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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
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