en ambos modos se tomará la longitud más desfavorable.
III.4.7 Selección de la bomba de circulación.
Para la selección de la bomba de circulación del intercambiador de calor enterrado se tendrá en cuenta el caudal
fijado por la bomba de calor seleccionada y la caída de presión del ramal del intercambiador más desfavorable.
Muchos modelos de bombas de calor para estas aplicaciones llevan ya incorporada una bomba de circulación para
el bucle enterrado.
IV EJEMPLO DE APLICACIÓN DE ECUACIONES
El siguiente capítulo tiene por finalidad explicar el uso de algunas expresiones incluidas dentro del trabajo, de
forma de facilitar al lector la comprensión de las expresiones. De igual forma se proponen aproximaciones para la
obtención de los valores necesarios para poder desarrollar el método de diseño.
IV.1 Estudio de Temperaturas
Se consulta el registro de CITRA de la Universidad de Talca, con un registro desde 1976 hasta 2005 de las
temperaturas:
MesesT° Mínima T° Máxima T° Media
° C °C °C
Enero 12,4 30,3 21,2
Febrero 11,9 29,5 20,3
Marzo 9,8 26,8 17,4
Abril 7,5 21,5 13,4
Mayo 6,3 16,4 10,5
Junio 5,1 13,4 8,7
Julio 4,2 13,1 7,9
Agosto 4,5 15,3 9,1
Septiembre 5,8 18,1 11,3
Octubre 7,6 21,6 14,1
Noviembre 9,6 25,4 17,1
Diciembre 11,9 28,7 20,1
Media 8,1 21,7 14,2
Tabla IV-2: Valores de temperaturas ambientales de Talca.
En la Tabla, el promedio de Temperaturas Medias anual (14 °C. aproximadamente) es el valor que se utiliza para
estimar la Temperatura Media del suelo (TM), la cual se determina aumentando en 1 °C. Por lo anterior la
temperatura media del suelo de Talca es de 15 °C.
IV.2 Oscilación de temperaturas medias.
La oscilación de temperaturas medias se puede calcular restando a la temperatura correspondiente de cada mes,
el promedio de temperaturas medias anual (14.2 °C. exactamente para este ejemplo), obteniendo de esa forma la
oscilación mensual, luego se obtiene el promedio de las oscilaciones, que resulta cero.
MesesT° Media Oscilación
Anual (As)°C
Enero 21,2 7
Febrero 20,3 6,1
Marzo 17,4 3,2
Abril 13,4 -0,8
Mayo 10,5 -3,7
Junio 8,7 -5,5
Julio 7,9 -6,3
Agosto 9,1 -5,1
Septiembre 11,3 -2,9
Octubre 14,1 -0,1
Noviembre 17,1 2,9
Diciembre 20,1 5,9
Media 14,2 0,0
Tabla IV-3: Oscilación superficial de temperaturas medias con respecto a su promedio.
Luego se grafican los valores de la Tabla N° 2, con respecto a su promedio, para apreciar la Oscilación de
temperaturas superficiales medias, y determinar visualmente la Oscilación Anual (Annual Swing: As) ubicada en la
Fase (to) de oscilación de la curva. Como se muestra en la Figura
Enero
FebreroMarzo Abril
MayoJunio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Oscilación Anual de Temperaturas As
Figura IV-13: Gráfica de Oscilación superficial de temperaturas medias con respecto a su promedio, y determinación de As y to.
De esta gráfica se puede observar que la oscilación anual (As) es de -6.3 °C.
IV.3 Propiedades térmicas de los suelos
Los diferentes tipos de suelos poseen características térmicas, tales como, la Conductividad (λ), la Difusividad
(a), el Calor Específico (c), y también poseen características físicas como su Densidad (ρ). El dato que se
requiere en la ecuación analítica para estimar las temperaturas del suelo, es el valor de la Difusividad térmica del
suelo.
Tipo de SueloConductividad
TérmicaDifusividad
TérmicaDensidad Calor
Específico(W/m °C) (m2/día) (kg/m3) (W/kg °C)
Suelo Duro, Húmedo 1,2983 0,0555 2098 0,2677Suelo Duro, Seco 0,87 0,0448 2002 0,2328Suelo Ligero, Húmedo
0,8655 0,0446 1602 0,291
Suelo Ligero, Seco 0,3462 0,0248 1442 0,2328
Tabla IV-4: Propiedades térmicas de los suelos (International Ground Source Heat Pump Association, 1998).
La clasificación de los tipos de suelos se realiza en forma visual en terreno. Los suelos de tipo Duro, corresponden
a los suelos gruesos, con gran contenido de grava y arenas. Los suelos de tipo Ligero, corresponden a suelos
finos, constituidos principalmente por limos, arcillas y material orgánico.
El contenido de humedad de los suelos se analiza en forma visual, caracterizándolo como Seco (sin presencia de
humedad), Húmedo (con presencia de humedad al sentir el suelo con las manos), y Saturado (con presencia de
agua libre en la superficie del suelo).
IV.4 Cálculo de la temperatura del suelo a distintas profundidades.
Se presenta el resumen de cálculo de las temperaturas del suelo de acuerdo a la Ecuación II.1 y a la tabla IV.2.
Profundidad del Suelo 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Tipo de Suelo Meses Temperatura del Suelo °C
Suelo DuroHúmedo
DifusividadTérmica
E 19,5 10,7 15,7 14,7 12,0 17,4 10,6 17,5F 17,7 13,0 13,3 16,8 10,6 18,1 10,7 16,8M 14,9 15,8 10,9 18,4 9,9 17,9 11,7 15,3A 11,9 18,1 9,5 18,8 10,4 16,6 13,3 13,6M 9,5 19,5 9,3 18,0 12,0 14,7 15,2 12,0J 8,4 19,4 10,4 16,2 14,1 12,7 16,8 11,0J 8,9 17,8 12,6 13,8 16,3 11,0 17,8 10,9A 10,8 15,3 15,2 11,5 17,9 10,3 17,7 11,6S 13,6 12,6 17,5 10,0 18,5 10,6 16,7 13,1
0,0555O 16,6 10,2 19,0 9,6 17,9 11,9 15,0 14,9N 18,9 8,9 19,1 10,4 16,4 13,7 13,1 16,4D 20,0 9,1 17,9 12,3 14,2 15,8 11,5 17,4
Promedio 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2
Profundidad del Suelo 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Tipo de Suelo Meses Temperatura del Suelo °C
Suelo DuroSeco
DifusividadTérmica
E 13,4 19,2 16,3 10,7 11,4 16,2 17,1 13,4F 16,1 19,3 14,1 10,0 13,0 17,3 16,1 12,2M 18,6 18,1 11,7 10,2 15,0 17,7 14,6 11,4A 19,8 15,9 10,1 11,5 16,8 17,2 12,9 11,4M 19,6 13,2 9,5 13,6 17,9 15,8 11,6 12,1J 17,9 10,8 10,2 15,8 18,0 14,0 11,0 13,4J 15,1 9,3 12,0 17,6 17,1 12,3 11,3 14,9A 12,1 9,1 14,4 18,5 15,3 11,0 12,3 16,3S 9,8 10,3 16,7 18,2 13,3 10,7 13,9 17,0
0,0448O 8,5 12,6 18,4 16,8 11,5 11,3 15,5 17,0N 8,9 15,2 18,9 14,8 10,5 12,6 16,8 16,3D 10,6 17,7 18,2 12,5 10,4 14,5 17,4 14,9
Promedio 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2
Profundidad del Suelo 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Tipo de Suelo Meses Temperatura del Suelo °C
Suelo LigeroHúmedo
DifusividadTérmica
E 13,1 19,0 16,9 11,3 10,8 15,3 17,4 14,6F 15,9 19,4 14,8 10,2 12,1 16,7 16,9 13,2M 18,4 18,5 12,4 10,0 14,1 17,6 15,6 11,9A 19,8 16,4 10,5 10,9 16,0 17,6 14,0 11,3M 19,7 13,7 9,5 12,8 17,5 16,7 12,4 11,5J 18,1 11,2 9,8 15,0 18,1 15,1 11,3 12,4J 15,4 9,5 11,4 17,0 17,6 13,2 11,0 13,8A 12,4 9,0 13,7 18,3 16,2 11,6 11,6 15,3S 10,0 10,0 16,1 18,4 14,3 10,8 12,8 16,5
0,0446O 8,6 12,1 18,0 17,4 12,3 10,8 14,4 17,1N 8,8 14,7 18,9 15,6 10,9 11,8 16,0 16,9D 10,4 17,3 18,5 13,3 10,3 13,4 17,1 16,0
Promedio 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2
Profundidad del Suelo 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Tipo de Suelo Meses
Temperatura del Suelo °C
Suelo LigeroSeco
DifusividadTérmica
E 12,7 18,0 16,9 12,7 11,6 14,2 16,0 15,0F 10,5 16,5 17,8 14,1 11,6 13,2 15,6 15,5M 9,1 14,2 17,8 15,7 12,3 12,3 14,7 15,8A 9,1 12,0 16,9 16,9 13,4 12,0 13,8 15,6M 10,4 10,4 15,2 17,3 14,8 12,3 12,9 15,0J 12,8 9,7 13,3 17,0 16,0 13,0 12,4 14,3J 15,6 10,3 11,6 15,8 16,7 14,2 12,4 13,4A 18,0 12,0 10,6 14,2 16,8 15,3 12,9 12,8S 19,3 14,2 10,6 12,6 16,1 16,1 13,7 12,6
0,0248O 19,3 16,5 11,6 11,5 14,9 16,4 14,7 12,8N 17,9 18,1 13,2 11,1 13,5 16,1 15,5 13,4D 15,5 18,7 15,2 11,5 12,3 15,3 16,0 14,2
Promedio 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2
Bibliografía
Bernier, J. (14 de 12 de 2014). http://www.friocalor.cl.
Refrigeración, A. T. (2010). Guía Técnica de Diseño de Sistemas de Bomba de Calor Geotérmica. Madrid: Instituto
para la Diversificación y Ahorro de la Energía.