AEROGEOTERMIA: INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA REDUCIR LA DEMANDA ENERGÍA DE ENFRIAMIENTO Y RENOVACIÓN DE AIRE

Joan Escuer Solé

GEOCONSULTORES TECNICOS Y AMBIENTALES, S.L. Príncep de Viana,11 25004 LLEIDA. renovables@geoconsultores.com 1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES Los intercambiadores tierra-aire utilizan el subsuelo para enfriamiento y calentamiento de una corriente de aire que circula a través de tubos que se entierran para tal propósito, contribuyendo a reducir la temperatura del aire que ingresa en los edificios durante el verano y aumentándola durante el invierno. Su uso en acondicionamiento térmico de edificios se ha extendido en los últimos años, haciéndose particularmente útil en invernaderos, en los que en muchos casos permite un ahorro de más del 45% de sus requerimientos energéticos y en edificios públicos (hoteles, escuelas). Estos sistemas son utilizados para el acondicionamiento directo de la temperatura interior de las construcciones. Los conductos enterrados funcionan en bucle cerrado con el espacio a climatizar. En dicho bucle un impulsor fuerza la circulación de aire. El aire puede ser forzado a través del bucle diversas veces para alcanzar determinada temperatura tras un cierto número de circulaciones. Estos sistemas, conocidos desde antiguo (pozo provenzal, pozo canadiense), ya generaron interés en la última década de los años setenta y primeros ochenta aunque no alcanzaron una amplia aceptación. La tendencia actual hacia tecnologías más sostenibles ha generado el resurgir del interés en el concepto de los intercambiadores tierra-aire. En origen el pozo provenzal fue una canalización en piedra enterrada en el flanco de una colina que servia para canalizar por convección natural un flujo de aire que transitaba desde una boca externa a través de una conducción hacia la pieza principal de las construcciones tradicionales. En invierno la tierra recalienta este aire entrante mientras que en verano lo enfría gracias a la inercia térmica del suelo. Un sistema poco sofisticado y de baja eficiencia pero que en una edificación provenzal tradicional, donde la inercia térmica es elevada debido a la existencia de muros o paredes de gran espesor y pocas aberturas, el resultado es más que apreciable. El pozo provenzal es de hecho un intercambiador geotérmico que asegura la función de climatización estival o invernal del aire de ventilación. Este sistema es llamado también pozo canadiense en referencia a la función de precalentamiento invernal del aire de ventilación. 2. PRINCIPIO Los intercambiadores de calor tierra aire se basan en la utilización de la energía térmica del subsuelo para pretratar el aire de ventilación de los edificios. El aire así obtenido presenta un mayor grado de confort térmico al obtener un aire más cálido del habitual en tiempo frío y más fresco en tiempo caluroso. La temperatura del subsuelo inmediato en nuestras latitudes es relativamente constante alrededor de los 15º C a 2 m de profundidad. En una instalación tipo el aire penetra dentro del pozo por una toma de aire debidamente protegida, circula 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. Para una correcta implementación en un edificio moderno el procedimiento es mejorado mediante la solución de los posibles problemas de condensación en las canalizaciones así como la optimización de la regulación térmica mediante el reparto de aire a cada pieza o volumen

individual así como un correcto tratamiento del nivel sonoro del soplado dentro del pozo dado que dicho soplado en la actualidad es asistido por extractores o ventiladores. Las ventajas del pozo provenzal son numerosas. En principio requiere una inversión mucho menor que una climatización reversible convencional, especialmente si el diseño del edificio ya contempla dicha posibilidad, y por otra parte los requerimientos energéticos son completamente marginales implicando así mismo un entretenimiento y mantenimiento muy sobrios. Debe destacarse que el sistema es especialmente duradero y completamente sostenible y ecológico. Existen ciertos condicionamientos en el funcionamiento de un intercambiador tierra aire pueden ser resumidos en los siguientes puntos:

• Las funciones de precalentamiento en invierno y refrigeración en verano están afectadas por dos desfases uno diario y otro estacional dados por la inercia térmica del subsuelo. Esta inercia térmica condiciona un desfase temporal alcanzando el subsuelo inmediato los valores más frescos por la mañana tras la noche y en primavera tras el invierno y los valores más cálidos por la tarde tras el mediodía y en otoño tras el verano.

• El almacenamiento de calor debido a las oscilaciones estacionales se propaga unos 3 m

alrededor de los conductos mientras que en la oscilación diaria se propaga unos 20 cm de tal manera que las oscilaciones diarias primarán sobre las oscilaciones estacionales que requieren una masa de almacenamiento más importante y además se encuentran limitadas por una difusión en profundidad.

• Estos desfases se caracterizan por presentar una caída exponencial a lo largo de la

longitud del tubo.

• Los sistemas basados en pozos canadienses funcionan en bucle abierto. El sistema de ventilación sirve a la vez de bucle de recarga térmica y de distribución.

2.1 Aprovechamiento de la inercia térmica En la actualidad los intercambiadores tierra aire y los pozos provenzales pueden optimizarse mediante el uso de dispositivos capaces de sacar partido de las inercias térmicas diarias y estacionales existentes en el subsuelo. Básicamente se trata de implementar en el sistema mediante relleno de los conductos, o soluciones alternativas, un acumulador térmico mediante el uso de materiales que posean una buena capacidad calorífica capaz de retardar la oscilación térmica en vez de simplemente templarla. El flujo de aire debe ser homogéneo para que el intercambio de calor entre el aire y el material sea óptimo. El sistema se basa en un fenómeno físico complejo y sorprendente por el que el aire si bien solo necesita unos instantes para atravesar el dispositivo sale con una temperatura equivalente a la que entró unas horas antes con decalajes que pueden alcanzar las 12 horas (Hollmuller et al., 2006).

Figura 1. Gráfico de temperaturas mostrando las oscilaciones térmicas a la entrada y la salida de un intercambiador aerogeotérmico en una instalación situada en Sidamon (Lleida) durante el periodo de medida comprendido entre el 25/7/2009 y el 27/8/2009, datos tomados cada 10 minutos .

Figura 2. Gráfico de la humedad relativa, mostrando las oscilaciones de humedad en la entrada y la salida del intercambiador aerogeotérmico en una instalación situada en Sidamon (Lleida) durante el periodo de medida comprendido entre el 25/7/2009 y el 27/8/2009, datos tomados cada 10 minutos .

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. Dimensionado del sistema La influencia de las dimensiones del conducto, temperatura y velocidad de entrada del aire sobre la temperatura de salida del aire ha sido estudiada detalladamente por varios autores (Flores Larsen y Lesino, 2000; Gauthier et al., 1997; Mihalakakou et al., 1994). Las conclusiones más relevantes son las siguientes:

• La temperatura de salida del aire depende fuertemente de la temperatura de entrada.

• La variación diurna de la temperatura del suelo es aproximadamente sinusoidal, la amplitud decrece rápidamente en profundidad y el momento de la máxima y la mínima se desplaza con el tiempo existiendo un retraso en la medida que la onda térmica penetra el suelo.

• Las características del suelo son muy importantes: las propiedades térmicas del mismo influencian fuertemente el comportamiento térmico del sistema.

• A mayor longitud del conducto existe mayor transferencia de calor y el rendimiento del sistema aumenta. Dicha longitud no se puede prolongar indefinidamente para mejorar el rendimiento debido a que la temperatura de salida presenta un comportamiento asintótico con respecto a la longitud del conducto. Ello permite definir una longitud máxima a partir de la cual cualquier aumento influye muy poco en la temperatura de salida del aire por lo que se hace poco conveniente económicamente. Los valores usuales para longitud de conductos se encuentran en el intervalo comprendido entre los 10 y los 100 m.

• Para la velocidad del flujo del aire se consideran óptimos valores alrededor de 4 m/s para conductos de 20 cm de diámetro, existiendo un compromiso entre la potencia necesaria para hacer circular el aire y el acondicionamiento resultante. Los diámetros pequeños son preferibles desde un punto de vista térmico pero para una misma velocidad de flujo presentan mayores pérdidas por fricción así que lo más adecuado es el cálculo del balance entre la transferencia de calor y el soplado de aire en los conductos. Valores entre 20 y 60 cm de diámetro son típicos pudiendo alcanzarse valores superiores al metro en grandes edificios (hoteles, centros comerciales, etc.).

• Es más eficiente un conjunto de conductos más cortos que menor cantidad de conductos de mayor longitud. El espaciado entre tubos debe ser aquel que permita que los conductos sean térmicamente independientes. 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 3. 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 4. 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 5. 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. A mayores profundidades mayor rendimiento. Como valores típicos pueden considerarse profundidades comprendidas entre los 1,5 y los 3 m. Los tubos pueden ubicarse bajo el propio edificio o en el terreno colindante al mismo. Para aplicaciones en que el sistema deba funcionar durante un número importante de horas la profundidad mínima recomendada es de 3 m. 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 conductividad térmica del suelo es el factor limitante más importante que se ha de tener en cuenta en el diseño de un intercambiador. Esta propiedad servirá para determinar el dimensionado. Así pues es de vital importancia clasificar el terreno según su conductividad térmica para lo que deben identificarse los tipos de suelo y rocas presentes en la zona así como las variaciones de las propiedades físicas relevantes desde un punto de vista térmico. Los suelos húmedos son preferibles a los suelos secos debido a su mejor conductividad térmica aunque un excesivo grado de humedad no es conveniente. Situándonos en los extremos los terrenos turbosos y los suelos arenosos secos deben ser evitados. Algunos autores sugieren rodear los conductos con arcilla compactada para asegurar un correcto contacto térmico entre los tubos y el terreno. Las rocas tienen conductividades térmicas medias entre 2 y 4 W m-1 K-1, pero con valores extremos que pueden bajar hasta 0,5 W m-1 K-1 en arcillas con elevada porosidad (ocupada por agua) o subir hasta 7,4 W m-1 K-1 en cuarzoarenitas (areniscas formadas exclusivamente por cuarzo) y rocas evaporíticas (básicamente halita y yeso). Los valores más bajos corresponden siempre a rocas con elevada porosidad. Un informe geológico básico orientado a la aplicación de intercambiadores tierra aire debería incluir: un mapa geológico, acompañado de sus cortes, con especial detalle de las formaciones superficiales y antrópicas así como características y disposición del substrato rocoso que permita conocer con cierto detalle los primeros 10 metros de profundidad, una estimación de la temperatura media anual en el suelo inmediato, la estimación de los valores de conductividad y difusividad térmica del terreno, un inventario de sondeos y pozos cercanos, la estimación de la posición y características del nivel freático y flujo de agua subterráneo. 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). En la actualidad desde un punto de vista térmico este parámetro no tiene una importancia realmente significativa debido a que el factor limitante alrededor de los conductos es la conductividad del suelo. En los conductos se ha utilizado diversos tipos de plásticos (PVC, polipropileno, etc.), hormigón pretensado, cerámica, tubos metálicos galvanizados, etc. El material debe ser suficientemente resistente al aplastamiento cuando el tubo es enterrado. Los tubos corrugados presentan una mayor resistencia estructural pero también mayor impedimento al flujo y mayor posibilidad de encharcamiento del agua de condensación. 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.

MODELO DE CÁLCULO PARA UN INTERCAMBIADOR DE CALOR TIERRA-AIRE Para poder realizar el cálculo, es necesario imponer la condición de borde temperatura superficial variable y periódica, y la temperatura ambiental en el año. Baehr-Stephan propone para este caso, que la temperatura en la superficie de la tierra (x=0) en el año, sigue la forma mostrada en la ecuación (1):

(1) Donde:

Tsuperficial = Temperatura en la superficie de la tierra [ºC]

Tm= Temperatura media anual del ambiente [ºC]

Tmax= Temperatura ambiental máxima anual en [ºC]

t = Tiempo [s]

t0 = Duración de un año [s] (1 año _ 31,5x106[s])

t/t0 = Fracción de año (con t/t0 igual a cero para la máxima temperatura ambiental)

Finalmente Baehr-Stephan], propone como solución para la variación de temperatura del suelo, en función de la profundidad y del tiempo, un modelo de sólido semi-infinito y en las condiciones anteriormente descritas, la ecuación (2):

(2) con:

(3) Donde:

T(x, t) = Temperatura de la tierra en función de la profundidad y del tiempo [ºC]

x = Profundidad [m]

α = Difusividad térmica [m2seg]

Con la solución para la temperatura de la tierra en función de la profundidad y del tiempo mostrada en la ecuación (2), se obtienen varias curvas de temperatura según el periodo, las cuales convergen (disminuyen su amplitud), a medida que aumenta la profundidad. Modelo de Benkert, Hedidt y Schöler Para el estudio de los fenómenos de trasferencia de calor que ocurren en un sistema de intercambio de calor tierra-aire existen varios modelos, destacándose el modelo propuesto por Benkert, Hedidt y Schöler. Esto, recordando que el sistema de intercambio de calor tierra-aire consta básicamente de: un tubo que tiene una salida al interior de la vivienda, otra al exterior y que se encuentra enterrado en el suelo. Temperatura del suelo La temperatura del suelo en la pared del tubo depende en primer lugar del traspaso térmico de la

superficie de la tierra a capas más profundas. En segundo lugar, cuando se utiliza un intercambiador de calor tierra-aire, el tubo mismo influencia la temperatura de la tierra en la pared del tubo. En la ecuación, se define el parámetro B, el cual entrega una razón entre ambos efectos. Considerando la conductividad térmica de la tierra y el coeficiente de transferencia de calor entre el flujo de aire y la tierra en la pared del tubo.

(4) Donde:

B = Razón de transferencia de calor, desde la superficie de la tierra al tubo y desde el flujo de aire, a la pared del tubo

ks = Conductividad térmica del suelo [W/(m K)]

UL = Coeficiente de transferencia de calor por largo de pared del tubo, entre el aire y la pared del tubo [W/(m K)]

S0 = Profundidad de instalación del tubo [m]

R0 = Radio del tubo en [m]

El valor B es simplemente una razón de transferencia de calor obtenida con las temperaturas involucradas (temperatura de la tierra a la profundidad de instalación TE,0 , temperatura de la tierra en la pared del tubo TE,W y temperatura del aire en el interior del tubo TA,P). Esta razón es obtenida de un balance de calor, esto, entre el flujo de calor desde la tierra hacia la pared del tubo, o viceversa, con el flujo de calor desde la pared del tubo hacia el aire en su interior, o viceversa. Este Balance se muestra en la siguiente ecuación:

Luego,

Donde:

T E,0 = Temperatura de la tierra en la pared del tubo, no influenciada por él [ºC] T E,W = Temperatura de la tierra en la pared del tubo [ºC] T A,P = Temperatura del aire en el tubo [ºC]

El valor B es ocupado como factor de corrección en la ecuación (7). La temperatura de la tierra en la pared del tubo, pero no influenciada por este (TE,0), es calculada con la temperatura media ambiental (Tm) y con la temperatura máxima ambiental (Tmax), asumiendo una variación de temperatura sinusoidal a través del año. Además es definido un parámetro adimensional (ξ), el cual describe la “profundidad térmica” del tubo. Esto se resume en la ecuación (5).

(5) Donde:

T E,0 = Temperatura de la tierra en la pared del tubo, no influenciada por él [ºC] ξ = Parámetro adimensional para la “profundidad térmica” del tubo t = Tiempo [s] t0 = Duración de un año [s] (1 año = 31,5x106 [s]) t/t0 = Fracción de año (con t/t0 igual a cero para la máxima temperatura ambiental)

La ecuación (5), no es nada más que el modelo de Baehr-Stephan mostrado en la ecuación (2), evaluada a la profundidad del tubo. Esto considerando:

Donde

ρ · c = Capacidad calórica volumétrica de la tierra [J/(m3K)] ρ = Densidad del suelo [kg/m3] c = Calor específico del suelo [J/(kg K)]

Con esto, la “profundidad térmica” ξ , en la cual se sitúa el intercambiador de calor tierra-aire, depende de la profundidad real en la cual se sitúa el intercambiador junto con las características térmicas del suelo sobre él. Esto se muestra en la ecuación (6).

(6) Es necesario aplicar un factor de corrección para representar la influencia del tubo en la temperatura de la tierra en la pared del tubo. Esto se logra con el factor B definido en la ecuación (4). Luego, la temperatura corregida de la tierra en la pared del tubo T E,W esta definida por la ecuación (7).

(7) Donde:

T E,W = Temperatura de la tierra en la pared del tubo [ºC] T A,P = Temperatura del aire en el tubo [ºC]

Esto significa que T E,W es la media aritmética entre la temperatura de la circulación del aire dentro del tubo (T A,P) y la temperatura de la tierra en la pared del tubo no influenciada por el tubo (T E,0). Esto considerando la conductividad térmica del suelo y el coeficiente de transferencia de calor entre el flujo del aire y la tierra en la pared del tubo. Temperatura ambiente del Aire La temperatura del aire ambiente (T A,0) determina la temperatura a la entrada del intercambiador de calor tierra-aire. Además esta temperatura también se relaciona indirectamente con la temperatura de la tierra, debido a que es la condición de borde, ecuación (1), de la solución propuesta por Baehr-Stephan, para la variación de la temperatura de la tierra, ecuación (2).

(8) Donde

T A,0 = temperatura ambiental en ºC en el tiempo t en s La ecuación (8) muestra un perfil de temperatura sinusoidal a través del año para la temperatura del aire ambiente (T A,0). Transferencia de Calor en el Intercambiador de Calor Tierra-aire Para calcular el intercambio de calor en el tubo, la longitud total del intercambiador se divide en segmentos iguales. Como los segmentos no varían, el intercambio de calor en el segmento produce un salto de temperatura entre dos segmentos. El intercambio de calor para cada segmento esta definido por la ecuación (9).

(9) Donde

Q˙W = Flujo de calor, a través de la pared del tubo al aire en él [W] Δz = Largo del segmento [m]

El coeficiente del traspaso térmico por la longitud de la pared del tubo (UL), para los tubos de los intercambiadores de calor de tierra-aire depende solamente del coeficiente de traspaso térmico (hi) en su superficie interna. En la ecuación N_4.10, se aprecia como se define el coeficiente de traspaso térmico por la longitud de la pared del tubo (UL).

(10) Donde:

hi = Coeficiente de transferencia de calor en la superficie interna del tubo [W/(m2K)] El coeficiente de transferencia de calor en la superficie interna del tubo (hi), depende de características del flujo, de las dimensiones del tubo y de las propiedades del aire en el tubo. Este coeficiente esta definido por la ecuación (11).

(11) Donde:

kA = Conductividad térmica del aire en el tubo [W/(m K)] Nu = Número de Nusselt del aire en el tubo

El número de Nusselt (Nu) del aire en el tubo, depende del número de Reynolds (Re) y por ende del caudal. Para la circulación de aire turbulento en la región de la relevante para los intercambiadores de calor tierra-aire, Gnielinski [15] propone la aproximación de la ecuación (12).

(12)

Re = Número de Reynolds del aire en el tubo Pr = Número de Prandtl del aire (típicamente: Pr = 0,72)

Temperatura del Aire en el Tubo Ahora la temperatura del aire a través de la longitud total del intercambiador de calor tierra-aire, puede ser calculada. Al comenzar con una temperatura de entrada igual al aire ambiente, la temperatura irá variando gradualmente, es decir, segmento a segmento la temperatura del aire se ajustará según el flujo de calor en el segmento y la capacidad de calor del aire. Este paso esta definido por la ecuación (13).

(13) Con:

m˙ = Flujo másico de aire [kg/s] cp = Calor específico del aire [J/(kg K)] (T A,P)in = Temperatura del aire en el tubo a la entrada del segmento [ºC] (T A,P)out = Temperatura del aire en el tubo a la salida del segmento [ºC]

Finalmente la ecuación (13) se iguala con la ecuación (9). Con esto se despeja la temperatura al final del segmento (T A,P). Esto, comenzando con la temperatura ambiental del aire a la entrada del segmento. Luego, se repite el procedimiento para el nuevo segmento, pero esta vez considerando como temperatura de entrada, la temperatura obtenida a la salida del tramo anterior. Así, se repetiría este procedimiento hasta llegar a una temperatura tan cercana como se desee de la temperatura del suelo, no influenciada por el tubo y a la profundidad de instalación del tubo. Con esto, se calcularía la cantidad de segmentos utilizados y el calor transferido en cada tramo, con lo cual, se tendrá el tramo total de tubo y el calor total transferido. 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 --

MANTENIMIENTO Muy a menudo se invocan y se citan posibles problemas de condensación de aire húmedo como factor limitante en la aplicación de sistemas aerogeotèrmicos (pozos "canadienses" o "provenzales" y por extensión los intercambiadores tierra aire). Este tema, además de recurrente, es uno de los más cuestionados por los proyectistas, promotores y contratistas cuando consultan el diseño de sistemas aerogeotèrmicos debido a sus posibles implicaciones higiénicas. Clásicamente se considera que la condensación en el interior de las instalaciones aerogeotérmicas es un riesgo a tener muy en cuenta Stahl (2002). La existencia de humedades no tratadas en el sistema puede ocasionar el crecimiento de mohos y la generación de malos olores. La condensación en la instalación aparece cuando la temperatura en los tubos de intercambio está por debajo del punto de rocío del aire de entrada. Normalmente las instalaciones aerogeotérmicas incluyen dispositivos para la prevención de problemas relacionados con la posible ocurrencia de este fenómeno como: instalaciones accesibles a equipos de limpieza y drenaje específicos, tubos de intercambio térmico con una pendiente mínima que permite su eventual drenaje y dispositivos de evacuación de dicho drenaje. Los intercambiadores deben estar equipados con filtros que impidan la entrada de partículas a la zona climatizada. El mantenimiento de los mismos debe ser el adecuado. Los filtros deberán cambiarse periódicamente. El uso de filtros opacimétricos, que retienen el polvo y el polen es frecuente. El control de las bocas interiores debe hacerse al mismo tiempo que las exteriores. Una limpieza quincenal es aconsejable. Para el mantenimiento a largo plazo debe considerarse que la vida útil de los ventiladores impulsores suele situarse entre los 15 y 20 años.

El sistema debe ser accesible para permitir su lavado. Una frecuencia anual parece razonable. El clima efectivo del emplazamiento, la profundidad de las instalaciones y la velocidad de flujo tienen una incidencia clara en los riesgos de condensación. El uso de productos especializados, la utilización de agua con soluciones desinfectantes solo es posible si las pendientes permiten la evacuación para evitar el estancamiento. La limpieza deberá realizarse teniendo en cuenta las condiciones meteorológicas reinantes para favorecer un buen secado. Preferiblemente la instalación dispondrá de registros para facilitar el acceso a la instalación. Ello es más fácil en las instalaciones de gran diámetro pero también es posible en las instalaciones de menor diámetro. Sin embargo el seguimiento y monitorización de diversas instalaciones ha puesto de relieve que la acumulación de condensación en el intercambiador o sus cámaras es irrelevante en un clima mediterráneo seco. En cuanto a las implicaciones higiénicas de la condensación en el caso concreto de los sistemas aerogeotérmicos cabe decir que la investigación formal indica que dichos sistemas reducen la contaminación de aire de ventilación. Rabindra (2004) lo afirma en su trabajo: "Se ha constatado que los sistemas de tubos enterrados no fomentan el crecimiento de bacterias y hongos, sino que reducen la cantidad de bacterias y hongos con lo que el aire es más seguro para los seres humanos. Por tanto, es claro que el uso de tecnologías aerogeotérmicas no sólo ayuda a ahorrar energía, sino también ayuda a reducir la contaminación del aire mediante la reducción de bacterias y hongos." Del mismo modo, Flueckiger (1999) en un estudio de doce intercambiadores tierra-aire que varían en diseño, material de la tubería, tamaño y edad, declaró: "Este estudio se realiza debido a la preocupación sobre la posible proliferación microbiana en las tuberías enterradas en sistemas aerogeotermicos. Sin embargo, los resultados demuestran que los pocos crecimientos detectados no son perjudiciales y que las concentraciones en el aire de esporas viables y bacterias, con pocas excepciones, incluso disminuye después de pasar por la tubería del sistema ", y añadió: "De acuerdo con estas investigaciones, el uso de sistemas aerogeotérmicos es aceptable siempre que se lleven a cabo controles regulares y las tareas adecuadas de limpieza de las instalaciones" como en cualquier otro sistema de tratamiento de aire. En este sentido la norma europea UNE 100012 determina los criterios para decidir si un sistema de climatización está en condiciones higiénicas aceptables o si se llevará a cabo el proceso de higienización. De hecho, los niveles de contaminantes definidos por esta norma se refieren al número de microorganismos en aire de impulsión, en las superficies de los conductos y el pesaje de la suciedad en la superficie de los mismos, mediante el llamado "test de aspiración". Además la UNE 100012 define también los criterios y estándares de calidad requeridos para la limpieza de sistemas, en que se basan las empresas dedicadas a estos procesos de higienización. Los riesgos de oxidación también quedan asimismo minimizados. Cabe destacar también que la misma norma 100.012 determina los procedimientos y criterios para determinar la necesidad de higienizar o no un sistema de climatización. Esta es la norma que debe cumplir el servicio de mantenimiento como en el caso de cualquier otro sistema de conductos de aire. 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 Y BIBLIOGRAFIA ÚTIL

DE PAEPE, M. y JANSSENS, A. (2003). “Thermo-hydraulic design of earth-air heat exchangers.” Energy and Buildings 35, 2003.

FLORES LARSEN S. Y LESINO G. (2000). “Modelización de intercambiadores tierra-aire para acondicionamiento térmico de edificios.” Actas del 8º Congreso Latinoamericano de Transferencia de Calor y Materia (LATCYM 2001), Veracruz, México, Febrero de 2001.

FLUECKIGER, B. y MONN, C. (1999) “Microbial investigations and allergen measurements in ground-coupled earth-to-air heat exchangers”; AIVC 20th Conference and Indoor Air 99, the 8th International Conference on Indoor Air Quality and Climate, UK, Garston, BRE, 1999, proceedings, Edinburgh, Scotland, 8–13 August 1999, Volume 5.

GAUTHIER C., et al. (1997). Numerical simulation of soil heat exchanger-storage systems for greenhouses. Solar Energy 60, 6, pp. 333-346.

HOLLMULLER, et al. (2006) A new ventilation and thermal storage technique for passive cooling of buildings: thermal phase-shifting PLEA - The 23rd Conference on Passive and Low Energy Architecture, Geneva, Switzerland, 6-8 September 2006.

HOLLMULLER, P., (2002), “Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments. Mesure in situ, modélisation numérique et analyse systémique. ” These No 3357. Université de Genéve.126 pp.

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.

HOLLMULLER, P., et al (2005), Rafraîchissement par geocooling :Bases pour un manuel de dimensionnement Rapports de recherche du CUEPE n° 5.

KOPECKÝ, P. (2008) “Hygro-thermal performance of Earth-to Air Heat Exchangers. Numerical model, analytical and experimental validation, measurements in-situ, design.” PhD thesis. Czech Technical University in Prague. 137 pp.

LABARRIÈRE, S (2007). Prévoir l’été en hiver Puits provençal : pour concilier confort d'été et écologie. www.eliosystem.com/puits_eco.pdf.

MIHALAKAKOU, G., et al. (1994). Modelling the thermal performance of earth-to-air heat exchangers. Solar Energy, 53, Nro.3, pp. 301-305.

PFAFFEROTT, J. (2003).: “Evaluation of earth-to-air heat exchangers with a standardisedmethod to calculate energy efficiency”. Energy and Buildings 35.

RABINDRA NATH, B. et al., (2004) “Use of Earth Air Tunnel HVAC system in minimizing indoor air pollution”; Air Quality Monitoring and Management, proceedings of Better Air Quality 2004.

STAHL, F. (2002) “Preheating of Supply Air trough and Earth Tube System. Energy demand and moisture consequences.” Building Physiscs 2002, 6th Nordic Symposium. Session 21: Ventilation and Installation, pp 913-920.

THIERS, S. (2008). “Bilans énergétiques et environnementaux de Bâtiments à énergie positive”. Thèse de doctorat. Ecole nationale superieure des mines de Paris. 255 p.

ZHAO, M. Z. (2004) “Simulation of Earth-to Air heat Exchanger Systems”. Thesis. Concordia University, Montreal, Quebec, Canada. 100 pp.