Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción

Guayaquil, Octubre de 2015

Oportunidades y Retos de Aplicaciones de Geotermia de baja entalpía en la costa de Ecuador

Introducción: Problema

Introducción

• Conocer el funcionamiento de los sistemas de enfriamiento geotérmicos

• Geología

• Características térmicas del terreno

• Comparación del consumo y eficiencia entre un sumidero geotérmico y una torre de enfriamiento

• Toma de datos meteorológicos

• Medida experimental en modelo de pruebas

• Difusión de resultados

• Diseño de una metodología experimental

• Elaboración de guías técnicas

Introducción: Objetivos

Propiedades térmicas del terreno: Metodología

𝑇𝑓(𝑡) − 𝑇𝑔 = 𝑄

4𝜋𝐿𝑘𝑠𝑙𝑛 𝑡 +

𝑄

𝐿

𝑙𝑛16𝛼𝑠𝑑𝑏2 − 𝛾

4𝜋𝑘𝑠+ 𝑅𝑔 +

𝑅𝑝 + 𝑅𝑓

2

𝑅𝑓 =1

𝜋𝑑𝑝,𝑖ℎ𝑓

𝑅𝑝 =1

2𝜋𝑘𝑝ln

𝑑𝑝,𝑜

𝑑𝑝,𝑖

𝑅𝑔 =1

2𝜋𝑘𝑔ln

𝑑𝑏

𝑑𝑝,𝑜 𝑛

ℎ𝑓 = 0.023𝑘𝑓

𝑑𝑝,𝑖𝑅𝑒0.8𝑃𝑟0.35

𝑅𝑠 𝑡 =𝑇𝑓 − 𝑇𝑔

𝑄𝐿

Ecuación de Dittus-Boelter:

Método de la fuente lineal:

𝑉á𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑡 >20𝑟2

𝛼y para diámetros de tubo menores de 50 mm.

Test de respuesta térmica

• Se realizaron un total de 10 perforaciones.

• Profundidades alcanzadas de 50 y 60 m.Propiedades térmicas del terreno: Metodología

P-1P-1

• Maquinaría: equipo ACKER sobre patines y equipo TP50 sobre Land Rover.

• Método: Rotación con recuperación de testigo.

• Diámetro de perforación 113 mm, longitud de 50 y 60 m.Recuperación del testigo de la perforación

Propiedades térmicas del terreno: Instalación

Cemento (kg/m3) 587.7

Agua (L/m3) 323.3

Arena (kg/ m3) 1251.8

Bentonita (kg/m3) 6.5

Plastificante (L/m3) 8.8

Densidad Relativa 2.18

Composición del relleno(kg≈1.73 W/mK)

Preparación del relleno

• Ensayos de identificación.

• Contenido en humedad mediante secado en estufa (UNE 103-300-95)

• Límites de Atterberg (Límite Líquido UNE 103-103-94 y Límite Plástico UNE 103-104-93).

• Análisis granulométrico de suelo por tamizado (UNE 103-101-95).

• Densidad seca del suelo (UNE 103-302-94).

• Clasificación (ASTMD-2487-93).

• Ensayos determinación de la mineralogía.

• Difractometría (identifica y cuantifica minerales con estructura cristalina).

• Termogravimetría Espectrometría y Calorimetría diferencial (identifica minerales con estructura amorfa).

Propiedades térmicas del terreno: Geología

Calentamiento por resistencias eléctricas a 50 - 80 W/m, durante 48 horas (ASHRAE). Generador de gasolina de 10 kW.

T promedio

T media entrada

T media salida

Flujo promedioT suelo sin perturbar

Flujo de calor

321.37 K48.22 ºC

322.21 K49.06 ºC

320.53 K47.38 ºC

4.592x10-4 m3/s27.55 L/min

302.15 K29 ºC

2746.03 W

Propiedades térmicas del terreno: Test de Respuesta Térmica

Centro cívico

306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tem

per

atu

re (

K)

Time (h)

Outlet Temp

Inlet Temp

Mean Temp

∆𝑇(𝑡) = 𝑎 ∙ 𝑙𝑛 𝑡 + 𝑏 → 𝑎 = 𝑄

4𝜋𝐿𝑘𝑠→ 𝑘𝑠

∆T(t) = 3.3977x + 308.11

R² = 0.9968

316

317

318

319

320

321

322

2 3 4

Tf(t

)-Tg

(K

)

ln(t)

Propiedades térmicas del terreno: Test de Respuesta Térmica

Método fuente lineal

Resistividad térmica del terreno Rs (mK/W)

Conductividad térmica del terreno ks (W/mK)

Difusividad térmica del terreno α (m2/día)

ESPOL 0.421 1.668 0.378

Univ. Guayaquil 0.546 0.898 0.066

Base Naval Norte 0.467 1.013 0.076

Centro Cívico 0.337 1.123 0.012

Astinave 0.349 1.245 0.030

Hosp. Teodoro Maldonado 0.574 0.676 0.031

Esclusas 0.420 0.991 0.038

Base Naval Sur 0.400 1.120 0.024

Central Térmica Trinitaria 0.470 0.690 0.047

Policía Militar del Suburbio 0.394 0.923 0.012

Propiedades térmicas del terreno: Resultados

Estero Aluvial Roca

R k α R k α R k α

Máximo 0.524 1.312 0.144 0.469 1.020 0.075 0.421 1.674 0.386

Mínimo 0.080 0.782 0.017 0.180 1.008 0.053 0.230 1.670 0.094

Media 0.267 1.069 0.049 0.324 1.014 0.064 0.326 1.672 0.240

Propiedades térmicas del terreno: Efecto de las mareas

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

met

ros

ΔT

(°C

)horas

Efectos de la marea sobre el TRT

Gradiente de Temperatura [ºC] Marea [m]

ASTINAVE

Tiempo de la prueba 48hPotencia promedio empleada 2718WCaudal promedio medido 5.37 gal/minTemperatura sin perturbar 29ºCProfundidad de pozo 50m

Propiedades térmicas del terreno: Mapas de propiedades térmicas

Conductividad Difusividad Resistividad

Torres de enfriamiento del Edif. del Gobierno Zonal

Sensor ultrasónico de flujo

Desempeño de una torre de enfriamiento

Registradores de consumo eléctrico

Sensores de temperatura del agua

Desempeño de una torre de enfriamiento

Estación meteorológica

Mapa de distribución de precipitaciones en Guayaquil(INAMHI)

Desempeño de una torre de enfriamiento

• Toma de datos cada 10 min.

• Periodo de muestreo de 10 s.

Enfriamiento por evaporación de agua en aire/intercambio de calor

Consumo eléctrico en bomba de circulación y ventilador

Consumo de agua

Limpieza periódica

Expuesto a las condiciones meteorológicas

Tipos:Húmeda/SecaAbierta/cerradaTiro inducido/forzado

RSD Cooling Towers

Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor

Torre de enfriamiento:

Potencia de 5 TRFT entrada 95 ºFT salida 85 ºFT bulbo húmedo 75 ºF

Sumidero geotérmico:

4 perforacionesProfundidad de 42 metrosSeparación 6 metros

Distribución:

Tuberías HDPE1-1/4’’ y 3/4’’

Carga térmica:

Calderas eléctricasPotencia de 9 kW

Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor

Tuberías de distribución

Calderas y bombas

Torre de enfriamiento

Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor

Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor: Resultados

Temperaturas de entrada y salida del sumidero

Temperaturas de entrada y salida de la torre

Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor: Rentabilidad

Inversión TorreCoste unitario ($) Unidades Coste total ($)

Torre de enfriamiento (5 TRF) $1,675.00 1 $1,675.00

Tubería PE $1.50 20 $30.00

Válvula de bola $364.00 2 $728.00

Panel de control $738.00 1 $738.00

Solera de hormigón $100.00 1 $100.00

Bomba de agua $375.00 1 $375.00

Mano de obra $11.51 16 $184.16

Transporte materiales $20.00 2 $40.00

TOTAL $3,870.16

Inversión SumideroCoste unitario ($) Unidades Coste total ($)

Perforaciones 42 m. Relleno de

cemento y bentonita$5,021.00 4 $20,084.00

Manguera PE $0.52 384 $199.68

Válvulas de bola $15.00 6 $90.00

Panel de control $826.00 1 $826.00

Bomba de agua $246.00 1 $246.00

Mano de obra $11.51 8 $92.08

Transporte de material $20 1 $20.00

TOTAL $21,557.76

Costos Corrientes

TorreCoste unitario ($/mes) Consumo Unidades Coste total ($/mes)

Consumo eléctrico $0.12 207.67 kWh/mes $24.92

Consumo de agua (Ver hoja) 16.225 m3/mes $10.06

Limpieza bombas y

torre$11.51 2 $/mes $23.02

Consumibles $154.00 0.25 $ $38.50

TOTAL $96.50

Costos Corrientes

SumideroCoste unitario ($/mes) Consumo Unidades Coste total ($/mes)

Consumo eléctrico $0.12 79.38 kWh/mes $9.53

Limpieza bomba e

inspección$11.51 0.33 $/mes $3.84

Consumibles $0.50 0.083 $ $0.04

TOTAL $13.37

𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑆𝑖𝑚𝑝𝑙𝑒 =

=𝐶𝐼𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑒𝑟𝑜 − 𝐶𝐼𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒

𝐶𝐶 + 𝐶𝑅 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑒𝑟𝑜 − 𝐶𝐶 + 𝐶𝑅 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒= 16.76 𝑎ñ𝑜𝑠

Torre enfriamiento Sumidero geotérmico

Estimados costos de reemplaces/año (CR) $155.59 $97.79

700 BTU-HR/m2 Torre Sumidero

Inversión/m2 $88.01 $502.55

Coste/m2/año $30.65 $6.02

Energía(kWh)/m2/año 58.148 22.227

1000 BTU-HR/m2 Torre Sumidero

Inversión/m2 $121.54 $693.99

Coste/m2/año $42.33 $8.32

Energía(kWh)/m2/año 80.299 30.695

Costes por m2:

Comparación de una torre de enfriamiento y un sumidero de calor: Rentabilidad

Investment costs Operating costs Replacementcosts

Cooling tower $3,870.16 $1,158.04/year $155.59/yearHeat sink $21,557.76 $160.39/year $97.79/year

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

$

Años

Sumidero 9kW Torre 9kW Torre 18kW Sumidero 18kW

AHORRO

ahorro

Trabajos en Desarrollo

- Medición de perfiles de temperatura

- Mejora diseño sitemas verticales, uso de diferentes fluidos y materiales- Desempeño de sistemas horizontales- Influencia de flujos de agua en suelo (e.g. mareas, acuíferos) en propiedades térmicas.

El uso del suelo como sumidero de calor es una alternativa para la refrigeración que ha demostrado buen

rendimiento y disponibilidad. Existen varias tipologías de sumidero de calor.

La mayoría de las perforaciones se encontró material perteneciente al ambiente estuarino con intercalaciones

aluviales.

Las propiedades térmicas encontradas son más favorables en los terrenos rocosos.

El nivel freático tiene una gran influencia en el calor intercambiado.

El aumento de la temperatura ambiental aumenta la carga térmica de las edificaciones y disminuye el

rendimiento térmico de una torre de enfriamiento húmeda.

Se han obtenido los valores de conductividad, difusividad y resistividad térmicas del terreno. Resultados

congruentes con varios métodos de cálculo.

El Test de Respuesta Térmica se considera el método de medida más preciso y directo.

Las propiedades térmicas son casi constantes a lo largo del año. Tienen una gran influencia en el rendimiento

del sumidero de calor.

Bajos costes de operación y altos de inversión. Mayor ahorro con cargas térmicas grandes.

Conclusiones