RENDIMIENTO TÉRMICO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA REDUCIR LA DEMANDA ENERGÍA DE

ENFRIAMIENTO Y RENOVACIÓN DE AIRE EN ESPAÑA

J. Escuer1 y L. Brunat1

1 GEOCONSULTORES TECNICOS Y AMBIENTALES, S.L. Príncep de Viana,11 25004 LLEIDA. renovables@geoconsultores.com Resumen: Existe una creciente demanda de sistemas de refrigeración mecánica y renovación de aire en los edificios debido tanto a la aplicación del CTE como al aumento en la construcción termicamente eficiente en España. El uso de sistemas aerogeotérmicos para refrigeración y renovación del aire en los edificios es una alternativa atractiva con bajo consumo de energía. Los intercambiadores aerogeotérmicos son sistemas de baja energía que utilizan la temperatura estable del suelo bajo la superficie para mejorar la temperatura de aire de ventilación. En una instalación real los parámetros de diseño de un intercambiador suelen presentar lagunas que deben solucionarse estimativamente como es el caso de la naturaleza y características físicas del suelo y su superficie, la descripción detallada de las condiciones climáticas o las características de los edificios cercanos que influencian la temperatura del suelo. Para garantizar un nivel satisfactorio de exactitud en los resultados es importante cuantificar la influencia de cada uno de estos parámetros. Un parámetro muy influyente debe ajustarse con precisión, mientras que un parámetro poco influyente puede ser estimado con menor precisión. Asimismo debe conocerse cual es el rendimento de la instalación y su traducción en terminos de ahorro energetico y económico que validen su viabilidad. Palabras clave: Intercambiadores, rendimiento, enfriamiento, renovación, aerogeotermia 1. EL INTERCAMBIADOR AEROGEOTERMICO. Un intercambiador aerogeotérmico es un sistema que aumenta la temperatura del aire de entrada al interior del edificio durante el invierno y la disminuye durante el verano, aprovechando el potencial térmico del subsuelo. A lo largo de un año, la temperatura del aire exterior puede llegar a oscilar 40ºC (Ej. las medias mínimas y máximas de Madrid oscilan entre los -2,6°C en invierno y los 35,5°C en verano), mientras que el subsuelo, a una profundidad de 2 metros, presenta una oscilacion de 5 ºC para el mismo caso (Madrid entre 12°C y 17°C.) existiendo además un decalaje de 45 días entre los máximos/mínimos de superficie y los de subsuelo. En una instalación tipo el aire penetra por una toma de aire debidamente protegida, circula filtrado por canalizaciones enterradas gracias a un sistema de impulsión y es repartido por las estancias del edificio a climatizar asegurando un aporte de aire nuevo al local pretratado térmicamente. El rendimiento depende grandemente de las temperaturas involucradas. En nuestro país y siguiendo el ejemplo de Madrid, durante el invierno, la temperatura del aire suministrado por el intercambiador al edificio es mayor que la exterior aunque no llegue a alcanzar la temperatura de confort dado que el aire no superará la temperatura del subsuelo (sobre los 15º C) solo la alcanzará en el mejor de los casos. Sin embargo, durante el verano, con un sistema correctamente dimensionado e implementado, es asequible alcanzar la temperatura de confort (22-27º C) incluso con temperaturas exteriores extremas. 1. PARÀMETROS CONDICIONANTES DEL RENDIMIENTO. Para poder determinar el grado de influencia de un determinado parámetro primero es preciso conocer la totalidad de los parámatros que influyen en el comportamiento térmico de los intercambiadores aerogeotérmicos, dado que son diversos, pero no todos tienen el mismo nivel de dominancia en el comportamiento y debe distinguirse cuales de ellos son más significativos. Estos seran los parámetros a considerar en el diseño de la instalación y su modelización.

El  flujo  total  de  aire     El caudal total de aire que fluye a través del intercambiador aerogeotérmico debe proporcionar aquellas necesidades de ventilación que sean requeridas, en especial las obligadas por el CTE. Si bien el caudal en el sistema de ventilación puede variar en función del modo de operación (precalentamiento, renovación o enfriamiento) la determinación del flujo máximo de aire necesario es la primera condición de diseño del intercambiador a tener en cuenta. Dicho parámetro depende de la velocidad del flujo de aire en la instalación y de la magnitud y características de la superficie de intercambio. Esta última a su vez depende del número, diametro y longitud de conductos o tubos instalados. A continuación se evalua la influencia de cada uno de estos factores. Número y diámetro de los tubos El número y diámetro de los tubos define la sección transversal total por la que circula el aire. Para una velocidad de flujo constante los diámetros mayores posibilitan un mayor caudal pero a costa de obtener unas temperaturas de salida menos eficientes (a igual longitud de tubo) al presentar menor superficie de intercambio en contacto con el aire. (Figura 1). Sin embargo los diametros menores obligan a un mayor número de tubos para obtener el mismo caudal y aumentan las pérdidas de carga en la instalación. Estos parámetros se ajustan por el caudal nominal de la ventilación.

Figura 1. Influencia del diametro del conducto (velocidad constante) en la temperatura interior del tubo de intercambio, la magnitud del flujo de aire y la longitud necesaria para obtener la temperatura de intercambio. Modo refrigeración. Fuente: Geoconsultores Técnicos y Ambientales, S.L.

Velocidad del aire La velocidad del aire en los conductos no es un parámetro independiente dado que está directamente relacionada con la elección de los parámetros anteriores (diametro, flujo requerido). La velocidad condiciona el tipo de flujo en los conductos (Laminar, transicional y turbulento), y afecta no sólo el valor del coeficiente de transferencia de calor entre el aire y los tubos, sino también la pérdida de carga mecánica que debe ser compensada por el sistema de impulsión. Para limitar la pérdida de carga, minimizar ruidos y obtener unas temperaturas eficientes en el intercambio la velocidad debe ser moderada. Este parámetro tiene un papel importante en el régimen de flujo de aire en los tubos y la eficacia de los intercambios por convección entre el aire y el tubo. Su influencia en la eficiencia promedio del intercambiador de calor es muy significativa. Naturalmente, la eficiencia del intercambiador aerogeotérmico se reduce a velocidades altas (la temperatura del aire es menos favorable). Por contra, esto no significa que el precalentamiento o enfriamiento sean menos eficaces. De hecho, el poder de intercambio de calor (flujo térmico) con el suelo es más importante para grandes caudales, aunque esto no aparece reflejado en la temperatura de salida del intercambiador (Figura 3). Del mismo modo su variación puede aumentar o reducir el rendimiento general del sistema dado que la potencia suministrada a la construcción varía con fuerza según el periodo considerado.

Figura 2. Influencia de la velocidad de flujo (a diametro constante) en la temperatura interior del tubo de intercambio, la magnitud del flujo de aire y la longitud necesaria para obtener la temperatura de intercambio. Modo refrigeración Fuente: Geoconsultores Técnicos y Ambientales, S.L.

Figura 3. Influencia de la velocidad de flujo en el flujo térmico. Modo refrigeración. Fuente: Geoconsultores Técnicos y Ambientales, S.L. Longitud de los tubos La longitud del tubo determina la superficie de intercambio y el tiempo de permanencia y/o tránsito del aire en los conductos. En una primera aproximación, el perfil de temperatura del aire en los tubos es asintótica (Figura 1). Por lo tanto, más allá de una cierta longitud no existe ninguna mejora en el intercambio. Así que puede decirse que debe buscarse una longitud óptima del intercambiador en relación con la longitud característica del intercambio de calor. Evidentemente también existe una relación directa entre la longitud del tubo y la pérdida de carga mecánica por lo que suele ser preferible utilizar varios tubos con un tiempo de intercambio razonable en lugar de uno o dos tubos más largos, con mayor eficiencia en la temperatura debido al aumento del tiempo. Diversos autores han publicado reglas de dimensionamiento simples que permiten ajustar los parametros precedentes en función del caudal total de ventilación HOLLMULLER (2002), DE PAEPE et al. (2003). Distancia entre tubos La función de almacenamiento y descarga térmica del suelo está proporcionada por el volumen de la masa de intercambio (terreno natural o artificial) ubicados alrededor de cada tubo. La profundidad de penetración de la señal térmica en cuestión es proporcional al espesor del suelo y a la difusividad de este. Por lo tanto, si la distancia entre dos tubos es de magnitud similar o menor a la profundidad de penetración, la temperatura de la porción de terreno ubicada entre los tubos se ve influida simultáneamente por los dos tubos ocasionando una reducción de la capacidad local almacenamiento del suelo.

El  subsuelo     Profundidad de instalación En una instalación aerogeotérmica el subsuelo actúa como aislante térmico amortiguando la temperatura y decalando en el tiempo la onda térmica entre la atmósfera y los conductos. La profundidad de instalación afecta la calidad de este aislamiento. Tipo de suelo y contenido de humedad La capacidad calorífica y la conductividad del suelo tienen una influencia importante sobre la eficacia del sistema y dependen no solo de la composición del suelo, sino también su contenido de humedad y la migración de agua en ella. La capacidad calorífica del suelo depende de la capacidad de sus diversos componentes: minerales, materia orgánica, aire y agua. El agua tiene un capacidad y conductividad térmica superior a la de otros elementos del suelo. Por lo tanto, el suelo húmedo transmite mejor el calor que el suelo seco. Este efecto se utiliza para aumentar temporalmente el rendimiento de los intercambiadores de calor aire-tierra humedeciendo el suelo con el riego. La influencia del nivel freático. El intercambiador aerogeotérmico puede estar afectado por las oscilaciones del nivel freático lo que añade una fuerte restricción de sellado de los tubos. La presencia de agua modifica las propiedades del suelo (Humedad) y, cuando está circulando, representa una fuente de temperatura estable.

Características  geométricas,  materiales  y  ubicación   Algunos parámetros son menos conocidos. Sin embargo, algunos de ellos parecen jugar un papel importante en el comportamiento los intercambiadores aerogeotérmicos. Rugosidad de los conductos La rugosidad de las cámaras de aire favorece la transferencia de calor por convección mediante la creación de turbulencia, sin embargo, también promueve perdidas de carga. Además, las irregularidades dentro de los tubos pueden promover el estancamiento de agua condensada, que en última instancia, pueden degradar la calidad del aire ventilado (desarrollo de micro-organismos). El interior de los tubos debe ser lo más suave posible. La composición de los tubos El calor específico del material constitutivo de los tubos afecta poco el comportamiento térmico del intercambiador dado el bajo espesor de las paredes de los conductos. De hecho, las tuberías delgadas reducen en gran medida la capacidad y la resistencia térmica total de los tubos. La conductividad térmica de los tubos no afecta la temperatura del suelo pero si juega un rol importante en la eficacia del intercambio ya que las bajas conductividades lo dificultan THIERS (2008).

La geometría del intercambiador El intercambiador se compone generalmente de uno o más tubos dispuestos en paralelo, horizontalmente. En determinados diseños se agrupan en la entrada y salida de los colectores mientras que en otros las entradas y salidas vienen controladas por sendos plenums. El diseño del intercambiador debe tener en cuenta la dinámica de fluidos que se da en su interior para minimizar las pérdidas de carga. Influencia de la edificación y ubicación del intercambiador El intercambiador aerogeotérmico, siempre se encuentra cerca de un edificio o bajo su cimentación. Sin embargo, un edificio pueden intercambiar calor con el suelo y causar una perturbación local de la temperatura del suelo. Esta interacción tiene una influencia significativa en el rendimiento global del intercambiador dado que la influencia de la construcción en el intercambiador es alta. La existencia de aislamiento entra la cimentación y el suelo, la ubicación a la sombra de una pared norte o la exposición completa a la dinámica natural de la superficie del terreno (viento, lluvia, nieve, radiación solar) pueden influir grandemente en el rendimiento de la instalación para un mismo suelo y contexto climático THIERS (2008).

Contexto  atmosférico  y  climático   Radiación solar La radiación solar captada en la superficie calienta el suelo. El cálculo de la temperatura del suelo implica tener en cuenta el balance térmico realizado en la superficie de tierra y debe incluir el intercambio radiativo. De hecho, es una contribución importante de energía, cuya influencia en la temperatura del suelo es significativa, especialmente en aguas poco profundas. Los modelos que no contemplan la radiación solar pueden proporcionar resultados erróneos en la evaluación de la la temperatura del suelo del orden de varios grados. Humedad Las humedades relativas, tanto la del aire de entrada como la del aire de salida del intercambiador, han de ser tenidas en cuenta debido a los fenómenos de cambio de fase (calor latente) que se dan en el interior del intercambiador. De hecho, para climas secos, la condensación y evaporación del agua dentro de los tubos se producen sólo de forma episódica (por ejemplo, después de una tormenta). A lo largo del año, estos fenómenos no son frecuentes y su influencia en el comportamiento del intercambiador de calor es limitada en el tiempo. Sin embargo bajo otros climas, dicho intercambio puede ser importante. Una característica poco conocida de los intercambiadores aerogeotérmicos es que además de amortiguar la temperatura también amortiguan la humedad relativa, ello es especialmente relevante en clima húmedo donde un intecambiador aerogeotérmico correctamente diseñado modula la humedad del aire interior, lo que también contribuye a la mejora del confort térmico. 1. EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO. Para evaluar el rendimiento de un intercambiador aerogeotérmico deben evaluarse dos tipos de rendimiento: el rendimiento intrínseco y el rendimiento general del sistema de ventilación, la

comodidad y el ahorro de energía conseguidos. Los indicadores utilizados para la evaluación se presentan a continuación. Eficacia instantánea La eficacia instantánea [E] de un intercambiador aerogeotérmico sólo depende de tres parámetros : la temperatura de entrada al intercambiador [Te], la temperatura del suelo "no perturbado" por el intercambio [Tsuelo] y la temperatura de salida [Ts] del intercambiador según la expresión:

E = (Ts-Te)/(Tsuelo-Te)

Los valores de la eficiencia dependen de la temperatura del suelo en cuestión y estan relacionados con la la temperatura de salida mediante los parametros que controlan el tiempo de intercambio. Esta temperatura no suele ser medida y debe ser calculada. Cualquier error en su cálculo induce a un error en el cálculo de los indicadores. Por lo tanto, estos indicadores deben ser utilizados con prudencia si se trata de comparar intercambiadores en ubicaciones diferentes y evaludos por diferentes autores. COP Es frecuente calcular este indicador, más propio de una bomba de calor o aire acondicionado, para los intercambiadores aerogeotérmicos. Sin embargo en este caso tiene un sentido escaso y podría dar lugar a interpretaciones erróneas, ya que los servicios prestados por estos sistemas no son equivalentes. La relación entre la energía obtenida y la invertida en un intercambiador aerogeotérmico depende de varios factores relacionados basicamente con la estimación de la energía invertida. En el caso de intercambiadores impulsados por sistemas pasivos (chimeneas solares) el COP, en términos económicos, puede llegar a ser infinito dado que no hay coste alguno en la inversión de energía. El COP varia con las condiciones climáticas existentes y por tanto también depende del periodo considerado. (Ver tabla). No obstante el COP de un intercambiador aerogeotérmico puede ser calculado solo por el cociente de energías PFAFFEROTT (2003) según la expresión:

COP= ∑ (Qcalentamiento+Qenfriamiento)/ ∑ ( ΔpV)

Siendo Q el calor total aportado por el intercambiador en [W], tanto en modo precalentameinto como en modo enfriamiento, Δp las perdidas de carga en [Pa] y V el flujo de aire medido en [m3/s].

Tabla I. Ejemplo de rendimiento según las temperaturas involucradas. Intercambiador aerogeotérmico en vivienda unifamiliar en Sidamon. Fuente: Geoconsultores.

Temp ºC (entrada)

Energía ahorrada

Kw/h

Energía consumida

Kw/h

Tsalida ºC (cálculo)

COP (cálculo)

Temp ºC (salida)

(medida) 40 13 0,5 28,8 26 26,6

30 8 0,5 23,2 16 24,4

25 5 0,5 20,4 10 24,5

8 3 0,5 10,9 6 --

5 5 0,5 9,2 10 --

0 7 0,5 6,4 14 --

-5 10 0,5 3,6 20 --

3. POTENCIAL DE USO EN ESPAÑA La utilización de sistemas aerogeotérmicos para reducir la demanda de calefacción para uso residencial en edificios en España no se justifica por si sola dado que el potencial que ofrece el subsuelo no permite alcanzar las temperaturas de confort sin un apoyo externo por parte de otra tecnología. Sin embargo su uso en refrigeración es claramente aconsejable. En especial en aquellas ubicaciones donde el salto térmico entre el día y la noche es apreciable y las humedades relativas son moderadas. En estas condiciones el sistema es capaz de cubrir las necesidades de refrigeración de forma completa. En climas más húmedos y con menor salto térmico como son las zonas costeras los intercambiadores aerogeotérmicos proporcionan un beneficio añadido debido a su capacidad para modular la húmedad relativa. En todos los casos el uso de este tipo de instalaciones mejoran la eficiencia térmica de la ventilación tanto en condiciones invernales como estivales siendo por tanto una alternativa económica y sostenible frente a los sistemas convencionales. 3. REFERENCIAS DE PAEPE, M. y JANSSENS, A. (2003). “Thermo-hydraulic design of earth-air heat exchangers.” Energy and Buildings 35, 2003. HOLLMULLER, P., et al (2002), “Utilisation des échangeurs air-sol pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments”. Thèse de doctorat. Faculté des sciences de l'Université de Genève. 125 p. PFAFFEROTT, J. (2003).: “Evaluation of earth-to-air heat exchangers with a standardisedmethod to calculate energy efficiency”. Energy and Buildings 35. THIERS, S. (2008). “Bilans énergétiques et environnementaux de Bâtiments à énergie positive”. Thèse de doctorat. Ecole nationale superieure des mines de Paris. 255 p.