Comunicación presentada al III Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autores
- Manuel Sánchez Iturbe, Energy Manager, IDEYA
- Claudio Javier García Ballano, Profesor Titular, E.T.S. de Arquitectura, USJ
Resumen
Una de las premisas en el diseño de los edificios de energía casi nula “EECN”, es la de utilizar sistemas de ventilación y climatización que permitan reducir su consumo. La implementación de un intercambiador tierra-aire, “EAHX” (Earth-air heat exchanges), en este tipo de edificios es una estrategia adecuada para conseguirlo. Durante tres años consecutivos, se ha monitorizado el rendimiento del EAHX de un EECN en Zaragoza (edificio CIEM), estudiando su comportamiento como sistema de almacenamiento de energía térmica estacional. Se ha obtenido un COP superior a 80 en las estaciones intermedias reduciéndose significativamente el consumo energético del edificio. Este estudio ha permitido establecer un periodo de retorno de la inversión para esta instalación de 2,8 años.
Introduccción
Un intercambiador tierra-aire (Earth-air heat exchanges, EAHX), también llamado tubos canadienses, es una técnica que permite disminuir el consumo energético en los edificios y reducir el dimensionado de los equipos de climatización. Consiste en la instalación de una serie de tubos enterrados a cierta profundidad, a través de los cuales se hace circular el aire exterior empleado en la ventilación del edificio. Este sistema permite tanto calentar como enfriar el edificio gracias a la transferencia térmica que se produce con el terreno. En el edificio CIEM de Zaragoza, se apostó por está permitiendo reducir en gran medida el consumo de energía y por tanto el dimensionado y coste de los sistemas propios de generación mediante energías renovables. Desde su puesta en marcha se ha llevado a cabo una monitorización que ha permitido determinar el consumo real de energía del edificio CIEM y la contribución del sistema EAHX en el ahorro energético, permitiendo verificar su eficacia y eficiencia en climas de tipo mediterráneo como es el de Zaragoza.
Descripción del intercambiador tierra-aire en el edificio CIEM
El intercambiador tierra-aire analizado, está formado por un peine de 18 tubos de hormigón de 50 m de longitud, colocados en dos hileras a tresbolillo, a una profundidad entre 4 y 6 m y separados entre sí 0,6m. El diámetro y disposición de las tuberías se han dimensionado teniendo en cuenta aspectos económicos y funcionales, siendo en este caso de hormigón de 300 mm de diámetro interior y 400 mm de diámetro exterior, con un coeficiente de transmisión térmica de 0,93 W/m2K. El EAHX del edificio CIEM, trata el 100% del aire utilizado en el sistema de climatización, siendo el caudal variable entre el mínimo necesario para la ventilación, de 5.480 m3/h, hasta los 15.500m3/h necesarios para climatizarlo mediante free-cooling; por lo que las velocidades de paso por cada uno de los conductos de aire están comprendidas entre 1,19 m/s y 3,38 m/s. Tanto el caudal de aire como las temperaturas de entrada y salida de aire han sido monitorizadas durante un periodo de 3 años y registrados sus valores cada 15 minutos. El aire recorre una distancia de 60 metros, desde el punto de admisión hasta la entrada al sistema de climatización del edificio, siendo de ellos 50 metros los destinados al intercambiador tierra-aire. El terreno de relleno seleccionado ha sido, compactado por capas y humedecido para reducir al máximo la resistencia de contacto con los tubos mejorando así el intercambio de calor.
Tª del terreno y tª superficial media del intercambiador
Al contrario de lo que ocurre con las condiciones climáticas exteriores, la gran inercia térmica del suelo hace que las fluctuaciones de temperatura a cierta profundidad sean mínimas a lo largo del año, lo que permite ser utilizado como un buen sumidero y almacén de energía térmica. La temperatura del terreno varía con la profundidad [Givoni & Katz, 1985], desde una temperatura superficial, que evoluciona junto con la temperatura exterior en cada estación del año, hasta un valor prácticamente constante a partir de unos 8 metros. Este valor se corresponde con el promedio anual de temperaturas exteriores (en nuestro caso 17,09ºC). Las temperaturas, a distinta profundidad, adquieren una oscilación ondulatoria estacional [Ozgener & Ozgener, 2013], con un desfase mayor a medida que profundizamos. Así, en nuestro caso, a una profundidad de 0,5 metros tenemos un desfase de 18 días con respecto a la temperatura del suelo, a 2 metros el desfase ya es de 68 días, y a los 6 metros llega a ser de 160 días. Para el caso del terreno donde se ubica nuestro intercambiador, la evolución de la temperatura del terreno queda representada en las siguientes gráficas.
Alteración de la temperatura del terreno con el EAHX
Al introducir en el terreno un EAHX, alteramos las condiciones de equilibrio iniciales. La nueva situación supone modificaciones en la temperatura del terreno en el entorno del intercambiador, así como un desfase de onda de la temperatura estacional, influyendo seriamente en su rendimiento en su eficacia. Este efecto de saturación ocurre cuando el sistema solo se emplea para enfriar o calentar, o cuando el flujo de entrada de aire es a temperatura constante durante un tiempo prolongado. La temperatura del terreno en el entorno de los conductos se equilibra con la temperatura del aire de entrada reduciendo el proceso de intercambio de calor y por tanto disminuyendo la eficacia del EAHX. Con el funcionamiento habitual del intercambiador, introduciendo aire exterior durante todo el año, este problema no solo se elimina sino que mejora enormemente la eficacia del intercambiador sobre todo en los meses intermedios de cambio de estación. Así el terreno almacena calor durante los periodos cálidos y lo devuelve durante los fríos evitando la saturación de temperaturas.
Comportamiento estacional de las temperaturas en el EAHX
En la gráfica de la figura 4 se han representado las temperaturas de entrada “Te” (en rojo), y de salida de aire “Ta” (en azul) del intercambiador, desde octubre de 2011 a marzo de 2013. Se observa claramente la estacionalidad de sus valores, existiendo grandes variaciones térmicas exteriores entre el día y noche durante los periodos cálidos, y con variaciones menores en las estaciones frías.
A lo largo del año, la variación de la temperatura exterior es muy acusada (figura 5), con un máximo de 44,5ºC en el año 2012; mientras que el aire tras pasar por el intercambiador (figura 5), consigue reducir esta variación a tan solo 19ºC.
Se observa el enorme efecto de amortiguador térmico debido a la gran inercia térmica del terreno. Los valores medios de ambas temperaturas siguen curvas sinusoidales de distinta amplitud y con cierto desfase entre ellas [Fafferott, 2003]; como consecuencia, existirán momentos donde la diferencia entre ambas ondas cambie de signo. Así, en nuestro caso, existe un periodo, desde el 14 de marzo hasta el 14 de Septiembre, donde predomina el enfriamiento del aire (la curva Te está por encima de la Ta), seguido por un periodo de calentamiento (Te por debajo de Ta).
La distribución de temperaturas promedio de entrada y salida (Te, med; Ta, med) del aire siguen las siguientes funciones sinusoidales [Ozgener & Ozgener, 2013]:
Se aprecia un desfase de 31,2 días entre ellas; este desfase da idea de la gran inercia térmica que tiene el terreno, lo que permite mejorar la eficacia del intercambiador sobre todo en las estaciones de primavera y otoño. En la figura 6 vemos la relación entre la tª de entrada y la salida del intercambiador durante un periodo del año 2012. La gráfica está dividida en tres regiones partidas por una línea diagonal que representa los puntos en los que no existe intercambio de calor (Ta = Te). La región por encima de 22ºC indica cuando el edificio necesita refrigerarse, y la región por debajo de 15ºC cuándo es necesario calentarlo.
Del análisis de la nube de puntos podemos deducir los tres siguientes puntos:
La evolución de la temperatura media del terreno próximo al intercambiador coincidirá con los puntos que intersectan con la diagonal de la figura 6, cuando la temperatura de entrada y salida son idénticas; en estos puntos no existe intercambio térmico y por tanto el intercambiador no transfiere energía.
El centro de la nube de puntos de cada mes va migrando siguiendo una rotación en torno a una diagonal (figura 7); en los meses calurosos está por encima de este eje, mientras que los fríos están por debajo. Esto es debido al desfase de las ondas de temperaturas que hemos visto, y que dan lugar a un efecto de “acumulador térmico”. Así, para una misma temperatura de entrada del aire, se consigue un mayor salto térmico en primavera y otoño que en verano e invierno.
Este fenómeno de histéresis se repite en cada ciclo anual (figura 7). El centro de rotación coincide con la temperatura media del terreno, que a su vez es la misma que la temperatura media del aire exterior durante un periodo de un año (en este caso de 17,09ºC).
Potencia del EAHX y balance energético con el terreno
El calor total de transferencia entre el aire y el terreno, realizado en el intercambiador, es directamente proporcional al salto térmico generado y al flujo másico del aire de paso, siguiendo la siguiente expresión:
La potencia del intercambiador mantiene una honda sinusoidal, con un valor máximo de 83,9 kWc (el 28/11/11) y mínimo de 70,18 kWf (el 10/08/12) según se observa en la figura 8.
El desfase entre las tª de entrada y salida provoca también un desfase en la potencia media del EAHX. En la fig. 8 vemos como los valores máximos no coinciden con los periodos más cálidos, ni los mínimos con los más fríos. El EAHX tiene una mayor capacidad al comienzo de esos periodos y la va perdiendo a medida que avanzan, debido al efecto de carga y descarga del terreno, debido al funcionamiento del propio intercambiador. Durante el invierno, a la vez que se calienta el aire exterior, se enfría el terreno en el entorno del EAXH; este efecto será aprovechado en los primeros días cálidos de la primavera consiguiendo la máxima eficacia del sistema. El intercambiador aportará cada vez mayor potencia frigorífica (pues la temperatura media exterior va aumentando), hasta un valor medio máximo (en nuestro caso de 18,41 kW, el 20 de junio); a partir de este irá perdiendo eficacia. Mientras, el terreno se ha ido calentando y almacenando calor que empezará a descargar en los primeros días fríos del otoño, realizándose un ciclo similar. El desfase que encontramos es de 23 días entre la onda de potencia y la onda de temperatura exterior. De modo que si la temperatura media máxima se alcanza el 12 de julio (con 27,08ºC), la potencia media máxima la tendremos 23 días antes, es decir, sobre el 20 de Junio. Los valores de potencia negativa significan que el intercambiador toma calor del terreno, calentando el aire de entrada, mientras que los positivos el calor es cedido desde el aire hacia el terreno.
Energía geotérmica generada
La energía útil total generada por el intercambiador en el año 2012, se representa en la figura 9. Se han producido 73.738,00 kWh/año, de los cuales 30.751,50 kWh/año han sido transferidos del terreno al aire (calentamiento) y 42.986,50 kWh/año del aire al terreno (enfriamiento). Considerando la inversión realizada en su construcción (34.705,00€, incluyendo tubos, excavación y relleno) y la inversión en un equipo de máxima eficiencia como es una bomba de calor geotérmica equivalente en potencia (24.898,00€ incluyendo pozos captación y tubería), se amortiza en 2,8 años, (teniendo en cuenta una eficiencia frigorífica estacional EER de 4 para la bomba de calor, y un coste de la energía eléctrica de 0,19€/kWh). Los máximos picos se alcanzan durante los meses de Mayo y Noviembre, que son cuando mayor eficiencia alcanzamos. En estos casos el COP del intercambiador es superior a 80, verificando los resultados conseguidos en otras instalaciones similares [1] [2].
Conclusiones
En un intercambiador tierra-aire el calor absorbido o emitido por el aire es transmitido a través de las paredes de los conductos hacia el terreno. La eficacia del EAHX depende de su dimensionado, pero también de las variaciones climáticas exteriores y de la temperatura del terreno [Hollmuller & Lachal 2001]. Así, la mayor eficacia se consigue en climas moderados con importantes variaciones de temperatura estacionales. En estas condiciones, el terreno actúa como un amortiguador térmico o almacén de energía térmica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura estacional tanto mayor será el desfase de temperatura del terreno con respecto al ambiente y por tanto mayor rendimiento conseguiremos. La geotermia de baja temperatura no debemos considerarla como una fuente de calor inagotable, sino como un sistema de almacenamiento de energía capaz de compensar las fuertes variaciones térmicas externas. Estos sistemas no son válidos con flujos de aire de temperatura de entrada constante durante largos periodos de tiempo. El uso de un intercambiador tierra aire en un edificio EECN consigue reducir su consumo energético, siendo, en combinación con otras soluciones pasivas, uno de los pilares fundamentales que han permitido alcanzar los objetivos previstos en el diseño de un edificio de energía casi nula (EECN). Gracias a la monitorización (sensores de temperatura y caudal del intercambiador tierra-aire) es posible analizar su comportamiento termo dinámico, constatando que se aproxima con bastante precisión a los estudios teóricos y a la literatura sobre casos de estudio similares [Janssens & Steeman, 2006; Chiesa & Simonetti, 2013]. Esto ha permitido demostrar su elevada eficiencia energética y su alta rentabilidad con un retorno de inversión de 2.8 años.
Referencias
- Chiesa & Simonetti, 2013, A 3-field earth-heat-exchange system for a school building in Imola, Italy.
- Fafferott, 2003, Evaluation of earth-to-air heat exchangers with a standardized method to calculate energy efficiency.
- Givoni & Katz, 1985, Earth temperatures and underground buildings.
- Hollmuller & Lachal 2001, Air-soil heat exchangers for heating and cooling of buildings: Design guidelines, potentials and constrains, system integration and global energy balance;
- Janssens & Steeman 2006, Energy performance of earth-air heat exchanger in a Belgian office.
- Ozgener & Ozgener, 2013, A practical approach to predict soil temperature variations for geothermal (ground) heat exchangers applications.