Un intercambiador de calor acoplado al suelo es un intercambiador de calor subterráneo que puede capturar calor del suelo y/o disiparlo hacia él. Utilizan la temperatura subterránea casi constante de la Tierra para calentar o enfriar el 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 (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 tubo de tierra, 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 de calefacción o aire acondicionado centrales convencionales , ya que no hay compresores, productos químicos ni quemadores y solo se necesitan ventiladores para mover el aire. Se utilizan para enfriar o calentar parcial o totalmente el aire de ventilación de las instalaciones. Su uso puede ayudar a que los edificios cumplan con los estándares de Passivhaus o la certificación LEED .
Los intercambiadores de calor tierra-aire se han utilizado en instalaciones agrícolas (edificios para animales) y en instalaciones 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 a partir del 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 de los sistemas de ventilación de los hogares se ha vuelto bastante común desde mediados de la década de 1990, y lentamente se está adoptando 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 sobre intercambiadores de calor tierra-aire o tubos de tierra.
El intercambio pasivo de calor acoplado al suelo 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 calefacción solar y enfriamiento por evaporación, radiación o conducción).
Los intercambiadores de calor tierra-aire se pueden analizar para determinar su rendimiento con varias aplicaciones de software que utilizan 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 de manera incorrecta y no han cumplido con las expectativas de diseño. Los intercambiadores de calor tierra-aire parecen ser más adecuados para el pretratamiento del aire que para la calefacción o refrigeración completas. 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 construirse con tubos de plástico rígido o semirrígido, de metal recubierto de plástico o de plástico recubierto con capas antimicrobianas internas, de paredes lisas (para que no atrapen fácilmente la humedad de condensación y el moho) de 100 a 600 mm (3,9 a 23,6 pulgadas) de diámetro y enterrados a una profundidad de entre 1,5 y 3 m (4,9 a 9,8 pies) donde la temperatura ambiente de la tierra suele ser de entre 10 y 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 diámetro más pequeño requieren más energía para mover el aire y tienen una superficie de contacto con la tierra menor. 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 sufre una transferencia de calor más deficiente de la pared de la tubería al aire debido al aumento de las distancias.
Algunos consideran que es más eficiente hacer pasar el 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 haga pasar el aire filtrado del tubo de refrigeración pasivo a través de los tubos de refrigeración de mayor diámetro. La convección natural puede ser más lenta que el uso de un ventilador alimentado con energía solar. Se deben evitar los ángulos pronunciados 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 de "aire fresco" abierto o una combinación:
Los intercambiadores de calor de aire y tierra de un solo paso ofrecen la posibilidad 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 incluye una o más unidades de recuperación de calor de ventilación.
Un sistema de calefacción por suelo compartido consta de intercambiadores de calor conectados al suelo para su uso en más de una vivienda. [1] Pueden proporcionar calefacción con bajas emisiones de carbono en los casos en que los intercambiadores de calor individuales acoplados al suelo no son viables, como en viviendas adosadas con poco espacio exterior. También pueden ofrecer oportunidades para descarbonizar la calefacción en grupos de viviendas alejados de centros urbanos densos en los que es poco probable que la calefacción urbana tradicional sea económicamente viable. [1] Otros beneficios incluyen una mayor eficiencia y un menor coste de capital, un mayor control de los residentes para elegir su propio proveedor de electricidad y una reducción de la cantidad de intercambiadores necesarios debido a la variación en los horarios de carga máxima entre los distintos hogares. [1]
Un laberinto térmico cumple la misma función que un tubo de tierra, pero normalmente se forman a partir de un espacio rectilíneo de mayor volumen, a veces incorporado a sótanos de edificios o plantas bajo rasante, y que a su vez están divididos por numerosos muros internos para formar un camino de aire laberíntico. Maximizar la longitud del camino de aire asegura un mejor efecto de transferencia de calor. La construcción de las paredes, pisos y paredes divisorias del laberinto es normalmente de hormigón colado de alta masa térmica y bloque de hormigón, con las paredes exteriores y pisos en contacto directo con la tierra circundante. [2]
Si la humedad y la colonización de moho asociada no se abordan en el diseño del sistema, los ocupantes pueden enfrentar riesgos de salud. En algunos sitios, la humedad en los tubos de tierra se puede controlar 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 necesita ser aumentado para una mayor reducción de 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 la inhalación de los seres humanos. Por lo tanto, está claro que el uso de EAT [Túnel de Aire de Tierra] no solo 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 variaban en diseño, material de las tuberías, tamaño y antigüedad, afirmó: "Este estudio se realizó debido a las preocupaciones sobre el posible crecimiento microbiano en las tuberías enterradas de los sistemas de aire acoplados al suelo. Los resultados demuestran, sin embargo, 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 por el sistema de tuberías”, y además afirman: “Con base en estas investigaciones, el funcionamiento de intercambiadores de calor tierra-aire acoplados al suelo es aceptable siempre que se realicen controles regulares y si se dispone 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 con 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 terreno 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 para eliminar el agua de la torre. Para las instalaciones en casas con sótanos, las tuberías se nivelan de modo que el drenaje de condensación ubicado dentro de la casa esté en el punto más bajo. En cualquiera de las instalaciones, 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 al flujo y la eliminación del condensado. No se deben utilizar tubos corrugados o acanalados ni juntas interiores rugosas. Las juntas que conectan los tubos entre sí deben ser lo suficientemente herméticas 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. Lo ideal es utilizar tubos de tierra con capas internas antimicrobianas en las instalaciones para inhibir el posible crecimiento de moho y bacterias dentro de los tubos.
Las aplicaciones de intercambiadores de calor tierra-aire para la refrigeración y/o calefacción parcial o total del aire de ventilación de las instalaciones han tenido un éxito desigual. Lamentablemente, la bibliografía 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 resultar muy rentables tanto en términos de costos iniciales y de capital como de 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 diseño/aislamiento de la envoltura exterior del edificio. En general, el suelo seco y de baja densidad con poca o ninguna sombra en el suelo rendirá menos beneficios, mientras que el suelo denso y húmedo con una sombra considerable debería rendir 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 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 humana. Cuanto más alta sea la temperatura ambiente de la tierra, menos efectiva será 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 la zona de amortiguación térmica solar pasiva [5] como el lavadero o un solárium / invernadero, especialmente aquellos con un jacuzzi, un spa de natación o una piscina cubierta, donde el aire cálido y húmedo se agota en el verano y se desea un suministro de aire de reemplazo más fresco y seco.
No todas las regiones y lugares son adecuados para los intercambiadores de calor tierra-aire. Entre las condiciones que pueden dificultar o impedir una implementación adecuada se encuentran la poca profundidad del lecho rocoso, el alto nivel freático y la falta de espacio, 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 posibilidad de recarga térmica del suelo. En los sistemas de doble función (tanto calefacción como 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 la posibilidad de sobrecargar el depósito térmico incluso con sistemas de doble función.
En el contexto actual de disminución de las reservas de combustibles fósiles , aumento de los costos de la electricidad, contaminación del aire y calentamiento global , los tubos de refrigeración terrestres 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 soportar 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, que es especialmente valiosa en envolventes de edificios herméticos, bien climatizados y eficientes.
Una alternativa al intercambiador de calor tierra-aire es el intercambiador de calor "agua"-tierra. Este suele ser similar a una tubería de bomba de calor geotérmica empotrada horizontalmente en el suelo (o podría ser una sonda vertical) a una profundidad similar a la del intercambiador de calor tierra-aire. Utiliza aproximadamente el doble de longitud de tubería de 35 mm de diámetro, es decir, 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 intercambiador de calor.
Actualmente, muchas instalaciones europeas utilizan esta configuración debido a su facilidad de instalación. No se requiere ningún punto de caída ni de drenaje y es segura debido al menor riesgo de moho.
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