Modelación térmica del suelo alrededor de tubos enterrados en sistemas de colección de energía geotérmica de baja entalpía

Abstract

Los sistemas de climatización con energía geotérmica, aprovechan la estabilidad de temperatura que tiene el subsuelo para extraer calor de la vivienda y transferirlo al suelo, o de forma inversa, extraer calor del suelo y transferirlo a la vivienda (depende si se trata de invierno o verano). Para realizar esto se usan tubos enterrados en que se hace circular un fluido interiormente para transportar el calor. En la literatura se proponen métodos incompletos para calcular la capacidad de transferencia entre los tubos enterrados y el suelo, ya que no se considera la modificación de temperatura del suelo alrededor de los tubos enterrados. En este trabajo, usando simulaciones numéricas, se resuelve el campo de temperaturas alrededor de los tubos en función del tiempo y se determina la resistencia térmica del suelo. Usando los resultados de estas simulaciones, se propone una fórmula (en función de las variables relevantes) para estimar de forma sencilla el promedio de capacidad de transferencia que tendrá un tubo. Se realizan simulaciones con 2 y 3 tubos paralelos, para evaluar la disminución de la capacidad de transferir calor debido a la interferencia térmica que se produce entre tubos cercanos. Estos resultados muestran que el espaciado, es un factor importante a la hora de diseñar un circuito de tubos enterrados, ya que con arreglos muy compactos se disminuye en más un 50% la capacidad de captar calor. Con los resultados de las simulaciones se evalúan cuatro casos, para determinar cuán importante es agregar la resistencia térmica del suelo, a las conocidas y bien estudiadas resistencias térmicas de la pared del tubo y del fluido interno. De forma general, el suelo restringe el flujo de calor (más que la pared y el fluido interno) y se vuelve el elemento clave para determinar la capacidad de transferencia. Cuantificar este fenómeno, permite diseñar sistemas de colección, tomando en cuenta la resistencia térmica del suelo y determinar correctamente la capacidad de transferir calor. Así, se puede generar una solución acorde a la demanda térmica requerida.