II CONGRESO DE ENERGA GEOTRMICA EN LA EDIFICACIN Y LA INDUSTRIA
INTERCAMBIADORES TIERRA-AIRE Y TCNICAS EMPARENTADAS. EJEMPLOS Y
EXPERIENCIASL. Brunat1 y J. Escuer1 1 GEOCONSULTORES TECNICOS Y
AMBIENTALES, S.L.. Prncep de Viana,11 25004 LLEIDA.
[email protected] Resumen:Los intercambiadores
tierra-aire utilizan el subsuelo para enfriamiento y calentamiento
de una corriente de aire que circula a travs de tubos que se
entierran para tal propsito, contribuyendo a reducir la
tem-peratura del aire que ingresa en los edificios durante el
verano y aumentndola durante el invierno. Su
usoenacondicionamientotrmicosehaextendidoenlosltimosaosyenmuchoscasospermiteun
ahorro de ms del 45% de los requerimientos energticos. Las ventajas
de los intercambiadores tierra-aire son numerosas. En principio
requieren una inversin mu-cho menor que una climatizacin reversible
convencional, especialmente si el diseo del edificio ya con-templa
dicha posibilidad, y por otra parte los requerimientos energticos
son completamente marginales implicando as mismo un entretenimiento
y mantenimiento muy sobrios. Debe destacarse que el sistema es
especialmente duradero y completamente sostenible y ecolgico.La
simplicidad del principio no debe hacer olvidar el diseo y la
puesta en obra que debe ser confiada a
profesionalesquegarantizarnunacorrectaimplementacinyrendimientodelsistema.Sepresentan
experiencias en el campo de las aplicaciones agrcolas, as como en
la edificacin en distintos emplaza-mientos de la pennsula Ibrica
realizadas a lo largo del ltimo decenio. Palabras clave:
Intercambiadores, tierra-aire, pozo canadiense, pozo provenzal.1
INTRODUCCIN Y ANTECEDENTES Los intercambiadores tierra-aire
utilizan el subsuelo para enfriamiento y calentamiento de una
corrientedeairequecirculaatravsdetubosqueseentierranparatalpropsito,contribu-yendoareducirlatemperaturadelairequeingresaenlosedificiosduranteelveranoyau-mentndoladuranteelinvierno.Suusoenacondicionamientotrmicodeedificiossehaex-tendidoenlosltimosaos,hacindoseparticularmentetileninvernaderos,enlosqueen
muchos casos permite un ahorro de ms del 45% de sus requerimientos
energticos y en edi-ficios pblicos (hoteles, escuelas). Estos
sistemas son utilizados para el acondicionamiento directo de la
temperatura interior de las construcciones. Los conductos
enterrados funcionan en buclecerrado con el espacio a cli-matizar.
En dicho bucle un impulsor fuerza la circulacin de aire.El aire
puedeser forzado a travs del bucle diversas veces para alcanzar
determinada temperatura tras un cierto nmero de circulaciones.Estos
sistemas, conocidos desde antiguo (pozo provenzal, pozo
canadiense), ya generaron in-tersen la ltima dcada de los aos
setentay primerosochentaaunque no alcanzaron una
ampliaaceptacin.Latendenciaactualhaciatecnologasmssostenibleshageneradoelre-surgir
del inters en el concepto de los intercambiadores tierra-aire. En
origen el pozo provenzal fue una canalizacin en piedra enterrada en
el flanco de una colina que servia para canalizar por conveccin
natural un flujo de aire que transitaba desde una bo-ca externa a
travs de una conduccin hacia la pieza principal de las
construcciones tradiciona-les. En invierno la tierra recalienta
este aire entrante mientras que en verano lo enfra gracias a la
inercia trmica del suelo. Un sistema poco sofisticado y de baja
eficiencia pero que en una edificacin provenzal tradicional, donde
la inercia trmica es elevada debido a la existencia de muros o
paredes de gran espesor y pocas aberturas, el resultado es ms que
apreciable. El pozo provenzal es de hecho un intercambiador
geotrmico que asegura la funcin de clima-tizacin estival o invernal
del aire de ventilacin. Este sistema es llamado tambin pozo
cana-diense en referencia a la funcin de precalentamiento invernal
del aire de ventilacin. 121II CONGRESO DE ENERGA GEOTRMICA EN LA
EDIFICACIN Y LA INDUSTRIA 2 PRINCIPIO
Losintercambiadoresdecalortierraairesebasanenlautilizacindelaenergatrmicadel
subsuelo para pretratar el aire de ventilacin de los edificios. El
aire as obtenido presenta un mayor grado de confort trmico al
obtener un aire ms clido del habitual en tiempo fro y ms fresco en
tiempo caluroso. La temperatura del subsuelo inmediato en nuestras
latitudes es re-lativamente constante alrededor de los 15 C a 2 m
de profundidad. En una instalacin tipo el aire penetra dentro del
pozo por una toma de aire debidamente pro-tegida, circula por
canalizaciones enterradas gracias a un sistema de impulsin y es
repartido por las estancias del edificio a climatizar asegurando un
aporte de aire nuevo al
local.Paraunacorrectaimplementacinenunedificiomodernoelprocedimientoesmejoradome-diante
la solucin de los posibles problemas de condensacin en las
canalizaciones as como la optimizacin de la regulacin trmica
mediante el reparto de aire a cada pieza o volumen indi-vidual as
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.
Lasventajasdelpozoprovenzalsonnumerosas.Enprincipiorequiereunainversinmucho
menor que una climatizacin reversible convencional, especialmente
si el diseo del edificio ya contempla dicha posibilidad, y por otra
parte los requerimientos energticos son
completamen-temarginalesimplicandoasmismounentretenimientoymantenimientomuysobrios.Debe
destacarse que el sistema es especialmente duradero y completamente
sostenible y ecolgico.
Existenciertoscondicionamientosenelfuncionamientodeun
intercambiadortierraairepue-den ser resumidos en los siguientes
puntos: x Lasfunciones de precalentamiento en invierno
yrefrigeracin en verano estn afectadas por dos desfases uno diario
y otro estacional dados por la inercia trmica del subsuelo.
Es-tainerciatrmicacondicionaundesfasetemporalalcanzandoelsubsueloinmediatolos
valores ms frescos por la maana tras la noche y en primavera tras
el invierno y los valo-res ms clidos por la tarde tras el medioda y
en otoo tras el verano. x El almacenamiento de calor debido a las
oscilaciones estacionales se propaga unos 3 m al-rededor de los
conductos mientras que en la oscilacin diaria se propaga unos 20 cm
de
talmaneraquelasoscilacionesdiariasprimarnsobrelasoscilacionesestacionalesque
requieren una masa de almacenamiento ms importante y adems se
encuentran limita-das por una difusin en profundidad.x Estos
desfases se caracterizan por presentar una cada exponencial a lo
largo de la longi-tud del tubo.x Los sistemas basados en pozos
canadienses funcionan en bucle abierto. El sistema de ven-tilacin
sirve a la vez de bucle de recarga trmica y de distribucin. 2.1
Aprovechamiento de la inercia trmica
Enlaactualidadlosintercambiadorestierraaireylospozosprovenzalespuedenoptimizarse
mediante el uso de dispositivos capaces de sacar partido de las
inercias trmicas diarias y es-tacionales existentes en el subsuelo.
Bsicamente se trata de implementar en el sistema me-diante relleno
de los conductos, o soluciones alternativas, un acumulador trmico
mediante el
usodematerialesqueposeanunabuenacapacidadcalorficacapazderetardarlaoscilacin
trmicaenvezdesimplementetemplarla.Elflujodeairedebeserhomogneoparaqueel
intercambio de calor entre el aire y el material sea
ptimo.Elsistemasebasaenunfenmenofsicocomplejoysorprendenteporelqueelairesibien
solo necesita unos instantes para atravesar el dispositivo sale con
una temperatura equivalen-te a la que entr unas horas antes con
decalajes que pueden alcanzar las 12 horas (Hollmuller et al.,
2006).122II CONGRESO DE ENERGA GEOTRMICA EN LA EDIFICACIN Y LA
INDUSTRIA 3 ASPECTOS TCNICOS DE DISEO Dado que el objetivo de un
intercambiador trmico tierra aire es el intercambio de temperatura
entre estos elementos, el conocimiento de las propiedades trmicas
de los mismos es necesa-rio para su correcto diseo e implementacin.
Asimismo tambin sern importantes las propie-dades trmicas de los
materiales utilizados en el sistema. Entre los parmetros de diseo
que deben ser controlados deben considerarse: 3.1 El tipo de
material de los conductos En la actualidad desde un punto de vista
trmico este parmetro no tiene una importancia re-almente
significativa debido a que el factor limitante alrededor de los
conductos es la conducti-vidad del suelo. En los conductos se ha
utilizado diversos tipos de plsticos (PVC, polipropileno, etc.),
hormign pretensado, cermica, tubos metlicos galvanizados, etc. El
material debe ser suficientemente resistente al aplastamiento
cuando el tubo es enterrado. Los tubos corrugados presentan una
mayor resistencia estructural pero tambin mayor impedimento al
flujo y mayor posibilidad de encharcamiento del agua de
condensacin. 3.2 Dimensionado del sistema La influencia de las
dimensiones del conducto, temperatura y velocidad de entrada del
aire so-bre la temperatura de salida del aire ha sido estudiada
detalladamente por varios autores (Flo-res Larsen y Lesino, 2000;
Gauthier et al., 1997; Mihalakakou et al., 1994). Las conclusiones
ms relevantes son las siguientes: x La temperatura de salida del
aire depende fuertemente de la temperatura de entrada. x La
variacin diurna de la temperatura del suelo es aproximadamente
sinusoidal, la ampli-tud decrece rpidamente en profundidad y el
momento de la mxima y la mnima se
des-plazaconeltiempoexistiendounretrasoenlamedidaquelaondatrmicapenetrael
suelo Fig. 1. x Las caractersticas del suelo son muy importantes:
las propiedades trmicas del mismo in-fluencian fuertemente el
comportamiento trmico del sistema. x
Amayorlongituddelconductoexistemayortransferenciadecaloryelrendimientodel
sistema aumenta. Dicha longitud no se puedeprolongar
indefinidamente para mejorarel rendimiento debido a que la
temperatura de salida presenta un comportamiento asinttico con
respecto a la longitud del conducto. Ello permite definir una
longitud mxima a partir de la cual cualquier aumento influye muy
poco en la temperatura de salida del aire por lo que se hace poco
conveniente econmicamente. Los valores usuales para longitud de
con-ductos se encuentran en el intervalo comprendido entre los 10 y
los 100 m. x Para la velocidad del flujo del aire se consideran
ptimos valores alrededor de 4 m/s para
conductosde20cmdedimetro,existiendouncompromisoentrelapotencianecesaria
para hacer circular el aire y el acondicionamiento resultante. Los
dimetros pequeos son preferibles desde un punto de vista trmico
pero para una misma velocidad de flujo
pre-sentanmayoresprdidasporfriccinasquelomsadecuadoeselclculodelbalance
entre la transferencia de calor y el soplado de aire en los
conductos. Valores entre 20 y 60
cmdedimetrosontpicospudiendoalcanzarsevaloressuperioresalmetroengrandes
edificios (hoteles, centros comerciales, etc.). x Es ms eficiente
un conjunto de conductos ms cortos que menor cantidad de conductos
de mayor longitud. El espaciado entre tubos debe ser aquel que
permita que los conductos sean trmicamente independientes. 123II
CONGRESO DE ENERGA GEOTRMICA EN LA EDIFICACIN Y LA INDUSTRIA
Temperatura1620242832364000:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00
12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00 00:00 12:00Exteri
orEntrada de ai re Figura 1. Comparativa entre la temperatura
obtenida del intercambiador y la temperatura del aire en un
intercambiador instalado en una casa unifamiliar en Sidamon
(Lleida). Verano 2009. Cortesa de Lus Asim. 3.3 Tipo de suelo La
conductividad trmica del suelo es el factor limitante ms importante
que se ha de tener en cuenta en el diseo de un intercambiador. Esta
propiedad servir para determinar el dimensio-nado. As pues es de
vital importancia clasificar el terreno segn su conductividad
trmica para lo que deben identificarse los tipos de suelo y rocas
presentes en la zona as como las varia-ciones de las propiedades
fsicas relevantes desde un punto de vista trmico. Los suelos hmedos
son preferibles a los suelos secos debido a su mejor conductividad
trmica
aunqueunexcesivogradodehumedadnoesconveniente.Situndonosenlosextremoslos
terrenosturbososylossuelosarenosossecosdebenserevitados.Algunosautoressugieren
rodear los conductos con arcilla compactada para asegurar un
correcto contacto trmico entre los tubos y el terreno.
Lasrocastienenconductividadestrmicasmediasentre2y4Wm-1K-1,peroconvaloresex-tremosquepuedenbajarhasta0,5Wm-1K-1enarcillasconelevadaporosidad(ocupadapor
agua)osubirhasta7,4Wm-1K-1encuarzoarenitas(areniscasformadasexclusivamentepor
cuarzo) y rocas evaporticas (bsicamente halita y yeso). Los valores
ms bajos corresponden siempre a rocas con elevada porosidad.
Uninformegeolgicobsicoorientadoalaaplicacindeintercambiadorestierraairedebera
incluir: un mapa geolgico, acompaado de sus cortes, con especial
detalle de las formaciones superficiales y antrpicas as como
caractersticas y disposicin del substrato rocoso que per-mita
conocer con cierto detalle los primeros 10 m de profundidad, una
estimacin de la tempe-ratura media anual en el suelo inmediato, la
estimacin de los valores de conductividad y
difu-sividadtrmicadelterreno,uninventariodesondeosypozoscercanos,laestimacindela
posicin y caractersticas del nivel fretico y flujo de agua
subterrneo. 3.4 Profundidad Amayores profundidades
mayorrendimiento. Como valores tpicos pueden considerarse
pro-fundidadescomprendidasentrelos1,5ylos3m.Lostubospuedenubicarsebajoelpropio
edificio o en el terreno colindante al mismo. Para aplicaciones en
que el sistema deba funcionar durante un nmero importante de horas
la profundidad mnima recomendada es de 3 m. 124II CONGRESO DE
ENERGA GEOTRMICA EN LA EDIFICACIN Y LA INDUSTRIA 3.5 Controles
Esaconsejablepuentearelsistemacuandolatemperaturaexteriorseencuentraenelrango
delos15a22C.Esnecesariouncontroldelasaberturasdeledificio,puertasyventanas,
para una eficiencia trmica adecuada.
Elsistemadebesercapazderesistiralacorrosin,alarotura,alainundacinyfacilitarla
evacuacin de condensados. 4 MANTENIMIENTO Los intercambiadores
deben estar equipados con filtros que impidan la entrada de
partculas a la zona climatizada. El mantenimiento de los mismos
debe ser el adecuado. Los filtros debern cambiarse peridicamente.
El uso de filtros opacimtricos, 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
til de los ventiladores impulsores suele situarse entre los 15 y 20
aos.El riesgo de condensacin en el interior de los pozos
provenzales, canadienses o en
intercam-biadoresesunriesgoatenermuyencuenta.Laexistenciadehumedadesnotratadasenel
sistema puede ocasionar el crecimiento de mohos y la generacin de
malos olores. El sistema
debeseraccesibleparapermitirsulavado.Unafrecuenciaanualparecerazonable.Elclima
efectivodelemplazamiento,laprofundidaddelas
instalacionesylavelocidaddeflujotienen una incidencia clara en los
riesgos de condensacin. El uso de productos especializados, la
uti-lizacindeaguaconsolucionesdesinfectantessoloesposiblesilaspendientespermitenla
evacuacin para evitar el estancamiento. La limpieza deber
realizarse teniendo en cuenta las condiciones meteorolgicas
reinantes para favorecer un buen secado. Preferiblemente la
insta-lacindispondrderegistrosparafacilitarelaccesoalainstalacin.Elloesmsfcilenlas
instalaciones de gran dimetro pero tambin es posible en las
instalaciones de menor dime-tro. 5 RENDIMIENTO ECONMICO El
rendimiento econmico de los intercambiadores tierra aire es
positivo para las aplicaciones de refrigeracin ya que en climas
templados si el sistema est correctamente diseado permite
prescindir de un sistema de aire acondicionado convencional con un
gran ahorro aunque para ello es imprescindible que la construccin a
climatizar posea un aislamiento eficiente. El rendimiento de los
intercambiadores por si solos como sistema de calefaccin es
claramente insuficiente. El pequeo incremento de temperatura no
justifica el coste de la instalacin.No
obstantesisetieneencuentaelbeneficioeconmicoenclimacalurosopuedeconsiderarse
que existe un beneficio aadido en el precalentamiento del aire de
ventilacin en invierno. En otras palabras por el precio de un
sistema de refrigeracin en verano se obtiene tambin una pequea
ayuda en el sistema de calefaccin en invierno que por si sola no
justificara la inver-sin en el intercambiador.Tabla I. Rendimiento
en refrigeracin comparativa en una casa unifamiliar de 110 m.
Modificado de Labarrire (2007). COMPARATIVA: casa unifamiliar de
110 m Climatizacin reversiblePozo provenzal Coste de
instalacin10000 Euros 3000 Euros Coste de mantenimieno Entre 100 y
150 EurosEntre 50 y 100 Euros MantenimientoCambio de filtros Cambio
de filtros. Limpieza anual Consumo en verano4500 kWh 250 kWh COP De
1,5 3 De 25 30 125II CONGRESO DE ENERGA GEOTRMICA EN LA EDIFICACIN
Y LA INDUSTRIA 6 EJEMPLOS Y EXPERIENCIAS Con ms de 10 aos de
experiencia, el modelo que presenta Geoconsultores se utiliza
prefe-rentementepararefrigerarviviendasunifamiliaresyadosadas.Elintercambioseproduceal
circularelairetomadodelexteriorporunconjuntodeconductosdehierrogalvanizadode
150-200 mm de dimetro dispuestos horizontalmente a una profundidad
de entre 2 y 2,50 m,
cubiertosdehormign,conelobjetivodeasegurarlaestanqueidad
yunptimocontacto,la longitud del bloque de intercambio oscila entre
los 5 y los 10 m. El intercambio se realiza en rgimen laminar a una
velocidad de paso inferior a 0,6m/s, y el caudal a suministrar
condiciona el nmero de tramos y niveles. En ambos extremos del
bloque de intercambio se encuentran las cmaras de entrada y salida
de aire, el cual se distribuye por las dependencias de la vivienda
a una temperatura media de 24-25 C y a una velocidad infe-rior a
2,0 m/s, mediante conductos independientes, posteriormente sale al
exterior.Figura 2. Intercambiador geotrmico Tierra Aire. Ejemplo de
diseo. Fuente: Geoconsultores Tcnicos y Ambientales, S.L. El
extractor que promueve la circulacin se ubica en la entrada para
eliminar los posibles rui-dos derivados de su funcionamiento y va
provisto de un regulador de caudal, toda instalacin dispone de un
filtro para evitar la entrada de polvo u otras partculas no
deseadas.
Elintercambiadorseinstalaconunapendienteinferioral1,5%paraeliminarlaposiblecon-densacin
mediante un drenaje dispuesto en la cmara de entrada.
Lacantidaddeproyectosrealizados,muestraresultadosaltamentesatisfactorios.Unodelos
factoresquecondicionanelresultadoeslaestimacindelcaudalcorrespondienteacadaes-tancia,
el cual no es debido nicamente a la actividad que se realiza, la
respuesta trmica del edificio y la radiacin incidente en el
interior son factores de suma importancia. 126II CONGRESO DE ENERGA
GEOTRMICA EN LA EDIFICACIN Y LA INDUSTRIA
Estesistemasemuestraidealpararenovarelaireenlasgranjasdecraanimal,tantopara
refrigerar como para incrementar la temperatura de entrada en
invierno, as como tambin en los invernaderos. Figura 3. Detalle de
una de las cmaras durante la construccin. Fuente: Geoconsultores
Tcnicos y Am-bientales, S.L. 7 CONCLUSIONES Los intercambiadores de
calor tierra aire, pozos provenzales y canadienses se basan en la
utili-zacin de la energa trmica del subsuelo parapretratar el aire
de ventilacin de los edificios contribuyendo a reducir la
temperatura del aire que ingresa en los edificios durante el verano
y aumentndola durante el invierno. Las ventajas de estos sistemas
son numerosas: requieren una inversin mucho menor que una
climatizacin reversible convencional, especialmentesi el diseo del
edificio ya contempla
di-chaposibilidad,losrequerimientosenergticossoncompletamentemarginalesimplicandoun
entretenimiento y mantenimiento muy sobrios y son completamente
sostenibles y ecolgicos. En la actualidad estos sistemas son
optimizados mediante el uso de dispositivos que
aprove-chanlasinerciastrmicasdiariasyestacionalesexistentesenelsubsueloimplementando
acumuladores trmicos que retardan la oscilacin trmica en vez de
simplemente templarla.La conductividad trmica del suelo es el
factor limitante ms importante que se ha de tener en cuenta en el
diseo de un intercambiador. As pues es de vital importancia
clasificar el terreno segn su conductividad trmica para lo que
deben identificarse los tipos de suelo y rocas pre-sentes en la
zona as como las variaciones de las propiedades fsicas relevantes
desde un pun-to de vista trmico. El rendimiento econmicode los
intercambiadores tierra aire es positivo para las aplicaciones de
refrigeracin ya que en climas templados si el sistema est
correctamente diseado permite prescindir de un sistema de aire
acondicionado convencional con un gran ahorro aunque para ello es
imprescindible que la construccin a climatizar posea un aislamiento
eficiente. 127II CONGRESO DE ENERGA GEOTRMICA EN LA EDIFICACIN Y LA
INDUSTRIA Por ltimo la simplicidad del principio no debe hacer
olvidar el diseo y la puesta en obra que debe ser confiada a
profesionales que garantizarn una correcta implementacin y
rendimiento del sistema. 8 AGRADECIMIENTOS Los autores desean
agradecer a Lus Asim la colaboracin en la monitorizacin y obtencin
de datos realizada sobre un intercambiador diseado por
Geoconsultores Tcnicos y Ambientales, S.L. en la localidad de
Sidamon, provincia de Lleida. 9 REFERENCIAS - FLORES LARSEN S. Y
LESINO G. (2000).: "Modelizacin de intercambiadores tierra-aire
paraacondicionamientotrmicodeedificios.Actasdel8CongresoLatinoamericano
deTransferenciadeCaloryMateria(LATCYM2001).:Veracruz,Mxico,Febrerode
2001. - GAUTHIER C., et al. (1997).: "Numerical simulation of soil
heat exchanger-storage sys-tems for greenhouses. Solar Energy 60,
6, pp. 333-346. - HOLLMULLER,P.,etal
(2005).:"Rafrachissementpargeocooling:Basespourunma-nuel de
dimensionnement. Rapports de recherche du CUEPE n 5. - HOLLMULLER,
et al. (2006).: "A new ventilation and thermal storage technique
for pas-sive cooling of buildings: thermal phase-shifting. PLEA -
The 23rd Conference on Pas-sive and Low Energy Architecture,
Geneva, Switzerland, 6-8 September 2006. - LABARRIRE, S (2007).:
"Prvoir lt en hiver Puits provenal: pour concilier confort d't et
cologie. www.eliosystem.com/puits_eco.pdf. -
MIHALAKAKOU,G.,etal.(1994).:"Modellingthethermalperformanceofearth-to-air
heat exchangers. Solar Energy, 53, Nro.3, pp. 301-305. 128
