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SOLUCIONES ENERGETICAS PARA EDIFICIOS DE ENERGIA CASI NULA

CAPITULO 1

GEOTERMIA POR AIRE PARA LA REDUCCION DEL CONSUMO ENERGETICO EN EDIFICIOS DE

ENERGIA CASI NULA: RESPUESTA TERMICA DEL TERRENO CON LA PROFUNDIDAD

Autor: Manuel Sánchez Iturbe, Energy Manager (Ideya)

669 80 95 56

msanchez@ideyared.es

30/03/2016

1 INTRODUCCION

Este es el primero de una serie de artículos, que nos

enseñarán distintas medidas destinadas a conseguir

elevados niveles de ahorro energético en edificios de

energía casi nula (EECN).

Todos ellos están basados en los resultados reales del

funcionamiento de estos sistemas en un edificio EECN

en uso (edificio CIEM), situado en Zaragoza (España), y

que ha sido monitorizado durante un periodo de tres años.

En la primera serie de artículos nos centraremos en el

estudio y resultados del funcionamiento de un

intercambiador tierra-aire EAHX (Earth-air heat

exchanges), más conocido como tubos canadienses o

pozo provenzal.

En diversos países europeos esta técnica se está

introduciendo sobretodo en viviendas unifamiliares.

Cada vez es mayor el interés de arquitectos y diseñadores

de utilizarla para reducir el gasto energético. Sin

embargo, todavía existe una cierta desconfianza sobre su

utilización debido a la falta de información de los

rendimientos reales obtenidos.

Un intercambiador tierra-aire consiste en la instalación

de una serie de tubos enterrados a cierta profundidad, a

través de los cuales se hace circular el aire exterior

empleado en la ventilación del edificio. Este sistema

permite tanto calentar, como enfriar gracias a la

transferencia térmica que se produce con el terreno.

Uno de los aspectos más importantes a la hora de diseñar

un EAHX es conocer como varía la temperatura del

terreno con la profundidad, ya que ello repercutirá en su

eficiencia, la inversión económica y en la amortización

de la instalación.

1 IDAE: “Guía Técnica diseño de sistemas de intercambio geotérmico

de circuito cerrado”. (2012)

2 COMPORTAMIENTO DE LA

TEMPERATURA DEL TERRENO EN

FUNCION DE LA PROFUNDIDAD

La temperatura del terreno varía con la profundidad,

desde una temperatura superficial que coincide con la

temperatura exterior hasta un valor prácticamente

constante a lo largo de todo el año, y que se corresponde

con temperatura media del aire exterior durante un

periodo de un año.

La forma como varía la temperatura depende de aspectos

como la temperatura media del aire en el exterior, la

profundidad, y de una característica propia del terreno

que llamamos difusividad. Existen otros factores

particulares como la presencia de aguas termales o

vulcanismo que no vamos a considerar.

Hasta una profundidad de unos 10-12 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 a partir de 8m.

Por debajo de dicha profundidad y hasta profundidades

de unos 60-80 m existe una zona neutral, donde la

temperatura se mantiene prácticamente constante. Por

debajo de dicha profundidad suele establecerse ya un

gradiente geotérmico claro y la temperatura

generalmente se incrementa con la profundidad entre 15-

30 °C/km(1).

Para el uso de intercambiadores tierra-aire, nos

centraremos en el comportamiento del terreno en las

capas más superficiales (hasta 10m de profundidad), ya

que el profundizar por debajo supone un coste

excesivamente elevado.

La variación de la temperatura con la profundidad sigue

una regla que se puede definir matemáticamente de la

siguiente forma(2):

𝑇(𝑧, 𝑡) = 𝑇0 + 𝐴𝑒−𝑧√𝑤

2𝛼⁄ 𝑆𝑖𝑛 [𝑤(𝑡 + 𝐷) − 𝑧√

𝑤

2𝛼] [1]

Siendo:

- 𝑻𝟎: la temperatura exterior media anual (ºC);

- z : la profundidad del suelo (m); t el tiempo (días);

- A,: es la amplitud de la variación de la temperatura

del suelo (ºC);

- w : es la frecuencia de la variación de la temperatura

del suelo, definida como w=2π/365;

- D : el número de días al año con una temperatura

media igual a la temperatura media del año;

2 Ref: “Earth temperatures and underground buildings”. B.Givoni,

L.Katz (1985).

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- α : es la difusividad térmica del suelo (Para un terreno

arcilloso tomaremos un valor de 2,5x10-7 m2/s).

Se trata de una función senoidal cuyo periodo es de

un año. Su amplitud va decreciendo con la

profundidad y se produce un cierto desfase a medida

que penetramos en el terreno.

Difusividad térmica del terreno:

La difusividad térmica (𝛼) mide con qué velocidad la

temperatura varía dentro de una sustancia cuando

alteramos la temperatura de contacto con una fuente de

calor.

Está directamente relacionado con la conductividad

térmica del terreno (expresada como k), y es

inversamente proporcional a su calor específico (Cp), y

su densidad (ρ):

𝛼 =𝑘

𝜌𝐶𝑝

Por lo general, valores altos de difusividad están

relacionados con materiales buenos conductores del

calor, y valores bajos con materiales aislantes. Un valor

alto en la difusividad térmica significa que el terreno

conduce el calor mucho mejor que su capacidad de

almacenarlo, y un valor bajo significa que el terreno será

buen almacenador respecto a cómo conduce el calor.

En la mayoría de los casos la determinación de las

propiedades térmicas de los suelos es muy complicada.

Labs y Harrington (1982) realizaron un análisis de los

valores de difusividad térmica calculados por Kusuda

(1968). Givoni y Katz seleccionaron como valores

límites α = 0,4 10-6m2/s para suelo seco y α=1,08 10-6m2/s

para suelo húmedo. En la tabla siguiente se muestran

ejemplos de difusividad térmica para distintos materiales.

Temperatura media del terreno:

El valor medio de la temperatura del aire exterior, To, ha

sido obtenido tomando los datos registrados durante los

tres últimos años, obteniéndose un valor de 17,09ºC.

La temperatura media del terreno ha sido validada

mediante los datos aportados por una sonda que registra

las temperaturas del agua de un pozo de captación a 20m

de profundidad, usada por la bomba de calor geotérmica

del sistema de refrigeración del edificio. Los valores

registrados en los tres años de monitorización oscilan

entre los 17,7ºC en estaciones cálidas y los 16,7ºC en las

más frías, lo que da una media de 17,3ºC (figura 2).

Estos valores se aproximan bastante a los teóricos, por lo

que se pueden tomar como válidos. Hay que tener en

cuenta que la temperatura de los acuíferos se ve afectada

por otros factores complejos que no aparecen en la ec.

[1], y que la medición de los equipos de las sondas están

cerca de los rangos máximos de precisión.

Variación de la temperatura con la profundidad:

En la figura 3 hemos representado la ecuación [1] a

distintas profundidades para diferentes días del año.

En este caso hemos tomado la difusividad de un terreno

arcilloso y seco (α=2,5x10-7 m2/s), una temperatura

media exterior T0=17,09, y una amplitud A = 18,1ºC

(valor medio entre la temperatura media del mes más frío

Tm,feb = 6,7ºC y del mes más cálido Tm,ago= 29,5).

De los resultados, obtenemos las siguientes conclusiones:

A partir de una profundidad de 6m la temperatura del

terreno se empieza a estabilizar y es menos

dependiente de las variaciones térmicas exteriores.

Por lo que a partir de esa profundidad conseguiremos

una mayor eficacia del sistema.

Las temperaturas, a distinta profundidad, adquieren

una oscilación ondulatoria que se encuentran con un

desfase mayor a medida que profundizamos. Así, en

nuestro caso, a una profundidad de 0,5m tenemos un

desfase de 18 días con respecto a la temperatura del

suelo, a 2m el desfase ya es de 68 días, y a los 6m

llega a ser de 160 días.

Conductividad

termica

W/m.K

2,9

1700 2200 910 1180 2 1,29E-06 7,704E-07

1200 2300 1670 2500 1,5 7,49E-07 2,609E-07

0,25

0,585

2,2

0,023

1,13872E-06

0,0000184

Composicion del

suelo

m2/s

800

1900

4200

2100

1000

Difusividad

1,36792E-06

1,01215E-07

1,39286E-07

Aire

DensidadCapacidad

Calorífica

J/kg.Kkg/m3

2650

1300

1000

920

1,25

Mineral

Arena y grava

Arcilla

Materia orgánica

Agua

Hielo

2011 2012 2013 Media

Enero 16,8 16,7 17,1 16,9

Febrero 17,1 16,9 16,8 16,9

Marzo 17,2 17,2 17,1 17,2

Abril 17,3 17,2 17,3 17,3

Mayo 17,3 17,3 17,3 17,3

Junio 17,4 17,3 17,4 17,4

Julio 17,4 17,4 17,6 17,5

Agosto 17,6 17,5 17,7 17,6

Septiembre 17,7 17,7 17,6 17,7

Octubre 17,7 17,6 17,5 17,6

Noviembre 17,6 17,6 17,2 17,5

Diciembre 17,2 17,4 17,2 17,3

Media 17,4 17,3 17,3 17,3

Temperaturas medias freático (a 20m de prof)

Fig 2: Temperatura media del freático a 20m de profundidad

Fig 1: Difusividad térmica de diferentes materiales. Fuente: Paud, D. Getohermal energy and heat storage. 2002

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La temperatura del terreno a suficiente profundidad

(entre 15 y 20 metros) converge hacia un valor

constante en todo el año. Este valor coincide con la

temperatura media del terreno a cualquier

profundidad y se aproxima al valor de la temperatura

media anual exterior de 17,09ºC.

A partir de la ec [1] podemos calcular las

temperaturas máxima y mínima del terreno a lo largo

del año, para la profundidad de la instalación de 6m:

𝑇(𝑧=6,𝑚𝑎𝑥) = 𝑇0 + 𝐴𝑒−𝑧√𝑤

2𝛼⁄= 17,62 ºC

𝑇(𝑧=6,𝑚𝑖𝑛) = 𝑇0 − 𝐴𝑒−𝑧√𝑤

2𝛼⁄= 16,55ºC

Desfase de la temperatura del terreno

El desfase de la onda de temperaturas a la profundidad de

la instalación (profundidad media de 6m) se puede

observar con los resultados de las mediciones de las

temperaturas de entrada y salida del intercambiador

tierra-aire y que vemos representadas en la figura 4.

Sin embargo, con el funcionamiento habitual del

intercambiador, introduciendo aire exterior durante todo

el año, este problema no solo se elimina sino que mejora

la eficacia del intercambiador.

Así el terreno almacena calor durante los periodos cálidos

y lo devuelve durante los fríos evitando la saturación de

temperaturas. Este efecto de retraso de la onda de

temperaturas se puede apreciar claramente con el análisis

de las temperaturas de entrada-salida del intercambiador

(figura 4).

Los valores medios de ambas temperaturas siguen curvas

sinusoidales de distinta amplitud y con cierto desfase

entre ellas; como consecuencia, existirán momentos

donde la diferencia entre ambas ondas cambie de signo.

Así, en nuestro caso, existe un periodo, desde el 14 de

marzo hasta el 14 de Septiembre, donde predomina el

enfriamiento del aire (la curva Te está por encima de la

Ta), seguido por un periodo de calentamiento (Te por

debajo de Ta). Lo que demuestra que el intercambiador

sirve tanto para enfriar en las estaciones cálidas como

para calentar en las más frías.

A 6 m de profundidad, la distribución de temperaturas

promedio de entrada y salida (𝑇𝑒,𝑚𝑒𝑑 , 𝑇𝑎,𝑚𝑒𝑑) del aire

siguen las siguientes funciones sinusoidales:

𝑇𝑎,𝑚𝑒𝑑 = 17,12 + 6,65 𝑆𝑖𝑛 (2𝜋(𝑡 − 103)365

⁄ + 𝟑𝟏, 𝟐)

𝑇𝑒,𝑚𝑒𝑑 = 17,09 + 10,05 𝑆𝑖𝑛 (2𝜋(𝑡 − 103)365

⁄ )

Se aprecia un desfase de 31,2 días entre ellas; este desfase

da idea de la gran inercia térmica que tiene el terreno, lo

que permite mejorar la eficacia del intercambiador sobre

todo durante las estaciones intermedias de primavera y

otoño.

Intercambiador tierra aire como amortiguador

térmico

Si observamos la respuesta del intercambiador ante las

variaciones de temperatura del aire exterior, tanto diarias

como mensuales y las comparamos con las de salida (una

vez realizado el intercambio térmico), vemos como se

produce una fuerte amortiguación de la temperatura; es

decir, variaciones importantes de la temperatura de

entrada (figura 5) son absorbidas por el terreno dando

lugar a pequeñas variaciones en la temperatura de salida

(figura 6). Este efecto es de gran importancia pues nos

permite conseguir aire exterior a una temperatura

prácticamente constante y de forma gratuita,

independientemente de lo que ocurra en el exterior.

Fig 3: Desfase ondulatorio de la temperatura del terreno a diferentes profundidades en diferentes días del año, para una difusividad α=0,25x 10-6 m2/s, y desfase de la onda de temp. (Gráficas de elaboración propia).

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Fig 4: Registro de temperaturas de entrada-salida de aire en el EAHX del edificio CIEM, durante los años 2011 a 2013. A trazos se representan las curvas promedio. (Gráfica de elaboración propia con los datos registrados).

Fig 5: Rangos de variación de la temperatura del aire a la entrada del EAHX para los distintos meses del año 2012

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3 CONCLUSIONES

La temperatura del terreno a pequeñas profundidades (de

6 a 10m) se mantiene prácticamente constante durante

todo el año, sin embargo, al instalar un intercambiador

tierra-aire se produce una alteración que repercute en el

desfase de la onda estacional de temperaturas. Este

desfase da idea del gran poder de almacenamiento

térmico que tiene el terreno y de su capacidad de

amortiguar las variaciones térmicas del aire exterior que

introducimos.

Sin embargo, la geotermia de baja temperatura no

debemos considerarla como una fuente de calor

inagotable, sino como un sistema de almacenamiento de

energía capaz de compensar las fuertes variaciones

térmicas externas.

El efecto de saturación puede ocurrir cuando el sistema

solo se emplea para enfriar o calentar, o cuando

manejamos un flujo de entrada de aire a temperatura

constante. En estas circunstancias, la temperatura del

terreno en el entorno de los conductos tiende a

equilibrarse con la temperatura del aire de entrada

reduciendo el proceso de intercambio de calor y por tanto

reduciéndose la eficacia del EAHX.

Sin embargo, con el funcionamiento habitual del

intercambiador, introduciendo aire exterior durante todo

el año, este problema no solo se elimina sino que mejora

la eficacia del intercambiador, pues aprovechamos su

capacidad de almacenar la energía térmica estacional.

Fig 6: Rangos de variación de la temperatura del aire a la salida del EAHX para los distintos meses del año 2012