Climatizacion_14_BombasCalorGeotermicas7

8/4/2019 Climatizacion_14_BombasCalorGeotermicas7

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Diseo de sistemasde bomba de calorgeotrmica

Gua tcnicaDiseo de sistemasde bomba de calorgeotrmica

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Diseo de sistemasde bomba de calorgeotrmica

Gua tcnica


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TTULO

Gua tcnica de diseo de sistemas de bomba de calor geotrmica

AUTOR

La presente gua ha sido redactada por la Asociacin Tcnica Espaola de Climatizacin

y Refrigeracin (ATECYR) para el Instituto para la Diversicacin y Ahorro de la Energa

(IDAE), con el objetivo de promocionar la eciencia en el uso nal de la energa en los

edicios.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a todas las personas que han participado en la elaboracin de esta gua y enparticular a D. Javier Urchuegua y al Comit Tcnico de ATECYR responsable de su revisin

tcnica.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Esta publicacin est incluida en el fondo editorial del IDAE, en la serieAhorro y Eciencia Energtica en Climatizacin.

Cualquier reproduccin, total o parcial, de la presente publicacin debecontar con la aprobacin del IDAE.

Depsito Legal: M-00000-2008ISBN: 000-00-00000-00-0

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

IDAE

Instituto para la Diversifcacin y Ahorro de la Energa

c/ Madera, 8

E - 28004 - Madrid

[email protected]

www.idae.esMadrid, xxxxx 2010


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1 Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Objeto y campo de aplicacin de la gua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 Los sistemas de bomba de calor geotrmica

como herramienta de ahorro energtico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4 Fundamentos trmicos del terreno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1 Evolucin de la temperatura con la profundidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.2 Propiedades trmicas del terreno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

5 Diseo del intercambiador de calor enterrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5.1 Procedimiento de diseo de un intercambiador enterrado . . . . . . . . . . . . . . 15

6 Ejecucin de la instalacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.1 Perforacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276.2 Ejecucin y relleno de zanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8

6.3 Pruebas de presin y purgado en el intercambiador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

6.4 Montaje de colectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.5 Sala de mquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7 Puesta en marcha de los equipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.1 Limpieza y purga del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8 Mantenimiento de la instalacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Apndice I: Clculo de la resistencia trmica de los intercambiadores (Rs) . . . 41

Apndice II: Trminos y defniciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Apndice III: Smbolos y unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Apndice IV: Normas y documentos para consulta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47


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Introduccin

La geotermia se encuentra entre las fuentes de energasrenovables menos explotadas en nuestro pas, situa-cin que generalmente se ha venido justicando porel escaso potencial de desarrollo que, supuestamente,presenta esta forma de aprovechamiento energtico.Esta apreciacin supone en realidad un error, al confun-dir la parte con el todo; en este caso, la geotermia dealta temperatura (asociada al vulcanismo y a la produc-cin elctrica) con la geotermia en su conjunto.

Cuando se habla de aprovechamiento geotrmico, esnecesario diferenciar los diferentes rangos de tempe-

ratura (o, ms tcnicamente, potencial entlpico) delos diferentes yacimientos, que van desde las aplica-ciones ya mencionadas de muy alta entalpa, pasandopor las de alta y media temperatura asociadas al ter-malismo y a los sistemas de calefaccin de distrito ynalmente el aprovechamiento de la geotermia de muybaja temperatura, que requiere de la intervencin debombas de calor. En el rango de temperaturas ms ba-jas, el aprovechamiento geotrmico mediante bombade calor (en adelante, bomba de calor geotrmica oBCG) no requiere de condiciones extraordinarias del te-rreno, siendo amplia su disponibilidad como fuente deenerga renovable y sostenible para un sinfn de aplica-

ciones trmicas.

Las ventajas de las BCG son mltiples, ya que se con-jugan el concepto de ahorro y eciencia (entre el 40%y el 60% de la energa primaria que se utiliza en clima-tizacin, segn el sistema con el que se compare), elhecho de ser una fuente de energa renovable y mlti-ples ventajas en cuanto a integracin arquitectnica,facilidad de mantenimiento y escasez de ruido. Adicio-nalmente, son sistemas basados en tecnologas bienconocidas y, por consiguiente, su introduccin puedebasarse en gran medida en elementos ya disponibles

en el mercado. Finalmente, la BCG destaca por su ca-pacidad de integrarse con otras fuentes de energa

renovables, a las que complementa ms que sustituyey puede ayudar en su desarrollo, tales como los pane-les solares trmicos.

Sin embargo, nuestro pas cuenta entre las naciones enque tradicionalmente estos sistemas han tenido msescaso desarrollo, situacin poco acorde, tanto con elpotencial de dicha fuente como con el impulso que hatenido en otros pases.

Sera en consecuencia relevante preguntarse por lascausas especcas que explicaran la diferencia conrespecto a pases como Suecia, Alemania, Suiza o Aus-tria, en los que la bomba de calor geotrmica, ya desdenales de los aos 70 y al calor de las sucesivas crisisdel petrleo, ha ido consolidndose en los respectivosmercados de calefaccin y refrigeracin.

Las razones para ello no son de ndole tcnica, ya quede hecho el propio principio de funcionamiento de lasBCG puede verse beneciado si el equipo tiene dobleuso para calefaccin y refrigeracin.

Por su principio de funcionamiento, la BCG es sim-plemente una bomba de calor que transere calor a o

desde la aplicacin (edicio o proceso) al terreno. Elloposibilita una menor demanda de energa primaria porparte del compresor (elctrico o de gas) debido a que,en muchos momentos, el suelo posee condiciones detemperatura ms favorables que el aire.

As, si tomamos como ejemplo el caso de Valencia, elterreno, a partir de unos 5 metros de profundidad se ha-lla a una temperatura estable de unos 19 C a lo largodel ao. Sin embargo, en momentos de gran consumoenergtico, las unidades que se basan en el intercambiotrmico con el aire ambiente pueden percibir, en verano,

temperaturas superiores a 35 C, y en invierno de 10 Co inferiores.


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Diseo de sistemas de bomba de calor geotrmica

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El mejor rendimiento de este tipo de bombas se basapor consiguiente, no tanto en una diferencia en su tec-nologa o componentes, sino en el aprovechamiento deun sencillo principio de la termodinmica mediante lagestin energticamente sostenible y eciente del te-rreno como foco trmico. Por otro lado, dicha gestinsostenible y eciente implica un mayor grado de dicul-tad que en el caso del aire, puesto que el terreno poseecaractersticas trmicas ms complejas y, con frecuen-cia, poco conocidas.

Desde el punto de vista de ujos de calor, las bombasde calor que solamente operan para calefaccin (o enmodo invierno) realizan una permanente extraccinde calor del terreno, que se contrarresta por el calorque aporta el Sol y el ujo de calor ascendente que pro-

viene de mayores profundidades (y debido al llamadogradiente geotrmico). En sistemas que operan paracalefaccin y refrigeracin, es necesario adems teneren cuenta el balance energtico del suelo, es decir, ladiferencia entre el calor aportado y extrado del terrenopara la aplicacin en diferentes momentos. En un siste-ma perfectamente balanceado (igual cantidad de calorextrado o aportado al terreno), el suelo opera mera-mente como un buen almacn de calor entre la estacinfra y caliente, siendo sta la situacin ideal desde elpunto de vista de diseo y dimensionado. En la medidaen que nos apartemos del balance trmico, el sistema

habr de dotarse de una capacidad suplementaria de

intercambio trmico para ser capaz de operar a largoplazo de manera estable y sostenible. Otro factor dediseo primordial es la existencia de demandas trmi-cas pico o a corto plazo que pueden requerir el dotaral sistema de BCG de una capacidad de intercambiosuplementaria.

En Espaa, el desconocimiento, la falta de legislaciny tradicin en innovacin, la heterogeneidad de suscondiciones climatolgicas y de suelo, entre otros fac-tores, han supuesto hasta aos recientes una barrerainfranqueable para los sistemas de BCG, a pesar deque, por lo dicho anteriormente, su aplicacin puederesultar idnea desde el punto de vista tcnico. Estasituacin ha venido revirtindose, con lentitud al prin-cipio y ms velocidad ltimamente, ante los enormes

retos a los que se enfrenta el pas desde el punto devista energtico.

Entretanto, son ya numerosas las experiencias, tantoen el mbito cientco como comercial, en la implan-tacin de BCG en diferentes zonas en nuestro pas, demanera que nos encontramos en un momento de cam-bio que nos puede acercar rpidamente al nivel en quese encuentra en otros pases europeos. La presenteGua de Diseo pretende aportar su granito de arena eneste desarrollo, tratando de facilitar la comprensin dealgunos de los principios bsicos de diseo de BCG a unamplio espectro de lectores interesados.


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Objeto y campo deaplicacin de la gua

Por lo escrito anteriormente, las instalaciones de bom-ba de calor geotrmicas son de reciente aplicacinen Espaa aunque es una tecnologa ampliamente di-fundida en la mayora de pases del Norte de Europa,Estados Unidos, Canad, etc. Debido a la novedad y a suespecicidad con aspectos alejados de la sistemticahabitual en el sector de la climatizacin, por ejemplo,el conocimiento de aspectos geolgicos, la obra civilasociada (perforaciones y zanjas) en su implantacines necesario el absoluto control por parte de un agenteespecializado en todas las fases de su desarrollo (des-de el diseo, pasando por el control de obra hasta las

fases de mantenimiento posterior) para asegurar unaimplantacin exitosa en nuestros mercados.

Existen diversos sistemas de intercambio de calor aso-ciados a la bomba de calor geotrmica. En primer lugarcabe distinguir entre los sistemas de circuito abierto ylos sistemas de circuito cerrado. En los circuitos abiertosse realiza la captacin de un recurso hdrico (acufero,lago, ro) para intercambiar calor devolvindose pos-teriormente a su origen. En los circuitos cerrados es unuido caloportador dentro de una tubera el que realizael intercambio, generalmente con el suelo aunque tam-bin se puede realizar con una masa de agua. En este

apartado, cabe destacar por su enorme potencial, lasdenominadas cimentaciones termoactivas, en las quese aprovecha la propia estructura del edicio (pilotes,pantallas, muros o losas) para ubicar las tuberas de in-tercambio de calor.

En esta Gua se contempla el diseo de los sistemas geo-trmicos de bucle cerrado enterrados en el subsuelo yque emplean como uido caloportador agua o agua conanticongelante, que son los sistemas ms empleados.

El objeto de este documento es jar las condicionestcnicas mnimas que deben cumplir las instalacionesde bomba de calor geotrmica de circuito cerrado paraclimatizacin de edicios y produccin de agua calientesanitaria, especicando los requisitos de diseo, insta-lacin y mantenimiento.

Quisiramos recalcar que la presente gua no constitu-ye un manual de diseo de aplicacin indiscriminada yes de su lectura y adecuada comprensin que el lectorhabr de extraer conclusiones acerca de su aplicabili-dad o no a un determinado proyecto o de la necesidadde recurrir en su caso a herramientas de anlisis y simu-lacin ms avanzadas.


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Los sistemas de bombade calor geotrmicacomo herramienta de

ahorro energtico

En general, una bomba de calor es una mquina que trans-

ere el calor desde un foco fro a otro caliente utilizandouna cantidad de trabajo relativamente pequea. Por tan-to, la ventaja que poseen las bombas de calor frente aotros sistemas, reside en su capacidad para aprovecharla energa existente en el ambiente (foco fro), tanto enel aire como en el agua o la tierra, y que le permite cale-factar las dependencias interiores (foco caliente) con unaaportacin relativamente pequea de energa elctrica.

Cuando se realiza la transferencia de calor en sentido in-

verso, es decir, desde el recinto que requiere fro haciael ambiente que se encuentra a temperatura superior, labomba de calor trabaja en modo refrigeracin.

La bomba de calor geotrmica extrae energa trmicadel suelo en invierno transrindola al interior, mientrasque en verano extrae el calor del interior y lo devuelveal subsuelo.

Calor

introducidoen la tierra

VERANO (REFRIGERACIN)

Calorextrado dela vivienda

Consumoelctrico

Bomba de calor

Intercambiadorenterrado

Calor

extradode la tierra

INVIERNO(CALEFACCIN)

Calorintroducido en

la vivienda

Consumoelctrico

Bomba de calor

Intercambiadorenterrado

Figura 3.1: Esquema de funcionamiento de la bomba de calor geotrmica

Tanto la potencia calorca o frigorca de la bomba decalor como la eciencia energtica (COP, Coefcient ofPerformance, razn de la potencia calorca o frigorcasuministrada por la bomba de calor y su consumo elc-trico) pueden variar segn la temperatura de trabajo,independiente de las eciencias mecnicas y trmicasde los distintos componentes de la mquina.

En la gura 3.2 vemos la base fsica de la relacin tempe-ratura-prestaciones para una bomba de calor trabajando

en modo calor. En la grca a la izquierda se ve el aumen-to de entalpa del refrigerante en la etapa de compresin

[1 2], que corresponde al trabajo del compresor. Si lo-gramos aumentar la temperatura de evaporacin, y porlo tanto la presin (grca a la derecha), el compresortiene que trabajar menos para llegar a la misma presin(y por lo tanto temperatura) en el condensador y el gas-to de electricidad disminuye. En refrigeracin se puedeahorrar energa del mismo modo bajando la temperaturadel condensador. El suelo, comparado con el aire, ofre-ce una fuente de calor a mayor temperatura en invierno,cuando est conectado al evaporador; en verano, cuando

intercambia calor con el condensador, forma un sumiderode calor a menor temperatura.


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0 50 100 150

Entalpa (kJ/kg)

Presin

(bar)

200 250 300 350

0

3

4

2

1

1

50 100 150 200 250 300 350

50

1010

0 50 100 150

Entalpa (kJ/kg)

Preson

(bar)

200 250 300 350

0

3

4

2

1

1

50 100 150 200 250 300 350

50

1010

Figura 3.2: Ciclo frigorco de la bomba de calor

Cuando la bomba de calor opera en modo calefaccin,una buena parte del calor que se utiliza en la aplicacines calor extrado indirectamente del sol que previamen-te ha sido almacenado por el subsuelo. La parte de calorque proviene del gradiente geotrmico del subsuelo, esdecir, del interior de la tierra, es relativamente pequeao incluso nula.

Por tanto, un aumento del COP de la bomba implicaautomticamente que se est utilizando una mayor

proporcin de energa renovable trmica, segn la ti-pologa y profundidad del circuito. En este sentido, lacapacidad de produccin de calor de origen renovablede una bomba de calor es muy grande en comparacincon otras tecnologas, aunque usualmente se requierapara posibilitar tal ujo, de la introduccin de una ciertacantidad de energa ya sea elctrica o trmica.

En refrigeracin el nfasis debe ponerse en que eluso del suelo como sumidero de calor puede me-jorar sustancialmente el COP en comparacin conenfriadoras basadas en el aire como foco. Al no habermuchas alternativas tecnolgicas (una vez se ha he-cho lo recomendable, es decir, recortar en lo posiblelas cargas trmicas del edicio), la bomba de calorgeotrmica es una de las pocas opciones reales paraproducir un ahorro sustancial en climatizacin. Porotro lado, y al menos en parte, el calor aportado en el

suelo durante el proceso aumenta la temperatura delmismo y contribuye a mejorar la eciencia del procesoinverso, el de calefaccin. Por tanto, una bomba decalor con intercambiador de calor enterrado en modofro supone una opcin real de mejora energtica yahorro y produce almacenamiento de calor de origenrenovable.


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Fundamentos trmicosdel terreno

4.1 eVolucindelatemPeraturaconlaProfundidad

La energa aportada por la radiacin solar, precipi-taciones y otros efectos atmosfricos es transferidadiariamente a y desde la supercie de la tierra produ-cindose un equilibrio trmico. Como consecuencia deeste equilibrio, la temperatura de la tierra a ciertas pro-

fundidades (aproximadamente 10 metros) se mantieneconstante y se aproxima a la temperatura media anualdel aire ambiente en esa determinada zona (Figura 4.1.).En las profundidades comprendidas entre la superciey estos 10 metros, la temperatura de la tierra variar de-pendiendo de la profundidad y de las caractersticas deltipo de suelo: conductividad, difusividad, calor espec-co, etc. (Figura 4.3).

0 50 100 150

Da del ao

Temperatura(C)

200 250 300 350

14

16

18

20

22

24

26

Temperatura (C)

Da del ao

0

4

2

0

100

200

300

10

20

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Profundidad (m)

Figura 4.1: Variacin de la temperatura de la Tierra en funcin de la profundidad a lo largo de un ao

La gura muestra a la izquierda la evolucin estacionalde las temperaturas a lo largo de un ao para un pun-to situado a diferentes profundidades bajo la supercie.Las temperaturas y difusividades son tpicas de Valencia.Se observa que, a medida que se incrementa la profun-didad, la amplitud de las oscilaciones trmicas decrecey sus mximos y mnimos se van desfasando. La curvade color rojo corresponde a la oscilacin natural (inme-diatamente bajo la supercie), en magenta, azul claro,amarillo y azul oscuro se representan sucesivamente lasevoluciones de temperatura a 1 m, 2 m, 3 m y 10 m respec-tivamente. A la derecha podemos ver el mismo proceso

en una representacin tridimensional que permite obte-ner una idea global de la variacin en profundidad.

Como se puede observar en la gura anterior, a medi-da que aumentamos la profundidad en el terreno, laevolucin de la temperatura se va amortiguando has-ta permanecer constante. Tambin se aprecia como enverano e invierno, debido a la propia inercia del terre-no, las temperaturas mximas y mnimas del suelo seretrasan en torno a cuatro semanas comparadas a lastemperaturas superciales del suelo.

El gradiente geotrmico se dene como la variacin detemperatura con la profundidad, estando determinadoen unidades de C/km. Con respecto a dicho gradiente

y exceptuando zonas concretas con actividad magm-tica, pueden diferenciarse tres profundidades tpicas.


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Hasta una profundidad de unos 50 m, la temperaturadel terreno est bsicamente determinada por el in-tercambio trmico con la atmsfera y el sol, as comola presencia de aguas subterrneas, resultando sersustancialmente constante. Por debajo de dicha pro-fundidad y hasta profundidades de unos 100 m existeun gradiente geotrmico variable, al estar an las tem-peraturas bajo la inuencia de dichos fenmenos deintercambio supercial. Por debajo de dicha profun-didad suele establecerse ya un gradiente geotrmicoclaro y la temperatura generalmente se incrementacon la profundidad, aunque dicho incremento puedeser muy variable segn las condiciones tectnicasy propiedades trmicas del suelo. Con carcter ge-neral suele estimarse que el gradiente geotrmica apartir de dichas profundidades y en suelos estables

tectnicamente o sedimentarios puede oscilar entre15-30 C/km.

Desde el punto de vista del diseo y dimensionado deintercambiadores geotrmicos para aplicaciones demuy baja entalpa, puede concluirse de lo anterior queel gradiente geotrmico es un factor a tener en cuentanicamente en sistemas verticales cuya profundidadexcediese los 100 m. Una dicultad considerable paraello reside en el hecho de que el gradiente geotrmicopresenta, segn zonas, una considerable heterogenei-dad incluso sobre distancias horizontales pequeas.

4.1.1 Mtodos para calcular la evolucin detemperatura del terreno

Suponiendo un suelo homogneo con propiedadestrmicas constantes, la temperatura a cualquier pro-fundidad z puede calcularse a partir de la siguienteexpresin1:

T(z,t )=Tm Asez

365 cos

2365

t to z

2

365

(1)

donde T(z,t) es la temperatura en C del suelo en eltiempo t a una profundidad z, Tm es la temperatura me-dia anual del suelo en C (a una profundidad en dondeno son perceptibles las variaciones de temperatura), Ases la oscilacin de la temperatura supercial en C, t esel tiempo en das, t0 el desfase en das y a es la difusivi-dad trmica del suelo en m2/da.

La temperatura media del terreno (Tm) se puede asumircomo constante hasta profundidades de 100 metros.

El valor de la oscilacin anual (As) depende de la locali-zacin, del tipo de suelo y del contenido en agua.

El desfase en das (t0) se reere al desplazamiento de latemperatura supercial con la profundidad como se ob-serva en la gura 4.1; un valor tpico de este parmetroes 35 10 das (anlisis de Kusuda).

Los valores de la difusividad trmica del suelo (a ) de-penden del tipo de suelo y del contenido de agua.

Otras formas para determinar las temperaturas del sue-lo son:

1 El conocimiento de las condiciones de temperaturalocales del suelo basadas en la experiencia o datosmedidos.

2 Las grcas de diseo (curva de embudo) como lamostrada en la gura 4.2 para la determinacin dela temperatura mxima y mnima del suelo en fun-cin del tipo y profundidad del suelo.

3 Las tablas de diseo para determinar las tempera-turas mximas y mnimas del suelo para distintos

valores de oscilacin anual del suelo (As).

0 2 4 6 8

Profundidad (m)

Temperatura(C)

14

16

18

20

22

24

Figura 4.2: Evolucin de la temperatura del suelo. Curva embudo

La gura muestra la evolucin de la temperatura con laprofundidad para diferentes das a lo largo del ao. Lacurva roja corresponde a la distribucin de temperaturasen el da 30 (nales de enero), las curvas magenta, azulclaro y amarillo, respectivamente, a los das 90, 180 y 270.

(1) Kusuda T., Achenbach P.R. Earth temperature and thermal diffusivity at selec ted stations in the United States. ASHRAE Transactions. 1965, vol. 71, p. 61-75


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Fundamentos trmicos del terreno

4.2 ProPiedadestrmicasdelterreno

4.2.1 Conductividad

La conductividad trmica es una propiedad caracte-rstica de cada material que indica su capacidad paraconducir calor. Se puede expresar segn la ley deFourier como el calor que atraviesa en la direccin x unespesor de 1 m del material como consecuencia de unadiferencia de 1 grado entre los extremos opuestos. Seexpresa en W/mC o W/mK.

Qx =kAdT

dx (2)

Donde k es la conductividad trmica, Qx es el calordifundido por unidad de tiempo, A el rea de la super-cie a travs de la cual tiene lugar la transmisin decalor, y el cociente dT entre dx representa el gradientede temperatura.

X

xQ

K

Figura 4.3: Denicin de conductividad trmica

Para los materiales usuales en el terreno existen es-tudios que demuestran que la conductividad trmicaaumenta normalmente con el grado de humedad delmismo hasta alcanzar los valores de conductividadcorrespondientes a un terreno saturado, si bien no esfcil establecer la dependencia entre ambos factorescon carcter general.

Algunos de los valores ms usuales para la conductivi-dad trmica de acuerdo al tipo de terreno se recogen en

la tabla 4.1.

El clculo de la conductividad trmica para el diseo deun sistema de bomba de calor geotrmica se puede es-timar a partir de tablas, medir en laboratorio mediantepruebas de conductividad sobre parte de terreno recogi-do o determinar realizando un test de respuesta trmicadel suelo (Thermal Response Test, TRT). Este ltimomtodo es el ms able y el nico recomendado para

instalaciones medianas o grandes, ya que, por ejemplo,para una instalacin de 140 kWt una variacin del valorde clculo de la conductividad trmica de 2 a 2,2 W/mCsupone una reduccin de longitud del intercambiadorde calor de 100 metros para las mismas condiciones dediseo. Con este mtodo, para la determinacin de lascaractersticas trmicas del suelo, se fuerzan pulsos deinyeccin de calor o pulsos de extraccin de calor en unbucle enterrado y se mide su respuesta en temperatura;en funcin de dicha evolucin y en base a ecuacionesanalticas se puede obtener el valor de conductividadefectiva del terreno.

4.2.2 Capacidad trmica

Se denomina capacidad trmica o calorca al cocienteentre el calor que se suministra a un sistema y la varia-cin de temperatura provocada.

C =

dQ

dT (3)

Donde C es la capacidad calorca o trmica y dQ elcalor que es necesario suministrar para incrementar latemperatura en dT.

La capacidad trmica del terreno expresa el calor

que es capaz de almacenar un volumen de terreno alincrementarse su temperatura, de ah que se denomi-ne capacidad a esta magnitud, pero tambin de laoposicin a dicho cambio de temperatura en la medidaen que cuanto mayor sea la capacidad trmica mayorhabr de ser el calor suministrado para lograr la mis-ma variacin de temperatura pudiendo hablarse as decierta inercia trmica. Sus unidades son J/m3K.

4.2.3 Diusividad

La difusividad trmica se dene como el ratio entre la

capacidad de conduccin del terreno y la capacidad tr-mica del terreno. Se mide en m2/s.

El rango de valores para la difusividad trmica, deacuerdo con los trabajos de Labs y Harrington (1982),va desde 0,36 10 -6 m2/s hasta 0,8 10 -6 m2/s, segn seael suelo seco o hmedo, mientras que Givoni y Katzseleccionaron como valores lmites 0,4 10 -6 m2/s parasuelo seco y 1,08 10 -6 m2/s para suelo hmedo.


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Tipo de roca

onductividad trmica

(W/mK)apacidad trmica

volumtrica

Mn. Valor tpico Mx. (MJ/m3K)

Rocas magmticas

Basalto 1,3 1,7 2,3 2,3-2,6

Diorita 2 2,6 2,9 2,9

Grabo 1,7 1,9 2,5 2,6

Granito 2,1 3,4 4,1 2,1-3,0

Peridotita 3,8 4 5,3 2,7

Riolita 3,1 3,3 3,4 2,1

Rocas metamrfcas

Gneis 1,9 2,9 4 1,8-2,4

Mrmol 1,3 2,1 3,1 2

Metacuarcita aprox. 5,8 2,1

Micasquistos 1,5 2 3,1 2,2

Esquistos arcillosos 1,5 2,1 2,1 2,2-2,5

Rocas sedimentarias

Caliza 2,5 2,8 4 2,1-2,4

Marga 1,5 2,1 3,5 2,2-2,3

Cuarcita 3,6 6 6,6 2,1-2,2

Sal 5,3 5,4 6,4 1,2

Arenisca 1,3 2,3 5,1 1,6-2,8

Limolitas y argilitas 1,1 2,2 3,5 2,1-2,4

Rocas no consolidadasGrava, seca 0,4 0,4 0,5 1,4-1,6

Grava, saturada de agua aprox. 1,8 aprox. 2,4

Arena, seca 0,3 0,4 0,8 1,3-1,6

Arena, saturada de agua 1,7 2,4 5 2,2-2,9

Arcilla/limo, seco 0,4 0,5 1 1,5-1,6

Arcilla/limo, saturado de agua 0,9 1,7 2,3 1,6-3,4

Turba 0,2 0,4 0,7 0,5-3,8

Otros materiales

Bentonita 0,5 0,6 0,8 aprox. 3,9

Hormign 0,9 1,6 2 aprox. 1,8Hielo (-10C) 2,32 1,87

Plstico (PE) 0,39

Aire (0 - 20 C, seco) 0,02 0,0012

Acero 60 3,12

Agua (+ 10 C) 0,58 4,19

Tabla 4.1: Valores de conductividad y capacidad trmica para distintos tipos de materialesFuente: Paud, D. Getohermal energy and heat storage. 2002


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Diseo delintercambiadorde calor enterrado

En el diseo de los intercambiadores de calor enterra-dos intervienen mltiples factores que hacen factiblesdistintas variantes de diseo para un mismo sistema. Dela habilidad del proyectista depende buscar aquella con-guracin que sea ms adecuada a las caractersticasdel proyecto a realizar y que permita obtener el mximorendimiento de la instalacin al menor coste posible.

Existen en el mercado varios programas comercialesde diseo de intercambiadores de calor enterrados. Enesta gua se va a desarrollar la metodologa de diseode la Internacional Ground Source Heat Pump Associa-

tion (IGSHPA), metodologa vlida para una primeraaproximacin al diseo de sistemas geotrmicos.

El mtodo IGSHPA para el diseo de intercambiadoresenterrados est basado en la teora de la fuente de ca-lor en forma de una lnea innita (Kelvin Line SourceTheory) desarrollado por Ingersoll y Plass. Segn estateora un intercambiador de calor que cede calor al sue-lo se comporta como una fuente de calor con un espesorpequeo y una longitud innita, y por tanto slo cedecalor en el sentido radial.

Es un mtodo de clculo esttico que asume que el siste-

ma funciona durante un tiempo determinado a una cargaconstante y con el suelo a la temperatura ms desfavora-ble, es decir, el mes de enero para calefaccin y el mes dejulio para refrigeracin, y con una temperatura de aguaja. Durante los restantes meses, la temperatura del aireser ms moderada, y por lo tanto la carga calorca ofrigorca ser menor. Adems el suelo no estar tan fro(en inverno) o tan caliente (en verano), lo que har quela temperatura del agua sea ms moderada y el sistemafuncionar con un mayor rendimiento.

5.1 Procedimientodediseodeunintercambiadorenterrado

5.1.1 Eleccin de la bomba de calor

Las especicaciones de la bomba de calor jan variosparmetros de diseo del intercambiador de calor en-terrado, ya que nos determinan el calor intercambiadocon el suelo y el caudal circulante por el intercambia-dor de calor, adems de jar el rendimiento del sistema(Coefcient of Performance COP) de acuerdo con sus

curvas caractersticas de potencia-temperatura.

El COP de una bomba de calor representa la relacin en-tre la capacidad trmica de la misma (Q) y la potenciaelctrica consumida para suministrarla (W). Su deni-cin para los modos de calefaccin y refrigeracin es lasiguiente, as como la relacin entre el calor absorbidoo inyectado al terreno.

COPcalefaccin =

Q calefaccin

Wcalefaccin (4)

Qabsorbido = Qcalefaccin Wcalefaccin (5)

COP refrigeracin =

Q refrigeracin

W refrigeracin (6)

Qinyectado = Q refrigeracin +Wrefrigeracin (7)

La seleccin de la bomba de calor se realiza a partirde un clculo de cargas trmicas de acuerdo a las exi-gencias de diseo y dimensionado especicadas en elReglamento de Instalaciones Trmicas.


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Gua tcnica


16

5.1.2 Eleccin del uido circulante

El uido circulante por el intercambiador de calor enterrado es agua o agua con anticongelante, si se prev en diseo queel intercambiador geotrmico puede tener riesgo de congelacin (elevado funcionamiento en calefaccin, temperaturasfras de terreno, etc.). La eleccin del uido depender de distintos factores:

1 Caractersticas de transferencia de calor (conductividad trmica y viscosidad)

2 Punto de congelacin

3 Requerimientos de presin y cadas de presin por rozamiento

5 Corrosividad, toxicidad e inamabilidad

6 Coste

En la tabla 5.1 se muestran las propiedades fsicas de los uidos ms empleados.

Agua tilenglicol Propilenglicol Metanol

Densidad a 20 C (g/cm3) 1 0,9259 0,8630 0,6585

Punto congelacin C (30% volumen) 0 -13 -12 -26

Punto ebullicin C 100 197 187 64

Calor Especco a 15 C (kJ/Kg.K) 4,187 2,185 2,50371 2,47021

Viscosidad a 0 C (Pa.s) 10 -3 1,79 57,4 243 0,87

Viscosidad a 20 C (Pa.s) 10-3 1,01 20,9 60,5 0,60

Viscosidad a 40 C (Pa.s) 10-3 0,655 9,5 18,0 0,45

Conductividad trmica a 20 C (kW/m.K) 10-3 0,60 0,26 0,20 0,21

Tabla 5.1: Propiedades fsicas de los uidos

5.1.3 Eleccin de la confguracin a emplear

Los tipos de conguraciones ms usuales suelen atender a los siguientes criterios de clasicacin:

Segn el tipo de instalacin

Horizontal, segn el nmero de tubos puede ser

- Simple

- Doble

- Etc.

Vertical, segn el tipo de tubera instalada

- Simple U

- Doble U

- Coaxial


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Diseo del intercambiador de calor enterrado

Slinky

- En zanja horizontal

- En zanja vertical

Segn la trayectoria del uido

Serie

Paralelo

A continuacin se muestran unos esquemas de las conguraciones ms usuales:

Figura 5.2: Tubera doble horizontalFigura 5.1: Tubera simple horizontal

Figura 5.3: Sistema en paralelo vertical Figura 5.4: Sistema en serie vertical


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Gua tcnica


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Figura 5.5: Sistema de perforacin vertical

La seleccin de un intercambiador de calor horizontal,vertical o Slinky depender de la supercie de te-rreno disponible, la potencia a disipar y los costes deinstalacin. Generalmente los sistemas horizontales seemplean para instalaciones de baja potencia (viviendas)con grandes supercies disponibles, mientras que lossistemas verticales permiten la ejecucin de grandes

instalaciones con una perfecta integracin en la edica-cin y sin hipotecar grandes supercies de terreno. Laconguracin Slinky es una variante de la horizontalconsistente en disponer la tubera formando bucles oespiras que se emplea para instalar la mayor longitudde intercambiador con la menor excavacin posible.

Para disear cada tipologa de intercambiador de calorenterrado habr que tener en cuenta lo siguiente:

Intercambiador horizontal

Profundidad de zanja

N de zanjas

Espacio entre las sondas en cada zanja

Intercambiador vertical

Profundidad de cada perforacin

N de perforaciones

Distancia entre perforaciones (se recomienda

que esta distancia no sea menor a los 6 me-tros para evitar interferencias trmicas entrelas perforaciones, distancia que deber au-

mentarse cuando la conductividad del terrenosea elevada)

Intercambiador Slinky

Profundidad de zanja

N de zanjas

Dimetro y paso de las espiras

En las siguientes grcas se muestran las distintasconguraciones segn la trayectoria del uido, en lasinstalaciones en serie hay solamente una trayectoriapara el uido, mientras que en un sistema en paraleloel uido puede tomar dos o ms trayectorias en alguna

parte del circuito. El diseado seleccionar un modo decirculacin u otro teniendo en cuenta las ventajas e in-convenientes que se citan a continuacin.

Serie horizontal

Retorno

Ida

Paralelo horizontal

Colector ida Ramal Colectorretorno

Figura 5.6: Flujo en serie/paralelo en conguracin horizontal

Ida

Retorno

Serie vertical

Colector ida

Colector retorno

Paralelo vertical

Figura 5.7: Flujo en serie/paralelo en conguracin vertical


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Ventajas del sistema en serie

La trayectoria del uido est perfectamentedenida.

El aire atrapado puede ser eliminado con granfacilidad (purga).

Funcionamiento trmico ms alto por metrolineal de tubo puesto que se requiere de undimetro superior.

Desventajas del sistema en serie

Se necesita un dimetro mayor para el tubo,lo que implica mayor cantidad de uido y anti-

congelante (en su caso), es decir, aumenta elcoste de la instalacin.

Longitud limitada debido a la cada de presindel uido.

Ventajas del sistema en paralelo

Coste de instalacin ms bajo al disminuir losdimetros necesarios y la cantidad de uidode intercambio.

Desventajas del sistema en paralelo Hay que tener un cuidado especial para elimi-

nar el aire que pueda quedar atrapado.

Problemas para equilibrar el ujo en los dis-tintos bucles.

5.1.4 Eleccin de los tubos

5.1.4.1 Eleccin de los materiales

El polietileno (PE) y polibutileno (PB) son los materialesms comunes en los intercambiadores de calor ente-rrados. Ambos son exibles a la vez que resistentes ypueden unirse mediante fusin por calor para formarempalmes ms fuertes que el tubo mismo.

En la tabla 5.2 se recogen las caractersticas de los tu-bos para distintas presiones de trabajo. El espesor delas paredes y consecuentemente la resistencia del tubose dene en trminos de Schedule Rating (SCH) o SizeDimension Ratio (SDR).

5.1.4.2 Eleccin del dimetro

Para la seleccin del dimetro de las tuberas se debellegar a un compromiso entre la cada de presin y elfuncionamiento trmico, ya que ste:

1 Debe ser lo sucientemente grande para produciruna prdida de carga pequea y as necesitar me-nor potencia de bombeo.

2 Debe ser lo sucientemente pequeo para asegu-rar altas velocidades y as garantizar turbulenciadel uido dentro del tubo, de manera que se favo-rezca el traspaso trmico entre el uido que circulay la pared interior. Cuanto mayor sea la turbulenciamayor ser el intercambio trmico. La condicin

que asegura la turbulencia es:

Re=4 Q

D> 2.300

(8)

Donde Re es el nmero de Reynolds que caracteriza siun ujo es turbulento o laminar, Q el caudal (m3/s), Del dimetro del tubo (m) y J la viscosidad cinemtica(m2/s).

5.1.4.3 Estudio de temperaturas

Tanto el polietileno (PE) como el polibutileno (PB)se comportan adecuadamente a las temperaturasde trabajo del intercambiador de calor, jadas por labomba de calor, y que dependen del punto de trabajode la bomba de calor seleccionada. Cuando la bom-ba de calor est en modo calefaccin (produciendoen el condensador agua caliente para suministrar aledicio entre 45-55 C), en el evaporador se produceagua fra a unos 5-15 C, que es la que circula por lastuberas del intercambiador de calor enterrado. En re-frigeracin, cuando la bomba de calor produce fro enel evaporador, a una temperatura comprendida entre

7-12 C, por las tuberas del intercambiador enterradocircular el agua de intercambio de calor con el con-densador a unos 25-35 C.


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Gua tcnica


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POLTLO

Tipo Presin (Bar) iam ominal (Pul) =o xterior (mm) i nterior (mm) Kp (W/m K)

PE32

4

3/4 20 17,6 0,40678

1 25 21,0 0,406781 1/4 32 28,0 0,40678

1 1/2 40 35,2 0,40678

2 50 44,0 0,40678

2 1/2 63 55,4 0,40678

6

3/4 20 16,0 0,40678

1 25 20,4 0,40678

1 1/4 32 26,2 0,40678

1 1/2 40 32,6 0,40678

2 50 40,8 0,40678

2 1/2 63 51,4 0,40678

10

3/4 20 14,4 0,40678

1 25 18,0 0,40678

1 1/4 32 23,2 0,40678

1 1/2 40 29,0 0,40678

2 50 36,2 0,40678

2 1/2 63 45,8 0,40678

PE50A

6

3/4 - - 0,43

1 25 21,0 0,43

1 1/4 32 28,0 0,43

1 1/2 40 35,2 0,43

2 50 44,0 0,432 1/2 63 55,4 0,43

10

3/4 20 16,0 0,43

1 25 20,4 0,43

1 1/4 32 26,2 0,43

1 1/2 40 32,6 0,43

2 50 40,8 0,43

2 1/2 63 51,4 0,43

16

3/4 - - 0,43

1 - - 0,43

1 1/4 32 23,2 0,43

1 1/2 40 29,0 0,43

2 50 36,2 0,43

2 1/2 63 45,8 0,43


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21


POLTLO


PE50B

6

3/4 - - 0,291 25 21,0 0,29

1 1/4 32 28,0 0,29

1 1/2 40 35,2 0,29

2 50 44,0 0,29

2 1/2 63 55,4 0,29

10

3/4 20 16,0 0,29

1 25 20,4 0,29

1 1/4 32 26,2 0,29

1 1/2 40 32,6 0,29

2 50 40,8 0,292 1/2 63 51,4 0,29

16

3/4 20 14,4 0,29

1 25 18,0 0,29

1 1/4 32 23,2 0,29

1 1/2 40 29,0 0,29

2 50 36,2 0,29

2 1/2 63 45,8 0,29

PE80

6

3/4 - - 0,43

1 - - 0,43

1 1/4 - - 0,43

1 1/2 40 35,4 0,432 50 45,2 0,43

2 1/2 63 57,0 0,43

10

3/4 20 16,0 0,43

1 25 21,0 0,43

1 1/4 32 27,2 0,43

1 1/2 40 34,0 0,43

2 50 42,6 0,43

2 1/2 63 53,6 0,43

(Continuacin)


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Gua tcnica


22

POLTLO


PE100

6

3/4 20 16,0 0,431 25 21,0 0,43

1 1/4 32 28,0 0,43

1 1/2 40 35,4 0,43

2 50 45,4 0,43

2 1/2 63 58,2 0,43

10

3/4 20 16,0 0,43

1 25 21,0 0,43

1 1/4 32 27,2 0,43

1 1/2 40 35,2 0,43

2 50 44,0 0,432 1/2 63 55,4 0,43

16

3/4 20 16,0 0,43

1 25 20,4 0,43

1 1/4 32 26,2 0,43

1 1/2 40 32,6 0,43

2 50 40,8 0,43

2 1/2 63 51,4 0,43

25

3/4 - - 0,43

1 25 18,0 0,43

1 1/4 32 23,2 0,43

1 1/2 40 29,0 0,432 50 36,2 0,43

2 1/2 63 45,8 0,43POLBUTLO

Tipo Presin (Bar) iam ominal (Pul) n=o xterior (mm) i nterior (mm) Kp (W/m K)

PB4

8 3/4 22 17,2 0,36

10

3/4 22 17,2 0,36

1 25 20,4 0,36

1 1/4 32 26,2 0,36

1 1/2 40 32,6 0,36

PB5

8

3/4 22 17,2 0,38

1 25 20,4 0,38

1 1/4 32 26,2 0,38

1 1/2 40 32,6 0,38

2 50 40,8 0,38

2 1/2 63 51,4 0,38

10

3/4 22 17,2 0,38

1 25 20,4 0,38

1 1/4 32 26,2 0,38

1 1/2 40 32,6 0,38

2 50 40,8 0,38

2 1/2 63 51,4 0,38

Tabla 5.2: Principales caractersticas de los tubos

(Continuacin)


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5.1.4.4 Comprobacin de la velocidad mnimadel uido

Para comprobar la velocidad mnima del uido para ase-gurar ujo turbulento basta con comprobar el caudalmnimo circulante por la tubera.

5.1.5 Dimensionamiento del intercambiador decalor enterrado

El intercambio de calor vendr jado por la diferencia detemperaturas entre el suelo y el uido que circule por elintercambiador, por lo tanto, para dimensionar el inter-cambiador de calor enterrado en primer lugar hay quedeterminar estas temperaturas.

5.1.5.1 Determinar la temperatura mxima y m-nima de la tierra

A partir de la ecuacin (1) se calculan las temperaturasmximas (TH) y mnimas de la tierra (T L) que ocurren du-rante el ciclo anual para cualquier profundidad (X s). Lasecuaciones analticas son las siguientes:

TL(X

s) = T

mA

Se

XS

365

(9)

TH(X

s) = T

m+ A

S e

XS

365

(10)

La temperatura media de la tierra (Tm ) se puede asu-mir como la temperatura seca media anual del lugar, laamplitud anual de la temperatura media diaria (A s ) sepuede determinar a partir de datos tabulares para lo-calizaciones geogrcas especcas, en los sistemasverticales se puede considerar igual a 0, y los valoresde la difusividad trmica del suelo (a ) dependen deltipo de suelo y del contenido de agua (apartado 3.2.2).

Por ejemplo, para calcular un intercambiador horizontalinstalado a una profundidad de 1,5 m en Valencia ob-tenemos los siguientes valores de temperaturas de latierra:

TL = 17,8 11,05e150

365 0,00253.60024

= 13,5 C

TH = 17,8+ 11,05e150

365 0,00253.60024

=22,1 C

Donde:

Tm se ha tomado como la temperatura media anual (da-tos Instituto Nacional de Meteorologa de Espaa serie2000-2002).

AS es el valor medio entre la mxima temperatura en elmes de agosto: 29,1 C y la mnima del mes de enero:7 C, obteniendo un valor para la oscilacin anual de:AS = (29,1 - 7)/2 = 11,05 C.

El valor de difusividad trmica se toma como 0,0025cm2/s (suelo arcilloso).

5.1.5.2 Determinar las temperaturas mximas y

mnimas de entrada del uido a la bomba de calor

Un parmetro clave que tiene que elegir el diseadordel sistema es la temperatura del uido que circule porel intercambiador de calor enterrado. Debe encontrarseel compromiso ptimo entre dos consideraciones:

Cuanto ms baja sea la temperatura en invierno(ms alta en verano), mayor ser la diferencia conla temperatura del suelo, y menor tendr que serel intercambiador enterrado para el mismo inter-cambio de calor, por lo que los costes de inversin

sern menores.

Cuanto ms alta sea la temperatura en invierno(ms baja en verano), mayor ser el COP del siste-ma, por lo que el ahorro energtico ser mayor.

Con esas premisas y las curvas de temperatura de labomba de calor, el diseador jar sus temperaturasmximas y mnimas de trabajo (TMAX , TMIN).

Por ejemplo, para una bomba de calor de las siguientescaractersticas:

Pot bomba calor calefaccin: (Pc) 21,8 kW

Pot consumida calefaccin: (Pa) 4,29 kW

Pot bomba calor refrigeracin: (Pf) 17,8 kW

Pot consumida refrigeracin: (Pa) 4,27 kW

Caudal 3.300 l/h

Rango Tentrada,c [9-12] C

Rango Tentrada,f [30-35] C


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ello. Fijando las condiciones interiores y exteriores quemarca el Reglamento de Instalaciones Trmicas, hayque determinar el calor que debe aportar el sistema decalefaccin para suplir la prdida de calor del edicioen invierno y calcular la ganancia de calor del edicioen verano que deber evacuarse mediante el sistemade refrigeracin para mantener una temperatura con-fortable. Slo se precisa realizar estos clculos en losmeses de enero y julio, ya que son los meses con lascondiciones crticas para calefaccin y refrigeracin.

B. Clculo de la energa. Clculo del actor deutilizacin

Adems de la potencia de la bomba de calor, en el

diseo de los sistemas geotrmicos es imprescindi-ble conocer la demanda energtica del edicio, yaque nicamente cuando la bomba de calor est enfuncionamiento el intercambiador de calor ceder oabsorber calor. Debido a que la bomba de calor sedimensiona para las condiciones de funcionamientoms desfavorables, cuando la carga trmica del edi-cio sea inferior a la potencia de la bomba de calor, stafuncionar intermitentemente. Este aspecto afecta a laresistencia trmica del suelo, ya que para el clculo dela Rs se tiene que saber la cantidad total de calor quellega a inyectarse o extraerse durante toda una esta-

cin. Para considerar este efecto se debe determinar,tanto en calefaccin como en refrigeracin, la fraccinde tiempo que est en marcha la bomba de calor, quese multiplicar por la resistencia trmica del suelo, aesta fraccin se le llama factor de utilizacin (F) y es elcociente entre la demanda trmica del edicio duranteuna estacin (calefaccin o refrigeracin) dividido porla potencia de la bomba de calor.

Existen programas de modelado energtico que cal-culan la demanda energtica anual del edificio enfuncin de las variables constructivas y el uso. Losms empleados, a nivel mundial, por los arquitectos

e ingenieros son eQuest, Energy10, DOE-2, TRNSYS,VISUALDOE, ECOTECT, ESP-r y EnergyPlus. Las prin-cipales barreras para el uso sistemtico de estosprogramas en el diseo son la necesidad de cualifica-cin profesional, el tiempo necesario, en ocasionesno justificable, para implementar el edificio en elprograma, la indeterminacin en las fases de diseode muchas de las caractersticas necesarias para elmodelado (usuarios, equipos), etc. por lo que tam-bin existen mtodos ms sencillos de clculo deeste factor de utilizacin como el que se recoge en elApndice 2.

5.1.5.7 Calculo de la longitud del intercambiadorenterrado

A partir de todos los parmetros determinados anterior-mente la longitud del intercambiador de calor enterradose puede determinar para calefaccin y refrigeracinmediante las siguientes expresiones. Estas expresio-nes son vlidas tanto para intercambiadores enterradosverticales como horizontales, las caractersticas de laconguracin empleada se reejan en el valor de la re-sistencia trmica de la tierra (Rs), tal y como se deneen el Apndice 1.

LCALEFACCIN =

Qcalefaccin COPcalefaccin 1

COPcalefaccin(RP +RS Fcalefaccin)

TL TMIN (12)

LREFRIGERACIN =

Qrefrigeracin COPrefrigeracin + 1

COPrefrigeracin(RP +RS Frefrigeracin)

TMAX TH (13)

En intercambiadores de calor que funcionen en ambosmodos se tomar la longitud ms desfavorable.

Siguiendo con la bomba de calor de ejemplos anterioresy considerando unos valores de Rs de 1,6 K/(W/m), conun factor de utilizacin de 0,15 para ambos modos defuncionamiento, las longitudes de intercambiador obte-

nidas son:

LCALEFACCIN =1.00021,8

5 15 (0,0645+ 1,6 0,15)

13,59,727= 1.407 m

LREFRIGERACIN=1.00017,8

4+ 14 (0,0645+ 1,6 0,15)

32,9 22,1= 627 m

5.1.6 Seleccin bomba de circulacin

Para la seleccin de la bomba de circulacin del inter-cambiador de calor enterrado se tendr en cuenta elcaudal jado por la bomba de calor seleccionada y lacada de presin del ramal del intercambiador ms des-favorable. Muchos modelos de bombas de calor paraestas aplicaciones llevan ya incorporada una bomba decirculacin para el bucle enterrado.


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Ejecucin de lainstalacin

6.1 Perforacin

En la ejecucin de los intercambiadores de calor verti-cales, se debern tener en cuenta una serie de aspectosque faciliten su puesta en obra y minimicen las interac-ciones con otros trabajos.

Previamente a la entrada de la maquinaria en obra sedeben determinar:

Accesos

Replanteos

Espacio para acopio de material

Obra civil auxiliar (pista de trabajo, balsa de lodos,)

Necesidades de agua y energa

Adecuada planicacin en la gestin de lodos, de-tritus y agua extrada de la perforacin

Se realizar el replanteo de las perforaciones quedandoconsignado los siguientes datos:

Ubicacin de las perforaciones (plano de planta)

Seccin y profundidad y previsin de acuferosatravesados durante la perforacin para una plani-cacin adecuada del sistema de perforacin

Tipo de relleno

Sellado

cemento-bentonita

D

L

Sellado de bentonita

Relleno de arena

Tubera

D

L

Tubera

Figura 6.1: Ejemplos de secciones de intercambiador vertical


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Gua tcnica


28

La perforacin se realizar mediante la tecnologa msadecuada para cada tipo de terreno (rotopercusin, per-foracin con lodos, sistemas de entubacin simultnea,etc.) y principalmente con dimetros comprendidos en-tre los 110 y 165 mm. nicamente en casos extremosde colapso del terreno o de existencia de coqueras seproceder al encamisado metlico, pudindose perfo-rar en este caso con dimetros mayores a los expuestosanteriormente. Preferiblemente se encamisar simult-neamente a los trabajos de perforacin y, si es posible,con tubera roscada con el objetivo de que se pueda re-cuperar al nalizar la obra. En el caso de que no se puedarecuperar la camisa, el perforador realizar los trabajosde adecuacin de los pozos una vez introducidas las tu-beras, cortando la tubera de encamisado sobrante. Lalongitud del encamisado metlico puede variar en cada

perforacin segn las caractersticas del terreno.

En el caso de que fuera necesario introducir tuberametlica en los primeros metros de la perforacin paraestabilizar la primera capa vegetal del suelo y permi-tir el comienzo de los trabajos, la longitud de la tuberametlica ser la menor posible. El objetivo es facilitar suextraccin una vez realizada la zanja de los colectores yno daar las sondas geotrmicas.

Es muy importante realizar una correcta evacuacin deldetritus, por lo que el perforador deber prever los ele-

mentos necesarios: zanjas, balsas de lodos, bomba deachique, plsticos para cubrir elementos constructivoscircundantes, etc.

Inmediatamente despus de la retirada del varillaje seproceder a la introduccin de las sondas geotrmicasen la perforacin, ya rellenas de agua, con el objetivo deevitar colapsos. La introduccin de las sondas se realiza-r por gravedad, bien manualmente o bien ayudndosede un desenrollador u otro dispositivo mecnico.

La manipulacin de las tuberas se realizar con cuida-do de no daarlas, introduciendo la sonda por el centro

de la perforacin, sin que entre en contacto con la tube-ra metlica de encamisado o emboquillado.

Los extremos salientes de tubera permanecern prote-gidos con los tapones que llevan de fbrica para evitarla introduccin de cualquier partcula, hasta la realiza-cin de las pruebas de presin correspondientes.

El espacio existente entre las paredes de la perforacin,ya sea terreno natural o camisa, y la sonda geotrmicadebe ser rellenado para:

Asegurar una buena transferencia de calor

Aislar la perforacin de ujos de agua

El relleno se puede realizar bien por gravedad con are-na silcea o bien mediante inyeccin con un sistemaadecuado, desde el fondo hasta la boca del sondeo,de cemento, bentonita o materiales termoconducti-

vos especcos para este n. La seleccin del tipo derelleno y de su modo de ejecucin est determinadapor las condiciones hidrogeolgicas del sustrato. Si lapermeabilidad del sustrato es baja podrn realizarserellenos granulares siempre que el sellado alcance lamxima profundidad del nivel piezomtrico, mientrasque si el sustrato es permeable o se conoce de la exis-tencia de acuferos es necesario sellar la perforacinpara evitar afecciones hdricas.

6.2 ejecucinyrellenodezanja

En la ejecucin de un intercambiador geotrmico es ne-cesario la realizacin de zanjas para la instalacin de:

Ramales de conexin y cabecera de un campo decolectores verticales.

Intercambiador de calor horizontal.

Intercambiador de calor Slinky.

6.2.1 Zanjas de ramales de conexin enintercambiadores verticales

La ejecucin de los trabajos tendr las siguientes fases:

1 Retirada de la capa vegetal

2 Apertura de zanja de la anchura y profundidadestablecida en la seccin tipo correspondiente fa-cilitada por el proyectista segn las condiciones decada proyecto.

En el caso de zanjas para colectores de iday retorno de las perforaciones verticales, lostrabajos se realizarn sin daar las tuberasverticales instaladas y la camisa metlica deproteccin. Una vez nalizada la zanja, seproceder a cortar o eliminar la camisa de lasperforaciones.

3 Limpieza del fondo de zanja y las paredes de zanja.

Para la ejecucin de un buen relleno que asegurela correcta transmisin de calor y evitar daos en

la tubera, es necesario renar las paredes y el fon-do de zanja, es decir, eliminar las rocas presentesen la parte inferior de la zanja para evitar cualquier


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Ejecucin de la instalacin

dao a las tuberas. Las tolerancias de defectomximas admisibles sern:

Salientes de roca o bolos + 3 cm

Protuberancias locales - 5 cm

El signo negativo signica defecto en laexcavacin.

4 Lecho de arena segn la seccin tipo corres-pondiente.

5 Instalacin de la tubera y alrededores de la zanjay realizacin de las pruebas correspondientes paradetectar posibles errores, cortes, torceduras,

6 Relleno de arena cubriendo la totalidad de la tu-bera segn la seccin tipo correspondiente. Elrelleno se realizar en varias pasadas del modoms uniforme posible, compactando, limpiandosuciedad y bolos y allanando cada capa.

7 Sealizacin del trazado de la tubera medianteuna cinta plstica.

8 Relleno con materiales procedentes de la exca-vacin previamente seleccionados (sin cantos

punzantes, con dimetros inferiores a 5 cm, etc.).El relleno se realizar a tongadas de espesorreducido para obtener un mayor grado de compac-tacin, con el objetivo de aumentar la humedad delsuelo y disminuir el contenido de aire. Un espesoradecuado de cada capa de relleno puede ser entre25 y 30 cm.

En fase de diseo, se evitar en lo posible ubicar la ins-talacin del intercambiador en la zona de afeccin deotros servicios enterrados.

Cuando esto no sea posible, se tomarn las siguientes

precauciones:

El cruce de otros servicios con tuberas del inter-cambiador siempre ser superior, de forma quesi se tuvieran que realizar trabajos de reparacinde stos, nunca quedar al descubierto la tuberade intercambiador enterrado. La distancia entre lageneratriz superior de la tubera geotrmica y lageneratriz inferior del otro servicio ser superiora 40 cm. Es recomendable interponer entre ambosservicios elementos de proteccin como puedenser placas de polipropileno, placas de brocemen-

to o incluso, una losa de hormign.

En el paralelismo con otros servicios se mantendruna distancia superior a 40 cm entre generatrices.Los casos de paralelismo nunca podrn darse enel interior de la conguracin del intercambiador,

es decir, nunca se podr interponer una tubera deotro servicio entre los colectores de ida y retornode la instalacin geotrmica.

6.2.2 Zanjas de intercambiadores horizontales

La ejecucin de la zanja de un intercambiador horizontales ms difcil de estandarizar porque existen mltiplesconguraciones de tubera en funcin de la demandaenergtica a disipar y del terreno disponible. Por estemotivo, para cada diseo se realizarn los planos de

seccin correspondiente. No obstante, se seguirn lassiguientes recomendaciones:

Si hay espacio suciente, es ms conveniente rea-lizar el movimiento de tierras en su totalidad, comouna gran piscina, que en zanjas. En estos casos,previo a la colocacin de tuberas se colocarnelementos de sujecin que garanticen el correctotendido de las tuberas.

Figura 6.2: Intercambiador horizontal de lazo simple

Figura 6.3: Detalle del intercambiador horizontal de lazo simple


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Gua tcnica


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Se rellenar con arena na los alrededores de las tuberas para facilitar la conduccin de calor, y el resto con materialde extraccin con unas caractersticas adecuadas (sin cantos punzantes, con dimetros inferiores a 5 cm, etc.).

Nomenosde1,2m

Nomenos

de1,2m

Nomenos

de0,6m

Tubera enterrada

Espaciado mnimoentre tuberas0,3 m

Tubera enterrada

Relleno Relleno

Cota del

terreno

Cota del

terreno

Tubera enterrada

Relleno

Relleno

granular

Cota delterreno

Nomenos

de1,2m

Nomeno

s

de0,6m

Espaciado mnimoentre tuberas0,3 m

Nomenosde1,5m

Relleno

Relleno

granular

Tubera

enterrada

Espaciado mnimo

entre tuberas0,3 m

Cota del

terreno

No menos

de 0,6 m

Figura 6.4: Ejemplos de conguraciones horizontales

Nunca se hormigonar o pavimentar la superciedonde se instale el intercambiador horizontal, conel objetivo de asegurar un buen intercambio decalor.

6.2.3 Zanjas de intercambiador Slinky

6.2.3.1 Slinky horizontal

El ancho de zanja ser, como mnimo, igual al di-metro de la espira ms 35 cm, segn el esquemaadjunto en la gura 6.6, mientras que la profundi-dad depender de las condiciones de diseo.

Figura 6.5: Intercambiador horizontal en bucles de tipologaslinky horizontal


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31


10cm

15cm

Lmite de zanja

Lmite de zanja

10cm

Figura 6.6: Esquema zanja slinky horizontal

6.2.3.2 Slinky vertical

Esta conguracin se emplea cuando hay restric-ciones de espacio, ejecutndose una zanja muyestrecha (aprox. 15 cm) y profunda (ms de 2 m),normalmente mediante una zanjadora de cade-nas, en la que se coloca el intercambiador slinkyverticalmente.

Figura 6.7: Slinky vertical

6.3 PruebasdePresinyPurgadoenelintercambiador

6.3.1 Pruebas de presin en las sondasverticales

Una vez introducidas las sondas de presin en las per-foraciones y antes de proceder al relleno de las mismasse realizarn las correspondientes pruebas de presin.

Se seguirn los siguientes pasos:

1 Se limpiar el interior de las tuberas con agua apresin con el n de eliminar las posibles partcu-las que se hayan introducido durante la instalacin,as como para purgar las tuberas. El purgado seconsiderar correcto cuando el agua de salida seatransparente en vez de blanca.

Para un correcto test de purgado, es necesa-rio que la velocidad del agua en la tubera seacomo mnimo de 0,6 m/s, lo que implica los si-guientes caudales en funcin de los dimetrosde sondas empleados:

(mm) Q (m3/h)

25 0,7

32 1,2

40 1,8

Tabla 6.1: Caudales de purgado (tubera PE100 16 bar)

2 Se realizar una prueba conjunta de estanqueidady resistencia en cada sonda geotrmica con las si-guientes premisas:

La presin de prueba ser como mnimo 3 ve-ces la presin de servicio y como mximo el80% de la presin nominal de la tubera.

El tiempo de duracin de la prueba ser 1hora.

La cada de presin mxima admisible serdel 3%.

En los primeros minutos de la prueba se esperar a lacorrecta estabilizacin del manmetro, presurizando sies necesario hasta la presin mnima convenida.

6.3.2 Pruebas de presin en tuberashorizontales

Este apartado se aplica a los siguientes elementos delas instalaciones geotrmicas:

Conjunto formado por las sondas geotrmicas ver-ticales y los ramales horizontales de conexin a lasala de mquinas.

Tuberas que conforman un intercambiadorhorizontal.

Tuberas que conforman un intercambiador slinky.


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Gua tcnica


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6.3.2.1 Purgado de la instalacin

Mediante la circulacin de agua a presin con una ve-locidad mnima de 0,6 m/s en cualquier punto de lainstalacin se realiza un correcto purgado. El caudal ainyectar en cabecera depender de la conguracin ydimetro de los colectores horizontales y se puede de-terminar con un sencillo clculo hidrulico.

6.2.3.2 Pruebas de estanqueidad yresistencia conjuntas

Para la realizacin de esta prueba se mantendr lainstalacin a una presin mnima 3 veces la presinde servicio durante dos horas y se comprobar que el

descenso de la presin transcurrido en este tiempo esinferior a 0,2 bares.

En el inicio de la prueba se esperar a la correcta es-tabilizacin del manmetro, ya que en los primerosmomentos de la prueba, sobre todo para longitudesmuy largas o en intercambiadores slinky, sta puededisminuir considerablemente. Si esto ocurre, se pro-ceder a la presurizacin del circuito hasta la presinmnima de prueba.

En las instalaciones grandes, con el objeto de detectar

y aislar con mayor facilidad las causas de los fallos, serecomienda ejecutar estas pruebas por tramos, reali-zndose a medida que se naliza el montaje de cadauno de ellos. En estos casos, una vez validadas laspruebas se proceder a cubrir la zanja dejando al des-cubierto las uniones hasta la realizacin de la pruebanal conjunta. Como orientacin, se puede sectorizar:

En tramos de longitud inferior a 500 m o con unnmero de uniones en el colector superior a 5para intercambiadores horizontales, slinky o decabecera.

En ramales de conexin que alimenten a ms de 10pozos verticales.

En los casos en los que se realicen las pruebas por tra-mos, se proceder a una prueba nal de todo el circuitoconsistente en:

Circular agua por la instalacin a una velocidad de6 m/s durante 15 minutos.

Mantener la instalacin a 6 bares durante 30minutos.

6.4 montajedecolectores

6.4.1 Horizontales

A continuacin se muestran las conguraciones bsicasms comunes para los tramos horizontales de los inter-cambiadores verticales:

1 Conguracin lineal: tal y como se muestra en la -gura 6.8, los colectores de ida y retorno se colocana lo largo de una nica lnea recta entre las perfo-raciones y la sala de mquinas. Esta conguracines la ms til cuando hay un gran nmero de po-zos, debido a la facilidad de ejecucin en lnea de

las perforaciones. En este tipo de conguracin esconveniente, si no se van a instalar vlvulas regu-ladoras, congurar el colector de retorno en modoretorno invertido.

A sala demquinas

Buclevertical

Colectorida

Colectorretorno

Figura 6.8: Conguracin lineal de colectores

2 Conguracin radial: esta conguracin es adecua-da para un nmero intermedio de perforaciones enlas que se quiera instalar una arqueta de registrocomn a las mismas. La arqueta con la valvuleracorrespondiente se instalar en el centro de la con-guracin desde la que partirn, radialmente, los

colectores de ida y retorno a la sala de mquinas.


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Arquetacentral

Buclevertical

Zanja decolectores

Colectoresde arqueta asala de mquinas

7

6

5

4

3

2

1

Figura 6.9: Conguracin radial colectores

3 Tuberas a sala de mquinas: en las obras de vi-viendas, en las que el nmero de perforacionessuele ser inferior a 6 y la ubicacin de las mismasse encuentra muy prxima a sala de mquinas,una de las soluciones recomendadas es la de ubi-car los colectores principales vistos, colgados enpared, introduciendo directamente en la sala demquinas las propias sondas geotrmica a travsde pasatubos.

En la siguiente gura se muestra el modo de conexinrecomendado de las sondas geotrmicas al colectorprincipal. El uso de codos de 90 se emplear siempreque, por motivos de espacio, no sea posible el curvadode la tubera, cuyo radio mnimo de curvatura ser 25veces el dimetro de la tubera.

Colector principal

Codo de 90

Radio

mn.

25*

Tubera vertical

Figura 6.10: Conexiones de las sondas geotrmicas al colectorprincipal

Otro aspecto fundamental a tener en cuenta en el tendi-

do de tuberas horizontales, tanto en la ejecucin de unintercambiador horizontal como en los retornos inver-tidos, son los nales de bucle, como se observa en lagura 6.11. Si, por razones de espacio, no se puede rea-lizar la curvatura adecuada con la propia tubera (25*en polietileno, 50* en polibutileno), la ejecucin seresolver mediante codos de 90.

U Prefabricada

Codos de 90

Radio grande

Trozode tubera

Gua

Figura 6.11: Opciones de retorno en bucles horizontales

6.4.2 Slinky

Los intercambiadores de calor slinky pueden sercongurados de diferentes maneras, segn estnsuperpuestas o separadas las espiras. Las congura-

ciones recomendadas son:


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Gua tcnica


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Slinky espiras separadas

En esta modalidad se realizan espirales de 30 a 32pulgadas de dimetro con el mismo espaciamiento,es decir, los lazos se ponen uno en contra del otrosin sobreponerse. Este espaciamiento es la mediadel paso de una persona o la longitud de su brazo,con lo que no son necesarios instrumentos de medi-da y es fcil realizarlos con el operario de pie.

Esta modalidad se emplear en longitudes cortasde intercambiador, por ejemplo en instalacionescombinadas con sistemas verticales, cuando seaimportante la rapidez en la ejecucin.

Slinky espiras superpuestas

El modo ms sencillo de formar el lazo slinky des-de el rollo de tubera consiste en permitir que elrollo de tubera permanezca en la misma congu-racin circular en la que fue enrollado durante sufabricacin; para ello hay que extender rollos delcarrete principal sin desenrollar completamente latubera. Es conveniente, para realizar los lazos msfcilmente y evitar estar tomando medidas conti-nuamente, colocar una jacin para poder guiarel espaciamiento de los lazos y su atado. De estemodo, los lazos son estirados a travs de la ja-

cin, y la altura es jada por sus lmites. Una vezla tubera est colocada en la jacin con las medi-das especicadas, los lazos pueden ser atados conbridas de plstico. Realizando el slinky por esteprocedimiento, el dimetro ms pequeo para quela conguracin sea manejable es de 24 pulgadas.

15 cm mn

Figura 6.12: Esquema intercambiador slinky (espiras superpuestas)

6.5 salademquinas

Todo espacio destinado a sala de mquinas dispon-dr de una pared libre para la ubicacin de la bombade calor y los colectores de entrada y salida a la mismacon todos sus elementos, colgados en la pared. Esteespacio se deber ubicar lo ms prximo posible tantoa las conexiones exteriores al intercambiador enterra-do como a las conexiones de distribucin interior. Loscolectores vistos irn aislados con espesores mnimosjados por la IT 1.2.4.2.1. del Reglamento de Instalacio-nes Trmicas.

Tanto la bomba de calor como los colectores y acce-sorios debern quedar accesibles para trabajos demantenimiento y reparaciones, dejando como mnimo

las distancias especicadas en el catlogo del fabrican-te de la bomba de calor.

Las salas de mquinas en las que la potencia instaladasea superior a 70 kW cumplirn las especicaciones dela IT 1.3.4.1.2.

En general, todos los elementos (valvulera, gruposhidrulicos, instrumentacin, etc.) cumplirn con losrequisitos de las instrucciones tcnicas correspondien-tes del Reglamento de Instalaciones Trmicas en losEdicios.


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Puesta en marchade los equipos

Antes de poner en funcionamiento el sistema, se debenrealizar los siguientes procesos y comprobaciones paraasegurar el buen funcionamiento de la instalacin:

Limpieza del circuito de tuberas

Purga del aire de la instalacin

Vericacin de las condiciones de diseo: presiny caudal

Carga del intercambiador de calor con anticonge-

lante (cuando sea necesario)

Presurizacin de la instalacin

Puesta en marcha de la bomba de calor y compro-bacin de parmetros

7.1 limPiezayPurgadelsistema

Antes de realizar la purga del sistema, la prueba de es-tanquidad y de efectuar el llenado denitivo, las redes

de tuberas de agua deben ser limpiadas internamentepara eliminar los residuos procedentes del montaje.

Para el purgado de la instalacin se introducir el aguaen el sistema de tuberas a una velocidad de 0,6 m/s,eliminando por completo cualquier burbuja de aireatrapada. Si la bomba de circulacin de la instalacinno est diseada para alcanzar estas especicaciones,se conectar un grupo hidrulico externo (unidad depurga) que servir tambin para la introduccin (en sucaso) de anticongelante, como se observa en la siguien-te gura.

Manguera de retorno

Reserva

Filtro

Caudalmetro

Desage

Bomba de purga- Eliminacin de restos- Eliminacin de aire- Eliminacin de sistema- Eliminacin de anticongelante

Manmetro

Manguerade salida

Figura 7.1: Unidad de purga

La unidad de purga se conectar al bucle usando man-gueras exibles y abrazaderas. Esta conexin sercomo un sistema de bucle cerrado, de manera que elintercambiador de calor enterrado se limpie indepen-dientemente de la bomba de calor agua-agua, como semuestra en las siguientes guras.


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Caractersticas

- Reserva para atrapar el aire- Vlvulas de purga para dar servicio

Conexin a la manguera

Sensores de presin/temperatura

Vlvula de corte

Bomba de circulacin

Adaptador de transicinplstico/metal

Bombade

calor

Bombade

calor

Conjunto de bomba multivlvula

- Aislamiento de la bomba de calor y del intercambiador

de calor enterrado durante la instalacin- Sustitucin de la bomba sin necesidad de purgar el

intercambiador de calor enterrado

Grupo

hidrulico

Grupohidrulico

Manguera

Figura 7.2: Conexiones de la unidad de purga

En el siguiente esquema se describen los pasos a realizar para efectuar el purgado de la instalacin mediante la unidadde purga externa:

Bomba de caloragua-agua - A

Grupo hidrulico - B

Intercambiador decalor enterrado - C

Unidad de purga - D

Bombade

calor

C

D

3

12

BA

Bomba de limpieza

Caudalmetro

Filtro

Reserva

Figura 7.3: Purgado de la instalacin


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Puesta en marcha de los equipos

1 Conexin del desage de la unidad de purga a lavlvula 2, situada en la ida de la bomba de calor.

2 Conexin de la manguera de retorno a la vlvula 1(retorno de la bomba de calor).

3 Apertura de las vlvulas 1 y 2.

4 Cierre de la vlvula 3 para aislar el procedimientode purga de la bomba de calor.

5 Encendido de la unidad de purga. El caudal a travsdel intercambiador de calor circular en direccinopuesta a la de operacin normal.

6 La purga de aire se habr efectuado completa-

mente cuando de la manguera sumergida en eldepsito auxiliar no surjan burbujas de aire.

7 Despus de que se haya efectuado la purga delintercambiador de calor enterrado se abrir la vl-vula 3 para permitir que una parte del caudal pasea travs del sistema de bombeo para limpiarlo ypurgarlo.

7.1.1 Pruebas de estanquidad y resistencia dela instalacin

Se realizar una prueba preliminar de estanquidadpara detectar fallos de continuidad de la red y evitarlos daos que podra provocar la prueba de resistenciamecnica; para ello se emplear el mismo uido trans-portado, generalmente agua, a la presin de llenado.Esta prueba tendr la duracin suciente para vericarla estanquidad de todas las uniones.

A continuacin de la prueba preliminar de estanquidad,una vez llenada la red con el uido de prueba, se some-ter a las uniones a un esfuerzo por la aplicacin de lapresin de prueba. La presin de prueba ser equiva-lente a 1,5 veces la presin mxima efectiva de trabajoa la temperatura de servicio, con un mnimo de 6 bar.La prueba hidrulica de resistencia mecnica tendr laduracin suciente para vericar visualmente la resis-tencia estructural de los equipos y tuberas sometidosa la misma.

La reparacin de las fugas detectadas se realizar des-montando la junta, accesorio o seccin donde se hayaoriginado la fuga y sustituyendo la parte defectuosao averiada con material nuevo. Una vez reparadas lasanomalas, se volver a comenzar desde la prueba pre-

liminar. El proceso se repetir tantas veces como seanecesario, hasta que la red sea estanca.

7.1.2 Puesta en marcha de la bomba de calor

Una vez que se haya limpiado, agregado el anticonge-lante y presurizado el sistema se realizar la puesta enmarcha de la bomba de calor.

Se probar la instalacin en todos sus modos de funcio-namiento durante el tiempo suciente, comprobando

temperaturas de ida y retorno del intercambiador en-terrado, presiones, caudal en el circuito y potenciaelctrica absorbida.


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Mantenimientode la instalacin

Las instalaciones de bomba de calor geotrmica pre-cisan de menor mantenimiento que las instalacionesconvencionales, ya que la parte enterrada no necesitaningn tipo de mantenimiento y la bomba de calor agua-agua necesita de menor mantenimiento que una bombade calor aire-agua.

Para los elementos de la sala de mquinas se re-comienda seguir los programas de mantenimientocorrespondientes que determina la Gua Tcnica Man-tenimiento de Instalaciones Trmicas, de esta mismacoleccin.


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Apndices

aPndice i - clculodelaresistenciatrmicadelosintercambiadores (rs)

El clculo de la resistencia trmica de los intercambia-dores es una de las partes ms delicadas de todo elproceso de diseo. La resistencia trmica del intercam-biador depende del tipo de tubera, del tipo de suelo,del tipo de conguracin del intercambiador de calorenterrado y del tiempo de funcionamiento de este. Losmtodos para su clculo se especican a continuacin:

Para intercambiadores horizontales

A n de tener en cuenta los efectos de oscilacin trmicade la supercie (ya que en el caso de intercambiadoreshorizontales, por su baja profundidad, no sera correctosuponer que la temperatura del suelo es constante), sesimula la existencia de sta mediante la introduccin delos llamados tubos imagen, simtricamente dispuestosrespecto a los reales, tal como se muestra en el diagra-ma adjunto (gura A.I.1). El procedimiento consiste entres pasos:

1 Hallar el valor de la Rs para cada tubo del intercam-biador por separado, dicho valor puede calcularse

a partir de la siguiente ecuacin:

Rs= 1/4Ei(-r2/(4at))

donde Ei denota la funcin integral exponencial(Carslaw Jaeger 1959), indica la conductividadtrmica del terreno (W/mK), a indica la difusivi-dad trmica del terreno (m2/s), r indica el radiodel intercambiador geotrmico (m) y t indicara eltiempo de uso del intercambiador geotrmico (s).

Como clculo previo al segundo paso, es necesario

conocer la distancia de cada tubo a todos los de-ms incluyendo los tubos imagen simtricamentedispuestos con respecto a la supercie.

En la siguiente gura se muestra un ejemplo paraun intercambiador con dos tuberas enterradas.

Tubo

imagen

L

D

B

Figura A.I.1: Ejemplo intercambiador de dos tuberas horizontalesenterradas

Donde L=(B2+D2)1/2

2 Aplicar la frmula del apartado 1 para calcular laRs a todas las distancias calculadas en el puntoanterior. Sumar el valor Rs de los tubos del inter-cambiador enterrado y restar el valor Rs de lostubos imgenes.

3 El valor Rs del intercambiador geotrmico ser el

resultado del valor obtenido en el apartado 2 di-vidido por el nmero total de los tubos (sin contarlos tubos imagen).


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Gua tcnica


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Ejemplo de clculo de la Rs para intercambiadorhorizontal:

- Intercambiador horizontal geotrmico: dos tuberasenterradas

- Difusividad trmica: 0,645e-6 m2/s

- Conductividad trmica: 1,3 W/mK

- Profundidad de tuberas: 1,2 m

- Separacin entre tuberas: 0,6 m

- Radio tubera: 25 mm

- Horas de uso del intercambiador: 1.000 horas

a) Calcular la distancia de cada tubo a todos losdems incluyendo los tubos imagen y calcular laRs asociada a dicha distancia:

istancia Rs

Tubo 1 a 10,0125 m

(radio del tubo)0,6376

Tubo 1 a 2 0,600 m 0,1660

Tubo 1 a 3(tubo imagen)

2,400 m 0,0267


2,474 m 0,0251

Tubo 2 a 1 0,600 m 0,1660

Tubo 2 a 2 0,0125 m 0,6376


2,474 m 0,0251


2,400 m 0,0267

b) Clculo de la resistencia trmica por tubera:

Rs = (0,6376+0,1660-0,0267-0,0251+0,1660+0,6376-0,0251-0,0267)/2=0,7518 mK/W

Para intercambiadores verticales

Las distancias entre tubos se consideran con respecto auna seccin horizontal paralela al suelo.

1 Seguir los mismos pasos 1-3 del procedimientoempleado para intercambiadores horizontales perosin incluir tubos imagen, ya que stos simulan losefectos de las oscilaciones superciales de tempe-

raturas que en el caso de los verticales no se tienenen cuenta.

Es importante sealar que este procedimientoslo es vlido para sistemas geotrmicos que es-tn balanceados energticamente. En caso de queexista un ujo neto de calor estacional el procedi-miento nicamente ser vlido para un periodo nosuperior a T=H2/(9a), siendo H la profundidad dela perforacin en metros , a la difusividad trmica(m2/s) y T el tiempo (s).

2 Para llevar a cabo un clculo ms renado de inter-cambiadores geotrmicos verticales, teniendo encuenta el efecto a largo plazo de la existencia de unujo de calor neto, se aconseja consultar el mto-do descrito en Thermal Analysis of Heat ExtractionBoreholes P. Eskilson y, en todo caso, acudir a pro-gramas de dimensionado especcos.

Clculo del actor de utilizacin

El factor de utilizacin representa la fraccin de tiempoque est en marcha la bomba de calor y, por tanto, eltiempo de funcionamiento estacional de la instalacin.Es un factor muy importante en el diseo de sistemasgeotrmicos, ya que determina la cantidad de calor queel sistema va a intercambiar con el suelo a lo largo delao, es decir, el calor que se va a extraer del subsuelodurante el modo calefaccin y el que se va a inyectar al

subsuelo durante el modo refrigeracin.

Una manera simple de calcular la carga trmica esasumir que es una funcin lineal de la temperaturadel aire exterior. De este modo, slo se necesita co-nocer la carga calorca o frigorca para dos valoresde temperatura exterior. Adems, si se asume, porejemplo, que el edicio slo demandar calor paracondiciones inferiores a 16 C exteriores o que de-mandar fro a temperaturas superiores a los 21 Cexteriores, se puede denir perfectamente esta rela-cin lineal tomando como segundo punto el valor decargas de diseo (condiciones ms desfavorables en

calefaccin o refrigeracin). En la gura A.I.2 se ob-serva la distr ibucin lineal carga trmica-temperaturaexterior para una vivienda ubicada en Valencia.


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Apndices

Temperatura exterior (C)

Carga(kW)

0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

5 10 15 20 25 30 35 40

Calefaccin

Refrigeracin

Figura A.I.2: Ejemplo carga trmica en funcin de la temperatura exterior

En la siguiente tabla se muestra, para distintas tempera-turas exteriores, la carga trmica del edicio (calculadaconsiderando la ecuacin de las rectas representadasen la gura anterior) y la fraccin de tiempo en la que la

bomba de calor estar en funcionamiento. sta se calcu-la como el cociente entre la carga trmica y la potenciade la bomba de calor seleccionada en las condiciones dediseo tanto para calefaccin como para refrigeracin.

Text () arga edifcio (kW)Potencia bomba de

calor (kW)Fraccin marcha

Calefaccin

4 15,6 18 0,87

6 13 18 0,72

10 7,8 18 0,43

14 2,6 18 0,14

16 0,0

Refrigeracin

21 0,0 15

23 3,3 15 0,22

25 6,7 15 0,44

27 10,0 15 0,67

30 15,0 15 1,00

33 20,0 15 1,00

35 23,3 15 1,00

Tabla A.I.1: Ejemplo clculo fraccin de marcha de la bomba de calor

Para relacionar la fraccin de marcha de la bomba decalor para cada temperatura exterior con el nmero dehoras de funcionamiento hay que conocer el tiempo (enhoras) que la temperatura del aire exterior se encuentradentro de un determinado intervalo, en decir, los binhours. En la tabla A.I.2. se muestra el bin hours parala ciudad de Valencia en el mes de enero. Se representael nmero de horas que se ha dado una determinada tem-

peratura en ese mes en intervalos de 1 C. Estas tablasse pueden elaborar para cada mes a partir de las basesde datos climatolgicas de la ubicacin correspondiente.

A partir del bin hour correspondiente y de la fraccinde marcha de la bomba de calor, se puede calcular elnmero de horas que la bomba de calor estar en fun-cionamiento ese mes (Tabla A.I.3)


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Gua tcnica


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Rango T( )

de horas(bin hours)

Rango T( )

de horas(bin hours)

Rango T( )

de horas(bin hours)

0-0,9 0 8-8,9 75 16-16,9 7

1-1,9 5 9-9,9 75 17-17,9 82-2,9 3 10-10,9 62 18-18,9 2

3-3,9 22 11-11,9 44 19-19,9 1

4-4,9 67 12-12,9 44 20-20,9 0

5-5,9 77 13-13,9 44 21-21,9 2

6-6,9 78 14-14,9 19 22-22,9 0

7-7,9 89 15-15,9 20 23-23,9 0

Tabla A.I.2: Bin hour para la ciudad de Valencia en el mes de enero

Rango T( ) Text media( ) arga edifcio(kW)

Potencia

bomba de calor(kW)

Fraccinmarcha Bin hours Horasmarcha

0-0,9 0,5 20,15 18 1,00 0 0,0

1-1,9 1,5 18,85 18 1,00 5 5,0

2-2,9 2,5 17,55 18 0,98 3 2,9

3-3,9 3,5 16,25 18 0,90 22 19,9

4-4,9 4,5 14,95 18 0,83 67 55,6

5-5,9 5,5 13,65 18 0,76 77 58,4

6-6,9 6,5 12,35 18 0,69 78 53,5

7-7,9 7,5 11,05 18 0,61 89 54,6

8-8,9 8,5 9,75 18 0,54 75 40,6

9-9,9 9,5 8,45 18 0,47 75 35,2

10-10,9 10,5 7,15 18 0,40 62 24,6

11-11,9 11,5 5,85 18 0,33 44 14,3

12-12,9 12,5 4,55 18 0,25 44 11,1

13-13,9 13,5 3,25 18 0,18 44 7,9

14-14,9 14,5 1,95 18 0,11 19 2,1

15-15,9 15,5 0,65 18 0,04 20 0,7

16-16,9 16,5 0 18 0,00 7 0,0

TOTAL 386,6

Tabla A.I.3: Ejemplo clculo horas marcha bomba calor

Por tanto, teniendo en cuenta que la totalidad de horas delmes de enero son 744, el factor de utilizacin de la bombade calor para el mes de enero en la ciudad de Valencia esde 0,52, es decir, el cociente entre el n de horas de marchade la bomba de calor y el n de horas totales mes.

Mediante este procedimiento se puede calcular, consi-derando los meses de calefaccin y de refrigeracin, elfactor de utilizacin de la instalacin para cada modode trabajo.


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Apndices

aPndice ii -

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