Intercambiador de calor acoplado a tierra - Ground-coupled heat exchanger
Un intercambiador de calor acoplado a tierra es un intercambiador de calor subterráneo que puede capturar el calor y / o disiparlo hacia el suelo. Utilizan la temperatura subterránea casi constante de la Tierra para calentar o enfriar aire u otros fluidos para usos residenciales, agrícolas o industriales. Si el aire del edificio se sopla a través del intercambiador de calor para la ventilación de recuperación de calor , se denominan tubos de tierra (también denominados tubos de enfriamiento de tierra, tubos de calentamiento de tierra, intercambiadores de calor tierra-aire (EAHE o EAHX), intercambiador de calor aire-suelo, tierra canales, canales de tierra, sistemas de túneles tierra-aire, intercambiadores de calor de tubos de tierra, hipocaustos , intercambiadores de calor de subsuelo, laberintos térmicos, conductos de aire subterráneos, entre otros).
Los tubos de tierra son a menudo una alternativa viable y económica o un complemento de los sistemas de aire acondicionado o calefacción central convencionales , ya que no hay compresores, productos químicos ni quemadores y solo se necesitan ventiladores para mover el aire. Se utilizan para el enfriamiento y / o calentamiento parcial o total del aire de ventilación de las instalaciones. Su uso puede ayudar a que los edificios cumplan con los estándares de la casa pasiva o la certificación LEED .
Los intercambiadores de calor tierra-aire se han utilizado en instalaciones agrícolas (edificios para animales) e instalaciones hortícolas (invernaderos) en los Estados Unidos de América durante las últimas décadas y se han utilizado junto con chimeneas solares en áreas cálidas y áridas durante miles de años. probablemente comenzando en el Imperio Persa. La implementación de estos sistemas en la India, así como en los climas más fríos de Austria, Dinamarca y Alemania para precalentar el aire para los sistemas de ventilación del hogar, se ha vuelto bastante común desde mediados de la década de 1990 y se está adoptando lentamente en América del Norte.
El intercambiador de calor acoplado al suelo también puede usar agua o anticongelante como fluido de transferencia de calor, a menudo junto con una bomba de calor geotérmica . Ver, por ejemplo, intercambiadores de calor de fondo de pozo . El resto de este artículo trata principalmente de intercambiadores de calor tierra-aire o tubos de tierra.
Diseños pasivos
El intercambio de calor pasivo acoplado a tierra es una técnica tradicional común. Impulsa la circulación utilizando las diferencias de presión causadas por el viento, la lluvia y la convección impulsada por la flotabilidad (de áreas de ingeniería selectiva de calentamiento solar y enfriamiento evaporativo, radiativo o conductivo).
Diseño
Se puede analizar el rendimiento de los intercambiadores de calor tierra-aire con varias aplicaciones de software utilizando datos meteorológicos. Estas aplicaciones de software incluyen GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM y otras. Sin embargo, numerosos sistemas de intercambiadores de calor tierra-aire se han diseñado y construido incorrectamente y no han cumplido con las expectativas de diseño. Los intercambiadores de calor tierra-aire parecen más adecuados para el pretratamiento del aire que para el calentamiento o enfriamiento completo. El pretratamiento del aire para una bomba de calor de fuente de aire o una bomba de calor de fuente terrestre a menudo proporciona el mejor retorno económico de la inversión , con una recuperación simple que a menudo se logra dentro de un año después de la instalación.
La mayoría de los sistemas suelen estar construidos con un diámetro de 100 a 600 mm (3,9 a 23,6 pulg.), Paredes lisas (para que no atrapen fácilmente la humedad y el moho de condensación), plástico rígido o semirrígido, tubos de metal recubiertos de plástico o tubos de plástico recubiertos con capas internas antimicrobianas, enterradas de 1,5 a 3 m (4,9 a 9,8 pies) bajo tierra donde la temperatura ambiente de la tierra es típicamente de 10 a 23 ° C (50 a 73 ° F) durante todo el año en las latitudes templadas donde vive la mayoría de los seres humanos. La temperatura del suelo se vuelve más estable con la profundidad. Los tubos de menor diámetro requieren más energía para mover el aire y tienen menos superficie de contacto con la tierra. Los tubos más grandes permiten un flujo de aire más lento, lo que también produce una transferencia de energía más eficiente y permite que se transfieran volúmenes mucho más altos, lo que permite más intercambios de aire en un período de tiempo más corto, cuando, por ejemplo, desea despejar el edificio de olores o humo desagradables pero sufren de una transferencia de calor más deficiente desde la pared de la tubería al aire debido al aumento de las distancias.
Algunos consideran que es más eficaz extraer aire a través de un tubo largo que empujarlo con un ventilador. Una chimenea solar puede utilizar la convección natural (aire caliente que asciende) para crear un vacío que extraiga el aire filtrado del tubo de enfriamiento pasivo a través de los tubos de enfriamiento de mayor diámetro. La convección natural puede ser más lenta que usar un ventilador de energía solar. Deben evitarse ángulos agudos de 90 grados en la construcción del tubo: dos curvas de 45 grados producen un flujo de aire menos turbulento y más eficiente. Si bien los tubos de paredes lisas son más eficientes para mover el aire, son menos eficientes para transferir energía.
Hay tres configuraciones, un diseño de circuito cerrado, un sistema abierto de 'aire fresco' o una combinación:
- Sistema de circuito cerrado: el aire del interior de la casa o la estructura se sopla a través de un circuito en forma de U de 30 a 150 m (98 a 492 pies) de tubo (s) donde se modera a una temperatura cercana a la tierra antes de volver a distribuirse a través de conductos en toda la casa o estructura. El sistema de circuito cerrado puede ser más efectivo para enfriar el aire (durante temperaturas extremas del aire) que un sistema abierto, ya que enfría y vuelve a enfriar el mismo aire.
- Sistema abierto: el aire exterior se extrae de una entrada de aire filtrado (se recomienda un filtro de aire de valor de informe de eficiencia mínima MERV 8+) para enfriar o precalentar el aire. Los tubos suelen ser tubos rectos de 30 m (98 pies) de largo hasta el hogar. Un sistema abierto combinado con ventilación de recuperación de energía puede ser casi tan eficiente (80-95%) como un circuito cerrado, y asegura que el aire fresco que ingresa sea filtrado y templado.
- Sistema combinado: Puede construirse con compuertas que permitan el funcionamiento cerrado o abierto, según los requisitos de ventilación de aire fresco. Un diseño de este tipo, incluso en modo de circuito cerrado, podría extraer una cantidad de aire fresco cuando una chimenea solar , una secadora de ropa, una chimenea, una cocina o una salida de aire del baño generan una caída de presión de aire . Es mejor aspirar aire de tubo de enfriamiento pasivo filtrado que aire exterior no acondicionado.
Los intercambiadores de calor de tierra de un solo paso ofrecen el potencial de mejorar la calidad del aire interior en comparación con los sistemas convencionales al proporcionar un mayor suministro de aire exterior. En algunas configuraciones de sistemas de un solo paso, se proporciona un suministro continuo de aire exterior. Este tipo de sistema normalmente incluiría una o más unidades de recuperación de calor de ventilación.
Laberintos termales
Un laberinto térmico realiza la misma función que un tubo de tierra, pero generalmente se forman a partir de un espacio rectilíneo de mayor volumen, a veces incorporado en los sótanos de los edificios o bajo las plantas bajas, y que a su vez están divididos por numerosos muros internos para formar una vía de aire laberíntica. . Maximizar la longitud de la trayectoria del aire asegura un mejor efecto de transferencia de calor. La construcción de los muros laberínticos, pisos y muros divisorios es normalmente de hormigón colado y bloque de hormigón de alta masa térmica, con los muros y pisos exteriores en contacto directo con la tierra circundante.
Seguridad
Si la humedad y la colonización de moho asociada no se abordan en el diseño del sistema, los ocupantes pueden enfrentar riesgos para la salud. En algunos sitios, la humedad en los tubos de tierra puede controlarse simplemente mediante drenaje pasivo si el nivel freático es lo suficientemente profundo y el suelo tiene una permeabilidad relativamente alta. En situaciones en las que el drenaje pasivo no es factible o es necesario aumentarlo para reducir aún más la humedad, los sistemas activos (deshumidificadores) o pasivos (desecantes) pueden tratar la corriente de aire.
La investigación formal indica que los intercambiadores de calor tierra-aire reducen la contaminación del aire de ventilación de los edificios. Rabindra (2004) afirma: “Se ha descubierto que el túnel [intercambiador de calor tierra-aire] no favorece el crecimiento de bacterias y hongos; por el contrario, reduce la cantidad de bacterias y hongos, lo que hace que el aire sea más seguro para que los humanos lo inhalen. Por lo tanto, está claro que el uso de EAT [Earth Air Tunnel] no solo ayuda a ahorrar energía, sino que también ayuda a reducir la contaminación del aire al reducir las bacterias y los hongos ”. Asimismo, Flueckiger (1999) en un estudio de doce intercambiadores de calor tierra-aire que varían en diseño, material de tubería, tamaño y antigüedad, declaró: “Este estudio se realizó debido a preocupaciones sobre el crecimiento microbiano potencial en las tuberías enterradas de aire acoplado a tierra sistemas. Sin embargo, los resultados demuestran que no se produce un crecimiento dañino y que las concentraciones en el aire de esporas y bacterias viables, con pocas excepciones, incluso disminuyen después del paso a través del sistema de tuberías ”, y además afirmó:“ Con base en estas investigaciones, la operación de tierra- los intercambiadores de calor de tierra a aire acoplados son aceptables siempre que se realicen controles regulares y se disponga de instalaciones de limpieza adecuadas ”.
Ya sea que use tubos de tierra con o sin material antimicrobiano, es extremadamente importante que los tubos de enfriamiento subterráneos tengan un drenaje de condensación excelente y se instalen a un grado de 2-3 grados para asegurar la eliminación constante del agua condensada de los tubos. Cuando se implementa en una casa sin sótano en un lote plano, se puede instalar una torre de condensación externa a una profundidad menor que donde el tubo ingresa a la casa y en un punto cercano a la entrada de la pared. La instalación de la torre de condensación requiere el uso adicional de una bomba de condensación en la cual eliminar el agua de la torre. Para instalaciones en casas con sótano, las tuberías están graduadas para que el desagüe de condensación ubicado dentro de la casa esté en el punto más bajo. En cualquier instalación, el tubo debe inclinarse continuamente hacia la torre de condensación o el drenaje de condensación. La superficie interior del tubo, incluidas todas las juntas, debe ser lisa para ayudar en el flujo y la eliminación del condensado. No se deben utilizar tubos corrugados o nervados ni juntas interiores rugosas. Las juntas que conectan los tubos entre sí deben estar lo suficientemente apretadas para evitar la infiltración de agua o gas. En determinadas áreas geográficas, es importante que las juntas eviten la infiltración de gas radón. No se pueden utilizar materiales porosos como tubos de hormigón sin revestimiento. Idealmente, los Earth Tubes con capas internas antimicrobianas deben usarse en instalaciones para inhibir el crecimiento potencial de mohos y bacterias dentro de los tubos.
Eficacia
Las implementaciones de intercambiadores de calor tierra-aire para el enfriamiento y / o calentamiento parcial o total del aire de ventilación de las instalaciones han tenido un éxito desigual. Lamentablemente, la literatura está bien poblada de generalizaciones excesivas sobre la aplicabilidad de estos sistemas, tanto a favor como en contra. Un aspecto clave de los intercambiadores de calor tierra-aire es la naturaleza pasiva del funcionamiento y la consideración de la amplia variabilidad de las condiciones en los sistemas naturales.
Los intercambiadores de calor tierra-aire pueden ser muy rentables tanto en costos iniciales / de capital como en costos de operación y mantenimiento a largo plazo. Sin embargo, esto varía ampliamente según la latitud, la altitud, la temperatura ambiente de la Tierra, los extremos climáticos de temperatura y humedad relativa, la radiación solar, el nivel freático, el tipo de suelo ( conductividad térmica ), el contenido de humedad del suelo y la eficiencia del exterior del edificio. diseño de envolvente / aislamiento. Generalmente, el suelo seco y de baja densidad con poca o ninguna sombra en el suelo producirá el menor beneficio, mientras que el suelo húmedo denso con una sombra considerable debería funcionar bien. Un sistema de riego por goteo lento puede mejorar el rendimiento térmico. El suelo húmedo en contacto con el tubo de enfriamiento conduce el calor de manera más eficiente que el suelo seco.
Los tubos de enfriamiento de la tierra son mucho menos efectivos en climas cálidos y húmedos (como Florida) donde la temperatura ambiente de la tierra se acerca a la temperatura de confort humano. Cuanto más alta es la temperatura ambiente de la tierra, menos eficaz es para enfriar y deshumidificar. Sin embargo, la tierra se puede usar para enfriar y deshumidificar parcialmente la entrada de aire fresco de reemplazo para las áreas de la zona de amortiguación térmica solar pasiva como el lavadero o un solárium / invernadero, especialmente aquellos con jacuzzi, spa de natación o piscina cubierta. , donde se expulsa aire caliente y húmedo en el verano, y se desea un suministro de aire de reemplazo más fresco y seco.
No todas las regiones y emplazamientos son adecuados para intercambiadores de calor tierra-aire. Las condiciones que pueden obstaculizar o impedir la implementación adecuada incluyen lecho rocoso poco profundo, nivel freático alto y espacio insuficiente, entre otras. En algunas áreas, los intercambiadores de calor tierra-aire solo pueden proporcionar refrigeración o calefacción. En estas áreas, se debe considerar especialmente la provisión para la recarga térmica del suelo. En los sistemas de función dual (tanto de calefacción como de refrigeración), la temporada cálida proporciona recarga térmica del suelo para la temporada fría y la temporada fría proporciona recarga térmica del suelo para la temporada cálida, aunque se debe considerar sobrecargar el depósito térmico incluso con sistemas de función dual.
Renata Limited , una importante empresa farmacéutica de Bangladesh , probó un proyecto piloto para averiguar si podían utilizar la tecnología Earth Air Tunnel para complementar el sistema de aire acondicionado convencional. Se colocaron tuberías de concreto con una longitud total de 60 pies (~ 18¼ m), diámetro interior de 9 pulgadas (~ 23 cm), diámetro exterior de 11 pulgadas (~ 28 cm) a una profundidad de 9 pies (~ 2¾m) bajo tierra y un soplador de 1.5 Se empleó una potencia nominal de kW. Se encontró que la temperatura subterránea a esa profundidad era de alrededor de 28 ° C. La velocidad media del aire en el túnel fue de unos 5 m / s. El coeficiente de rendimiento (COP) del intercambiador de calor subterráneo así diseñado fue deficiente, oscilando entre 1,5 y 3. Los resultados convencieron a las autoridades de que en climas cálidos y húmedos no es prudente implementar el concepto de intercambiador de calor Tierra-Aire. El medio de enfriamiento (la tierra misma) que se encuentra a una temperatura cercana a la del medio ambiente resulta ser la causa principal del fracaso de tales principios en áreas cálidas y húmedas (partes del sudeste asiático , Florida en los EE. UU., Etc.). Sin embargo, investigadores de lugares como Gran Bretaña y Turquía han informado COP muy alentadores, muy por encima de 20. La temperatura subterránea parece ser de primordial importancia al planificar un intercambiador de calor Tierra-Aire.
Impacto medioambiental
En el contexto de las reservas actuales de combustibles fósiles , el aumento de los costos eléctricos, la contaminación del aire y el calentamiento global , los tubos de enfriamiento de tierra diseñados adecuadamente ofrecen una alternativa sostenible para reducir o eliminar la necesidad de sistemas de aire acondicionado convencionales basados en compresores, en climas no tropicales. También brindan el beneficio adicional de una entrada de aire fresco controlada, filtrada y templada, que es especialmente valiosa en envolventes de edificios eficientes, bien climatizadas y ajustadas.
Agua a la tierra
Una alternativa al intercambiador de calor tierra-aire es el intercambiador de calor "agua" a tierra. Esto suele ser similar a una tubería de bomba de calor geotérmica incrustada horizontalmente en el suelo (o podría ser una sonda vertical ) a una profundidad similar del intercambiador de calor tierra-aire. Utiliza aproximadamente el doble de la longitud de la tubería de 35 mm de diámetro, por ejemplo, alrededor de 80 m en comparación con un EAHX de 40 m. Se coloca un serpentín intercambiador de calor antes de la entrada de aire del ventilador de recuperación de calor. Normalmente, se utiliza un líquido de salmuera (agua muy salada) como fluido del intercambiador de calor.
Muchas instalaciones europeas están utilizando ahora esta configuración debido a la facilidad de instalación. No se requiere un punto de caída o drenaje y es seguro debido al riesgo reducido de moho.
Ver también
- Refrigeración pasiva
- Aire acondicionado solar
- Chimenea solar
- HVAC
- Energía renovable
- Energía geotermica
- Bomba de calor geotérmica
- Refugio de la tierra
- Almacenamiento de energía térmica estacional
- Almacenamiento de energía térmica de acuíferos
- Qanat
- Yakhchāl
- Stepwell
- Cisterna
- Atrapavientos
- Ab anbar
Referencias
- Agencia Internacional de Energía, Centro de Infiltración y Ventilación de Aire, Documento de información sobre ventilación núm. 11, 2006, "Uso de intercambiadores de calor de tierra a aire para refrigeración"