Almacenamiento de energía térmica estacional

Almacenamiento de calor o frío por períodos de hasta varios meses.

El almacenamiento de energía térmica estacional ( STES ), también conocido como almacenamiento de energía térmica interestacional , ^[1] es el almacenamiento de calor o frío por períodos de hasta varios meses. La energía térmica se puede recolectar siempre que esté disponible y usarse cuando sea necesario, por ejemplo en la estación opuesta. Por ejemplo, el calor de los colectores solares o el calor residual de los equipos de aire acondicionado se pueden recolectar en los meses calurosos para calentar espacios cuando sea necesario, incluso durante los meses de invierno. De manera similar, el calor residual de los procesos industriales se puede almacenar y utilizar mucho más tarde ^[2] o el frío natural del aire del invierno se puede almacenar para el aire acondicionado del verano. ^{[3] [4]}

Las tiendas STES pueden dar servicio a sistemas de calefacción urbana, así como a edificios individuales o complejos. Entre los almacenamientos estacionales utilizados para calefacción, las temperaturas máximas anuales de diseño generalmente están en el rango de 27 a 80 °C (81 a 180 °F), y la diferencia de temperatura que ocurre en el almacenamiento en el transcurso de un año puede ser de varias decenas de grados. Algunos sistemas utilizan una bomba de calor para ayudar a cargar y descargar el almacenamiento durante parte o la totalidad del ciclo. Para aplicaciones de refrigeración, a menudo sólo se utilizan bombas de circulación.

Ejemplos de calefacción urbana incluyen Drake Landing Solar Community , donde el almacenamiento en tierra proporciona el 97% del consumo anual sin bombas de calor , ^[5] y el almacenamiento en estanques daneses con refuerzo. ^[6]

Tecnologías STES

Existen varios tipos de tecnología STES, que cubren una variedad de aplicaciones, desde pequeños edificios individuales hasta redes comunitarias de calefacción urbana. Generalmente, la eficiencia aumenta y el costo específico de construcción disminuye con el tamaño.

Almacenamiento subterráneo de energía térmica.

UTES (almacenamiento subterráneo de energía térmica), en el que el medio de almacenamiento pueden ser estratos geológicos que van desde tierra o arena hasta lechos rocosos sólidos o acuíferos.
Las tecnologías UTES incluyen:

• ATES ( almacenamiento de energía térmica en acuífero ). Un almacén ATES se compone de un doblete, que suma dos o más pozos en un acuífero profundo que está contenido entre capas geológicas impermeables arriba y abajo. La mitad del doblete es para extracción de agua y la otra mitad para reinyección, por lo que el acuífero se mantiene en equilibrio hidrológico, sin extracción neta. El medio de almacenamiento de calor (o frío) es el agua y el sustrato que ocupa. El edificio del Reichstag alemán se calienta y enfría desde 1999 con acumuladores ATES, en dos acuíferos a diferentes profundidades. ^[7]
  En los Países Bajos existen más de 1.000 sistemas ATES, que actualmente son una opción de construcción estándar. ^{[8] [9]}
  Desde hace varios años funciona un importante sistema en el Richard Stockton College (Nueva Jersey). ^[3] ATES tiene un costo de instalación más bajo que el almacenamiento de energía térmica de pozo (BTES) porque generalmente se perforan menos agujeros, pero ATES tiene un costo operativo más alto. Además, ATES requiere condiciones subterráneas particulares para ser viable, incluida la presencia de un acuífero.
• BTES (almacenamiento de energía térmica de pozo). Los almacenes BTES se pueden construir dondequiera que se puedan perforar pozos y se componen de uno a cientos de pozos verticales, generalmente de 155 mm (6,1 pulgadas) de diámetro. Se han construido sistemas de todos los tamaños, incluidos muchos bastante grandes. ^{[10] [11] [12]}
  Los estratos pueden ser desde arena hasta roca dura cristalina y, dependiendo de factores de ingeniería, la profundidad puede ser de 50 a 300 metros (164 a 984 pies). Los espacios han oscilado entre 3 y 8 metros (9,8 a 26,2 pies). Los modelos térmicos se pueden utilizar para predecir la variación estacional de la temperatura del suelo, incluido el establecimiento de un régimen de temperatura estable que se logra haciendo coincidir las entradas y salidas de calor durante uno o más ciclos anuales. Se pueden crear reservas de calor estacional de temperatura cálida utilizando campos de perforación para almacenar el calor excedente capturado en verano para elevar activamente la temperatura de grandes bancos térmicos de suelo de modo que el calor pueda extraerse más fácilmente (y más barato) en invierno. La transferencia de calor entre estaciones ^[13] utiliza agua que circula en tuberías incrustadas en colectores solares de asfalto para transferir calor a bancos térmicos ^[14] creados en campos de perforación. En invierno se utiliza una bomba de calor geotérmica para extraer el calor del banco térmico y proporcionar calefacción a través de suelo radiante . Se obtiene un alto coeficiente de rendimiento porque la bomba de calor arranca con una temperatura cálida de 25 °C (77 °F) desde el acumulador térmico, en lugar de una temperatura fría de 10 °C (50 °F) desde el suelo. ^[15] Un BTES que opera en Richard Stockton College desde 1995 a una temperatura máxima de aproximadamente 29 °C (84,2 °F) consta de 400 pozos de 130 metros (427 pies) de profundidad bajo un estacionamiento de 3,5 acres (1,4 ha). Tiene una pérdida de calor del 2% en seis meses. ^[16] El límite de temperatura superior para una tienda BTES es 85 °C (185 °F) debido a las características de la tubería PEX utilizada para los BHE , pero la mayoría no se acerca a ese límite. Los pozos pueden llenarse con lechada o con agua dependiendo de las condiciones geológicas y, por lo general, tienen una esperanza de vida superior a los 100 años. Tanto un BTES como su sistema de calefacción urbana asociado se pueden ampliar gradualmente una vez que comience a funcionar, como en Neckarsulm, Alemania. ^[17]
  Los almacenes BTES generalmente no perjudican el uso del terreno y pueden existir debajo de edificios, campos agrícolas y estacionamientos. Un ejemplo de uno de los diversos tipos de STES ilustra bien la capacidad de almacenamiento de calor entre estaciones. En Alberta, Canadá, las casas de la Comunidad Solar Drake Landing(en funcionamiento desde 2007), obtienen el 97% de su calor durante todo el año de un sistema de calefacción urbana que se alimenta del calor solar procedente de paneles solares térmicos situados en los tejados de los garajes. Esta hazaña, un récord mundial, es posible gracias al almacenamiento de calor entre estaciones en una gran masa de roca nativa que se encuentra debajo de un parque central. El intercambio térmico se produce a través de un conjunto de 144 pozos, perforados 37 metros (121 pies) en la tierra. Cada pozo tiene 155 mm (6,1 pulgadas) de diámetro y contiene un intercambiador de calor simple hecho de tubería de plástico de pequeño diámetro, a través del cual circula el agua. No se trata de bombas de calor. ^{[5] [18]}
• CTES (almacenamiento de energía térmica en caverna o mina). Los almacenes STES son posibles en minas inundadas, cámaras especialmente construidas o depósitos de petróleo subterráneos abandonados (por ejemplo, los extraídos de roca dura cristalina en Noruega), si están lo suficientemente cerca de una fuente de calor (o frío) y de un mercado. ^[19]
• Pilotajes de energía . Durante la construcción de grandes edificios, los intercambiadores de calor BHE, muy parecidos a los utilizados para los almacenes BTES, se enrollan en espiral dentro de las jaulas de barras de refuerzo para pilotes, y luego se vierte hormigón en su lugar. Los pilotes y los estratos circundantes se convierten entonces en el medio de almacenamiento.
• GIITS (almacenamiento térmico aislado geo interestacional). Durante la construcción de cualquier edificio con piso de losa primaria, un área de aproximadamente la huella del edificio que se va a calentar y > 1 m de profundidad se aísla en los 6 lados, generalmente con aislamiento de celda cerrada de HDPE . Las tuberías se utilizan para transferir energía solar al área aislada, así como para extraer calor según sea necesario. Si hay un flujo interno significativo de agua subterránea, se necesitan acciones correctivas para evitarlo.

Tecnologías de superficie y de superficie.

• Almacenamiento en foso . En muchos sistemas de calefacción urbana daneses se utilizan pozos excavados poco profundos y revestidos que se llenan con grava y agua como medio de almacenamiento para STES. Los pozos de almacenamiento se cubren con una capa de aislamiento y luego con tierra, y se utilizan para la agricultura ^{[ cita necesaria ]} u otros fines. Un sistema en Marstal, Dinamarca, incluye un pozo de almacenamiento alimentado con calor procedente de un campo de paneles solares térmicos. Inicialmente proporciona el 20% del calor del pueblo durante todo el año y se está ampliando para proporcionar el doble. ^[20] El almacén de pozo más grande del mundo (200.000 m ³ (7.000.000 pies cúbicos)) se puso en servicio en Vojens, Dinamarca, en 2015, y permite que el calor solar proporcione el 50% de la energía anual para el sistema de calefacción urbana con energía solar más grande del mundo. . ^{[6] [21] [22] [23] [24]} En estos sistemas daneses, se podría lograr un gasto de capital por unidad de capacidad de entre 0,4 y 0,6 €/kWh. ^[25]
• Almacenamiento térmico a gran escala con agua . Los tanques de almacenamiento de agua STES a gran escala se pueden construir sobre el suelo, aislarlos y luego cubrirlos con tierra. ^[26]
• Intercambiadores de calor horizontales . Para instalaciones pequeñas, se puede enterrar un intercambiador de calor de tubería de plástico corrugado a poca profundidad en una zanja para crear un STES. ^[27]
• Edificios con bermas de tierra . Almacena calor pasivamente en el suelo circundante.
• Tecnología de hidratos de sal . Esta tecnología logra densidades de almacenamiento significativamente más altas que el almacenamiento de calor a base de agua. Ver Almacenamiento de energía térmica: Tecnología de hidratos de sal.

Conferencias y organizaciones

El Programa de Conservación de Energía a través del Almacenamiento de Energía (ECES) de la Agencia Internacional de Energía ^{[28] [29]} ha celebrado conferencias mundiales de energía trienales desde 1981. Las conferencias originalmente se centraron exclusivamente en STES, pero ahora que esas tecnologías están maduras, se abordan otros temas como los materiales de cambio de fase. (PCM) y el almacenamiento de energía eléctrica. Desde 1985, cada conferencia tiene "stock" (para almacenamiento) al final de su nombre; por ejemplo, EcoStock, ThermaStock. ^[30] Se llevan a cabo en varios lugares del mundo. Los más recientes fueron InnoStock 2012 (la 12ª Conferencia Internacional sobre Almacenamiento de Energía Térmica) en Lleida, España ^[31] y GreenStock 2015 en Beijing. ^[32] EnerStock 2018 se llevará a cabo en Adana, Turquía, en abril de 2018. ^[33]

El programa IEA-ECES continúa el trabajo del anterior Consejo Internacional para el Almacenamiento de Energía Térmica , que de 1978 a 1990 tenía un boletín trimestral y fue inicialmente patrocinado por el Departamento de Energía de Estados Unidos. Inicialmente, el boletín se llamó ATES Newsletter y, después de que BTES se convirtió en una tecnología factible, se cambió a STES Newsletter. ^{[34] [35]}

Uso de STES en edificios pequeños con calefacción pasiva

Los edificios pequeños con calefacción pasiva suelen utilizar el suelo contiguo al edificio como almacén de calor estacional de baja temperatura que en el ciclo anual alcanza una temperatura máxima similar a la temperatura media anual del aire, y la temperatura se reduce para calentar en los meses más fríos. Estos sistemas son una característica del diseño de edificios, ya que son necesarias algunas diferencias simples pero significativas con respecto a los edificios "tradicionales". A una profundidad de aproximadamente 20 pies (6 m) en el suelo, la temperatura es naturalmente estable dentro de un rango durante todo el año, ^[36] si la reducción no excede la capacidad natural de restauración solar del calor. Dichos sistemas de almacenamiento funcionan dentro de un rango estrecho de temperaturas de almacenamiento a lo largo de un año, a diferencia de los otros sistemas STES descritos anteriormente para los cuales se pretenden grandes diferencias de temperatura anuales.

Durante las décadas de 1970 y 1980 se desarrollaron en Estados Unidos dos tecnologías básicas de construcción solar pasiva . Utilizan la conducción directa de calor hacia y desde un suelo térmicamente aislado y protegido de la humedad como método de almacenamiento estacional para la calefacción de espacios, con la conducción directa como mecanismo de retorno de calor. En un método, el "almacenamiento pasivo de calor anual" (PAHS), ^[37] las ventanas del edificio y otras superficies exteriores capturan el calor solar que se transfiere por conducción a través de los pisos, las paredes y, a veces, el techo, al suelo contiguo amortiguado térmicamente. Cuando los espacios interiores son más fríos que el medio de almacenamiento, el calor se conduce de regreso al espacio habitable. ^{[38] [39]}

El otro método, la “solar geotérmica anualizada” (AGS), utiliza un colector solar independiente para capturar el calor. El calor recogido se entrega a un dispositivo de almacenamiento (suelo, lecho de grava o tanque de agua) ya sea pasivamente mediante la convección del medio de transferencia de calor (por ejemplo, aire o agua) o activamente bombeándolo. Este método se suele implementar con una capacidad prevista para seis meses de calefacción.

Algunos ejemplos del uso del almacenamiento solar térmico en todo el mundo incluyen: Suffolk One , una universidad en East Anglia, Inglaterra, que utiliza un colector térmico de tubería enterrada en el área de giro de los autobuses para recolectar energía solar que luego se almacena en 18 pozos de 100 metros (330 pies) de profundidad cada uno para su uso en calefacción en invierno. Drake Landing Solar Community en Canadá utiliza colectores solares térmicos en los techos de los garajes de 52 casas, que luego se almacenan en una serie de pozos de 35 metros (115 pies) de profundidad. El suelo puede alcanzar temperaturas superiores a los 70 °C, que luego se utilizan para calentar las casas de forma pasiva. El plan ha estado funcionando con éxito desde 2007. En Brædstrup, Dinamarca, se utilizan unos 8.000 metros cuadrados (86.000 pies cuadrados) de colectores solares térmicos para recolectar unos 4.000.000 kWh/año almacenados de manera similar en una serie de pozos de 50 metros (160 pies) de profundidad. .

Ingeniería líquida

El arquitecto Matyas Gutai ^[40] obtuvo una subvención de la UE para construir una casa en Hungría ^[41] que utiliza amplios paneles de pared llenos de agua como colectores de calor y depósitos con tanques de agua subterráneos para almacenamiento de calor. El diseño utiliza control por microprocesador.

Edificios pequeños con tanques de agua STES internos.

Varias casas y pequeños edificios de apartamentos han demostrado combinar un gran tanque de agua interno para el almacenamiento de calor con colectores solares térmicos montados en el tejado. Las temperaturas de almacenamiento de 90 °C (194 °F) son suficientes para suministrar agua caliente sanitaria y calefacción. La primera casa de este tipo fue la MIT Solar House #1, en 1939. En 1989 se construyó un edificio de apartamentos de ocho unidades en Oberburg , Suiza , con tres tanques que almacenan un total de 118 m ³ (4,167 pies cúbicos) que almacenan más calor que el el edificio requiere. Desde 2011, este diseño se está replicando en nuevos edificios. ^[42]

En Berlín , la “Casa de Energía de Calefacción Cero” se construyó en 1997 como parte del proyecto de demostración de viviendas de bajo consumo energético Tarea 13 de la AIE . Almacena agua a temperaturas de hasta 90 °C (194 °F) dentro de un tanque de 20 m ³ (706 pies cúbicos) en el sótano . ^[43]

Un ejemplar similar se construyó en Irlanda en 2009, como prototipo. El almacén solar estacional ^[44] consta de un tanque de 23 m ³ (812 pies cúbicos), lleno de agua, ^[45] que se instaló en el suelo, fuertemente aislado alrededor, para almacenar el calor de los tubos solares evacuados durante el año. El sistema se instaló como experimento para calentar la primera casa pasiva prefabricada estandarizada del mundo ^[46] en Galway, Irlanda . El objetivo era descubrir si este calor sería suficiente para eliminar la necesidad de electricidad en el ya altamente eficiente hogar durante los meses de invierno.

Gracias a las mejoras en el acristalamiento, ahora es posible construir edificios con calefacción cero sin almacenamiento de energía estacional.

Uso de STES en invernaderos.

STES también se utiliza ampliamente para calentar invernaderos. ^{[47] [48] [49]} ATES es el tipo de almacenamiento que se utiliza habitualmente para esta aplicación. En verano, el invernadero se enfría con agua subterránea, bombeada desde el “pozo frío” del acuífero. El agua se calienta en el proceso y regresa al “pozo caliente” del acuífero. Cuando el invernadero necesita calor, como para extender la temporada de crecimiento, se extrae agua del pozo cálido, se enfría mientras cumple su función de calefacción y se devuelve al pozo frío. Se trata de un sistema de free-cooling muy eficiente , que utiliza únicamente bombas de circulación y no bombas de calor.

Geosolar anualizado

La geosolar anualizada (AGS) permite el calentamiento solar pasivo incluso en áreas templadas del norte, frías y con niebla. Utiliza el suelo debajo o alrededor de un edificio como masa térmica para calentar y enfriar el edificio. Después de un retraso térmico conductivo diseñado de 6 meses, el calor se devuelve o se elimina de los espacios habitados del edificio. En climas cálidos, exponer el colector al gélido cielo nocturno en invierno puede enfriar el edificio en verano.

El retraso térmico de seis meses se debe a unos tres metros (diez pies) de tierra. Un faldón de aislamiento enterrado de seis metros de ancho (20 pies) alrededor del edificio mantiene la lluvia y la nieve derretidas fuera de la tierra, que generalmente se encuentra debajo del edificio. La suciedad calienta y enfría radiantemente a través del suelo o las paredes. Un sifón térmico mueve el calor entre la tierra y el colector solar. El colector solar puede ser un compartimento de chapa en el tejado o una caja ancha y plana en la ladera de un edificio o una colina. Los sifones pueden estar fabricados con tubos de plástico y transportar aire. El uso de aire evita fugas de agua y corrosión causada por el agua. Las tuberías de plástico no se corroen en tierra húmeda, como pueden hacerlo los conductos metálicos.

Los sistemas de calefacción AGS suelen consistir en:

• Un espacio habitable muy bien aislado, energéticamente eficiente y ecológico;
• Calor capturado en los meses de verano de un sub-techo o espacio del ático calentado por el sol, un espacio solar o invernadero , un colector termosifón de placa plana con base en el suelo u otro dispositivo de recolección de calor solar;
• Calor transportado desde la fuente de recolección a (típicamente) la masa de tierra debajo del espacio habitable (para almacenamiento), esta masa rodeada por una "capa" o "paraguas" perimetral bajo la superficie que proporciona aislamiento contra la fácil pérdida de calor hacia el aire exterior y una barrera contra la migración de humedad a través de esa masa de almacenamiento de calor;
• Un piso de alta densidad cuyas propiedades térmicas están diseñadas para irradiar calor de regreso al espacio habitable, pero solo después del intervalo de tiempo adecuado regulado por el aislamiento del subsuelo;
• Un esquema o sistema de control que activa ventiladores y compuertas (a menudo alimentados por energía fotovoltaica) cuando se detecta que el aire de la estación cálida está más caliente en las áreas de recolección que en la masa de almacenamiento, o permite que el calor se mueva hacia la zona de almacenamiento por convección pasiva (a menudo utilizando una chimenea solar y compuertas activadas térmicamente ).

Por lo general, se necesitan varios años para que la masa terrestre de almacenamiento se precaliente completamente desde la temperatura local en profundidad del suelo (que varía ampliamente según la región y la orientación del sitio) hasta un nivel de caída óptimo en el que puede proporcionar hasta el 100% de la calefacción. necesidades del espacio habitable durante el invierno. Esta tecnología continúa evolucionando y se están explorando una variedad de variaciones (incluidos dispositivos de retorno activo). El servidor de listas donde se habla más a menudo de esta innovación es "Arquitectura Orgánica" en Yahoo.

Este sistema se utiliza casi exclusivamente en el norte de Europa. Se ha construido un sistema en Drake Landing en América del Norte. Un sistema más reciente es una casa de energía neutral hecha por usted mismo en construcción en Collinsville, Illinois, que dependerá únicamente de energía solar anualizada para su acondicionamiento.

Ver también

• Calefacción solar central
• Calefacción urbana
• geosolar
• Casa de hielo (edificio)
• estanque de hielo
• Lista de proyectos de almacenamiento de energía
• estanque solar
• Colector solar térmico
• Almacenamiento de energía térmica
• Edificio de energía cero
• Edificio con calefacción cero

Referencias

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enlaces externos

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• Diciembre de 2005, Instalación de un acumulador térmico estacional en una ENERGETIKhaus100
• Octubre de 1998, informe de Fujita Research.
• Notas terrestres: almacén térmico de camión cisterna de leche con bomba de calor
• Helióstatos utilizados para concentrar energía solar (fotos)
• Edificio Wofati Eco con inercia térmica anualizada