Un intercambiador de calor acoplado a tierra es un intercambiador de calor subterráneo que puede capturar calor y/o disipar calor al 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 con recuperación de calor , se denominan tubos de tierra (o pozo canadiense, pozo provenzal, chimenea solar , 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, canales de tierra, canales de tierra, sistemas de túneles tierra-aire, intercambiador de calor de tubos terrestres, hipocaustos , intercambiadores de calor del subsuelo, laberintos térmicos, tuberías de aire subterráneas, y otros).
Los tubos de tierra suelen ser una alternativa viable y económica o un complemento a los sistemas convencionales de calefacción central o aire acondicionado, ya que no hay compresores, productos químicos ni quemadores y solo se necesitan sopladores para mover el aire. Se utilizan para enfriar y/o calentar parcial o totalmente el aire de ventilación de las instalaciones. Su uso puede ayudar a que los edificios cumplan con los estándares Passive House o la certificación LEED .
Los intercambiadores de calor tierra-aire se han utilizado en instalaciones agrícolas (edificios para animales) y hortícolas (invernaderos) en los Estados Unidos de América durante las últimas décadas y se han utilizado junto con chimeneas solares en zonas 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 de los hogares, 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 a tierra también puede utilizar agua o anticongelante como fluido de transferencia de calor, a menudo junto con una bomba de calor geotérmica . Véase, 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.
El intercambio de calor pasivo acoplado a tierra es una técnica tradicional común. Impulsa la circulación utilizando 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).
Se puede analizar el rendimiento de los intercambiadores de calor tierra-aire con varias aplicaciones de software utilizando datos de meteorología. 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 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 , y la recuperación de la inversión a menudo se logra dentro de un año después de la instalación.
La mayoría de los sistemas generalmente se construyen con un diámetro de 100 a 600 mm (3,9 a 23,6 pulgadas), paredes lisas (para que no atrapen fácilmente la humedad de la condensación y el moho), plástico rígido o semirrígido, tuberías metálicas recubiertas de plástico o tuberías de plástico recubiertas. con capas antimicrobianas internas, enterradas de 1,5 a 3 m (4,9 a 9,8 pies) bajo tierra, donde la temperatura ambiente de la tierra suele ser de 10 a 23 °C (50 a 73 °F) durante todo el año en las latitudes templadas donde vive la mayoría de los 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 transferir volúmenes mucho mayores, lo que permite más intercambios de aire en un período de tiempo más corto, cuando, por ejemplo, desea limpiar el edificio de olores o humo desagradables, pero sufren una peor transferencia de calor desde la pared de la tubería al aire debido al aumento de las distancias.
Algunos consideran que es más eficaz aspirar aire a través de un tubo largo que empujarlo con un ventilador. Una chimenea solar puede utilizar la convección natural (aire caliente ascendente) para crear un vacío para aspirar 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 que funciona con energía solar. Se deben evitar 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:
Los intercambiadores de calor de aire de tierra de un solo paso ofrecen el potencial de mejorar la calidad del aire interior con respecto a los sistemas convencionales al proporcionar un mayor suministro de aire exterior. En algunas configuraciones de sistemas de paso único, se proporciona un suministro continuo de aire exterior. Este tipo de sistema normalmente incluiría una o más unidades de recuperación de calor de ventilación.
Un conjunto de tierra compartido comprende intercambiadores de calor de tierra conectados para uso de más de una casa. [1] Pueden ofrecer calefacción con bajas emisiones de carbono donde los intercambiadores de calor individuales conectados a tierra no son viables, como en viviendas adosadas con poco espacio exterior. También pueden brindar oportunidades para descarbonizar la calefacción para grupos de hogares alejados de centros urbanos densos donde la calefacción urbana tradicional es poco probable que sea económicamente viable. [1] Otros beneficios incluyen una mayor eficiencia y un menor costo de capital, un mayor control de los residentes para elegir su propio proveedor de electricidad y una reducción en la cantidad de intercambiadores necesarios debido a la variación en los tiempos pico de carga entre diferentes hogares. [1]
Un laberinto térmico cumple la misma función que un tubo de tierra, pero normalmente están formados a partir de un espacio rectilíneo de mayor volumen, a veces incorporado en sótanos de edificios o bajo plantas, y que a su vez están divididos por numerosos muros internos para formar un camino de aire laberíntico. . Maximizar la longitud del recorrido del aire garantiza un mejor efecto de transferencia de calor. La construcción de las paredes, pisos y paredes divisorias del laberinto es normalmente de concreto fundido y bloques de concreto de alta masa térmica, con las paredes y pisos exteriores en contacto directo con la tierra circundante. [2]
Si en el diseño del sistema no se aborda la humedad y la colonización de moho asociada, 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 suficientemente profundo y el suelo tiene una permeabilidad relativamente alta. En situaciones donde 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; más bien se ha descubierto que 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 del EAT [Túnel Aire-Tierra] no sólo ayuda a ahorrar energía sino que también ayuda a reducir la contaminación del aire al reducir las bacterias y los hongos”. [3] Asimismo, Flueckiger (1999) en un estudio de doce intercambiadores de calor tierra-aire que varían en diseño, material de tubería, tamaño y edad, afirmó: “Este estudio se realizó debido a preocupaciones sobre el posible crecimiento microbiano en las tuberías enterradas de tierra. -sistemas de aire acoplados. Sin embargo, los resultados demuestran que no se produce ningún 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 afirmó además: “Con base en estas investigaciones, el funcionamiento de los sistemas terrestres Los intercambiadores de calor tierra-aire acoplados son aceptables siempre que se realicen controles periódicos y se disponga de instalaciones de limpieza adecuadas”. [4]
Ya sea que se utilicen tubos de tierra con o sin material antimicrobiano, es extremadamente importante que los tubos de enfriamiento subterráneos tengan un excelente drenaje de condensación y se instalen a una pendiente de 2 a 3 grados para garantizar 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 añadido de una bomba de condensación en la que extraer el agua de la torre. Para instalaciones en casas con sótano, las tuberías están graduadas de manera 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 facilitar el flujo y la eliminación del condensado. No se deben utilizar tubos corrugados o acanalados ni juntas interiores rugosas. Las uniones que conectan los tubos deben ser lo suficientemente apretadas para evitar la infiltración de agua o gas. En determinadas zonas geográficas, es importante que las juntas impidan la infiltración de gas radón. No se pueden utilizar materiales porosos como tubos de hormigón sin revestimiento. Lo ideal sería utilizar tubos de tierra con capas internas antimicrobianas en las instalaciones para inhibir el crecimiento potencial de moho y bacterias dentro de los tubos.
Las implementaciones de intercambiadores de calor tierra-aire para enfriamiento y/o calentamiento parcial o total del aire de ventilación de las instalaciones han tenido un éxito desigual. Desafortunadamente, la literatura está repleta 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 de su 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 dependiendo de 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, un suelo seco y de baja densidad con poca o ninguna sombra producirá el menor beneficio, mientras que un suelo denso y húmedo con considerable sombra 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 mayor es la temperatura ambiente de la tierra, menos eficaz es para enfriar y deshumidificar. Sin embargo, la tierra se puede utilizar para enfriar y deshumidificar parcialmente la entrada de aire fresco de reemplazo para áreas de zona de amortiguación térmica solar pasiva [5] como el cuarto de lavado o un solárium/invernadero, especialmente aquellos con bañera de hidromasaje, spa de natación o piscina cubierta, donde el aire cálido y húmedo sale en verano y se desea un suministro de aire de reemplazo más fresco y seco.
No todas las regiones y sitios son adecuados para intercambiadores de calor tierra-aire. Las condiciones que pueden obstaculizar o impedir una implementación adecuada incluyen lecho de roca poco profundo, nivel freático alto y espacio insuficiente, entre otras. En algunas zonas, los intercambiadores de calor tierra-aire sólo pueden proporcionar refrigeración o calefacción. En estas zonas se debe considerar especialmente la provisión de recarga térmica del terreno. En los sistemas de doble función (tanto de calefacción como de refrigeración), la estación cálida proporciona recarga térmica del suelo para la estación fría y la estación fría proporciona recarga térmica del suelo para la estación cálida, aunque se debe considerar sobrecargar el depósito térmico incluso con sistemas de doble función.
En el contexto actual de la disminución de las reservas 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 pueden ayudar a equilibrar la red eléctrica para respaldar el suministro fluctuante de otras fuentes de energía renovables. [1] También brindan el beneficio adicional de una entrada de aire fresco controlado, filtrado y templado, lo cual es especialmente valioso en envolventes de edificios eficientes, bien climatizados y herméticos.
Una alternativa al intercambiador de calor tierra-aire es el intercambiador de calor "agua" a tierra. Esto suele ser similar a un tubo de bomba de calor geotérmica incrustado 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 longitud de 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 una salmuera líquida (agua muy salada) como fluido intercambiador de calor.
Muchas instalaciones europeas utilizan ahora esta configuración debido a su facilidad de instalación. No se requiere punto de caída o drenaje y es seguro debido al riesgo reducido de moho.
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