Potencial de los intercambiadores de calor tierra-aire para acondicionamiento de aire en diferentes zonas climáticas

POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS CAMILO ANDRÉS ARIAS HENAO Tesis Doctorado en Ingeniería Energética Área de Termotecnia Director: Dr. SERVANDO ÁLVAREZ DOMÍNGUEZ POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES DEPARTAMENTO DE INGENIERA ENERGÉTICA SEVILLA, 2015 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA Contenido I. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 2 1. Capítulo 1. ................................................................................................................................................ 1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA, GENERALIDADES ................................................................................................ 1 Y ESTADO DEL ARTE.......................................................................................................................................... 1 1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. ................................................................................................................ 2 1.2. JUSTIFICACIÓN. ..................................................................................................................................... 3 1.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN. ....................................................................................................... 4 1.3.1. Objetivo General. ......................................................................................................................... 4 1.3.2. Objetivos Específicos. ................................................................................................................... 4 1.4. MARCO TEÓRICO Y ANTECEDENTES DE INVESTIGACIÓN...................................................................... 5 1.4.1. ¿Que son los Intercambiadores de Calor Tierra Aire? .................................................................. 5 1.4.2. Tipología de los Intercambiadores de Calor Tierra Aire. ............................................................... 9 1.4.3. Antecedentes Publicados. .......................................................................................................... 10 1.5. BIBLIOGRAFÍA CAPÍTULO 1. ................................................................................................................ 14 2. Capítulo 2. .............................................................................................................................................. 19 ANÁLISIS DE LA TEMPERATURA DEL TERRENO. .............................................................................................. 19 2.1. DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL TERRENO EN FUNCIÓN DE LA PROFUNDIDAD. ............ 20 2.1.1. Modelo analítico. ........................................................................................................................ 20 2.1.2. Análisis de resultados de los modelos analíticos aplicados a 6 climas de países ecuatoriales y dos climas extremos de países de alta latitud. ........................................................................................... 44 2.2. ANÁLISIS DE LA TEMPERATURA DEL SUELO MEDIANTE DIFERENCIAS FINITAS. ................................. 47 2.2.1. Análisis termodinámico en función de las resistencias térmicas. ............................................... 48 2.2.1.1. Análisis termodinámico para el nodo de la superficie (i=1). ................................................... 50 2.2.1.2. Análisis termodinámico para los nodos interiores (i [2 , N-1]) y último nodo. ........................ 52 2.2.1.3. Ejemplos de aplicación en función de la simulación mediante diferencias finitas. ................. 54 2.3. Conclusiones parciales del capítulo. ................................................................................................... 63 2.4. Bibliografía del capítulo. ..................................................................................................................... 64 3. Capítulo 3. .............................................................................................................................................. 65 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESTUDIO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS .................................................................................................................... 65 3.1. MODELOS TERMODINÁMICOS PARA EL SISTEMA DE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA AIRE. ........... 66 3.1.1. Modelo Termo- Hidráulico.......................................................................................................... 68 3.1.2. Modelo de simulación en estado transitorio aplicado en Trnsys. ............................................... 70 3.2. SIMULACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN CLIMAS COLOMBIANOS. ................................................................................................................... 73 3.2.1. Colombia y sus climas. ................................................................................................................ 73 3.2.2. Montaje en Trnsys y configuración Type 460. ............................................................................ 79 3.2.3. Montaje en el TrnsEdit para automatizar las corridas de las simulaciones por Departamentos.91 3.2.4. Resultados análisis de potencia para Colombia. ......................................................................... 95 3.2.4.1. Potencia de refrigeración. ...................................................................................................... 95 3.2.4.2. Potencia de Calefacción. ....................................................................................................... 104 3.2.4.3. Conclusiones parciales simulación por Departamentos. ...................................................... 114 3.3. MODELO SIMPLIFICADO. .................................................................................................................. 123 3.4. BIBLIOGRAFÍA CAPÍTULO 3. .............................................................................................................. 134 4. CAPÍTULO 4. ......................................................................................................................................... 135 EJEMPLO DE PROYECTOS REALIZADOS. ........................................................................................................ 135 4.1. “EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES LONGITUD Y DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A UNA PROFUNDIDAD DE DOS METROS” [1]. .......................................................................................................... 136 4.2. EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE TUBOS ENTERRADOS HORIZONTALES EN UN RECINTO DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA. [4]. ........................................................................................................ 139 4.3. BIBLIOGRAFÍA CAPÍTULO 4. .............................................................................................................. 141 5. Capítulo 5. ............................................................................................................................................ 143 CONCLUSIONES GENERALES. ........................................................................................................................ 143 Anexo 1. ....................................................................................................................................................... 146 PROGRAMA CÁLCULO DE TEMPERATURAS DEL TERRENO MEDIANTE DIFERENCIAS FINITAS ...................... 213 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 1 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 2 I. INTRODUCCIÓN Este proyecto de trabajo de tesis, destinado a definir el potencial de los sistemas de intercambio de calor entre la tierra y el aire para acondicionar aire evaluado en diferentes zonas climáticas, se desarrolla dentro del grupo de trabajo perteneciente al área de Termotecnia del Departamento de Ingeniería Energética de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad de Sevilla y está orientado en la línea de investigación de simulación de sistemas energéticos, y fue soportado por los rubros generados por la convocatoria de proyectos doctorales del Centro de Investigaciones y Desarrollo científico de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en Bogotá - Colombia. El trabajo está enmarcado en la necesidad de acondicionar aire en sitios en los que es y no es frecuente está operación y que debido a cargas puntuales, ya sean exteriores o interiores, se demanda el proceso de tratamiento térmico. El objeto es usar el terreno como reservorio termodinámico mediante el uso de un sistema de intercambio de calor tierra aire para acondicionar el aire (ICTA). Aunque en la actualidad existen modelos matemáticos para su representación y diseño, la mayoría son complicados y limitan su aplicación a zonas con presencia de estaciones en la cual el potencial es mayor. El trabajo presenta una evaluación completa de diferentes climas para determinar el comportamiento del sistema en diferentes ambientes centralizado en Colombia, país en la región Ecuatorial, caracterizado por un clima relativamente constante con presencia de temperadas secas y de lluvia. Al final se presenta un modelo simplificado basado en el coeficiente general de transferencia de calor convectivo para representar el funcionamiento del ICTA, este a su vez es comparado con el modelo presentado en el Type 460 utilizado en el programa de simulación Trnsys v.17 y el cual está basado en el modelo de Hollmuller, y con datos prácticos de una instalación de prueba. De lo anterior se concluye una buena coincidencia para climas regulares sin presencia de estaciones, mientras que para climas con estaciones se presentan diferencias menores al 10%. En el primer aparte de este documento se muestra una presentación general el proyecto incluyendo generalidades y estado del arte. En el segundo capítulo se presenta lo relacionado al análisis de clima y el comportamiento de las temperaturas del terreno a diferentes profundidades sumado a un modelo en diferencias finitas en función del archivo climático para desarrollar, de fuentes discretas, el análisis transitorio. En el capítulo 3 se presenta el estudio del sistema en función de modelos que representan de manera completa el sistema, un análisis para el territorio continental Colombiano y la propuesta y desarrollo de un modelo simplificado el cual es comparado en diferentes climas y con datos reales para la ciudad Bogotá. En el Capítulo cuarto se presenta un ejemplo de aplicación como emplazamiento para la recolección de datos. Aunque cada capítulo presenta conclusiones parciales, al final en el capítulo cinco se estipulan conclusiones generales del trabajo. Cualquier pregunta, comentario o sugerencia será bien recibida por el autor. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 3 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 1 1. Capítulo 1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA, GENERALIDADES Y ESTADO DEL ARTE POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 8 espesores menores a la profundidad demarcada como piel térmica (“termal skin”), cuyo espesor se define como2: πρ ≡δ P c I Ec. 2 Donde P es el periodo evaluado. Esta profundidad es la de penetración de la señal ondulatoria energética, la cual depende directamente de la raíz del periodo evaluado. Por otro lado, si la mezcla de material en las capas de terreno son de gran escala, la temperatura superficial del terreno puede variar en sectores causando comportamientos diferentes en el subsuelo debido a la perdida de la homogeneidad en las propiedades. Aunque no se discutirá sobre la forma en que se distribuye y se transfiere la energía en el terreno, si es importante la cantidad de energía que este puede almacenar sin variar la temperatura del mismo, ya que si esto sucede, el reservorio termodinámico comenzará a degradarse. La aplicación de los ICTA son comunes en zonas con altas o bajas latitudes las cuales presentan estaciones con sistemas que acondicionan de manera indirecta mediante intercambiadores tierra-agua para apoyar una bomba de calor, o directamente mediante el uso de tubos enterrados, logrando coeficiente de desempeño (COP8) de hasta 6 en el primer caso y de hasta 11 en el segundo. Otras aplicaciones se relacionan con el almacenamiento energético en el subsuelo para evitar el congelamiento de carreteras, el mejoramiento de las condiciones de temperatura del subsuelo para obtener de condiciones óptimas de siembra y el acondicionamiento de ambientes para porquerizas. La sencillez en los componentes que conforman el sistema de intercambiadores de calor tierra-aire mediante tubos enterrados contrasta con el análisis matemático necesario para reproducir su comportamiento, la principal fuente de energía que afecta el reservorio termodinámico (el terreno) es el sol, cuya irradiación se conduce a través del mismo como si fuera en un sólido seminfinito compuesto de capas que interactúan con el intercambiador (tubo), ocasionando que el sistema requiera de un análisis dependiente del tiempo a través de un sólido y con convección a un fluido, en el cual puede llegar a presentarse condensación (calor latente) dependiendo de la temperatura de rocío del aire. Se encuentran modelos basados en integración numérica de la ecuación de conducción de calor9, como otros, que no detallan el comportamiento interior del aire sino toma valores globales de lo sucedido en el intercambio, entre estos encontramos el modelo Termo-hidráulico mediante el uso del número de unidades térmicas transferidas (NTU: Number of Transfer Units) y la efectividad de intercambio de calor teniendo en cuenta la caída de presión causada; y los basados en la transferencia de calor con un coeficiente de convectividad global que suponen temperatura uniforme en la pared del tubo. 8 COP (Coefficien Of Performance): Coeficiente de desempeño frecuente para máquinas térmicas que 9 V.P. Kabashnikov, L.N. Danilevskii, V.P. Nekrasov, I.P.Vityaz, 2002. Analytical and numerical investigation of characteristics of soil heat exchanger for ventilation systems. International journal of heat and mass transfer, 45, pp 2407-2418. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 9 En este trabajo se pretende evaluar la potencialidad del sistema de intercambiadores de calor tierra-aire mediante tubos enterrados para acondicionamiento de aire expuestos a diferentes zonas geográficas y poder aprovechar de esta manera las características energéticas provocadas por el efecto de amortiguamiento y desfase de la señal de temperatura que se presenta a pocos metros de la superficie terrestre. 1.4.2. Tipología de los Intercambiadores de Calor Tierra Aire. El sistema se denomina de diferentes formas, las más frecuentes son: • Tubos o pozos canadienses o provenzales (canadien o prveçale puits). • Intercambiadores de calor tierra-aire. (Earth Air Heat Exchanger, EAHE, EAHX). • Tubos enterrados para intercambio geotérmico, (ETHE: Earth Tube Heat Exchanger). • Túneles de aire. Con el objeto de homogenizar su nomenclatura en el trabajo, se denominarán intercambiadores de calor tierra-aire (ICTA) ya que es la mejor manera de expresar el fenómeno físico principal. Las principales variaciones de los ICTA observadas en las lecturas y en los reportes en artículos generan cuatro características para su tipología: la posición del sistema de ventilación, el diseño y material de los tubos, las condiciones del terreno y el aire de alimentación. En el primer caso encontramos los impulsados, los de absorción y los de empuje natural dependiendo de la ubicación del dispositivo de empuje (ventilador o turbina) o si el movimiento es causado por un dispositivo pasivo (chimenea solar, flujo cruzado, muro parietodinámico, etc). (Figura 3) Aunque el material de los tubos no es significativo en lo referente al transporte de energía en forma de calor, la superficie del tubo puede generar efectos de turbulencia en el análisis del tubo. Entre los más regulares encontramos: • Tuberías de caucho: Segmentos continuos desde la entrada a la salida, fácil consecución costo medio. En algunas instalaciones se sobreponen en círculos para aprovechar el espacio. • Tuberías en metal: Segmento continuos o con desagües, costos altos. La instalación se hace en tramos paralelos. • Tuberías en PVC: Puede trabajarse diferentes diámetros en el mercado con costos relativamente bajos, se pueden adicionar desagües. Instalación regular entramos rectos paralelos. • Ductos en concreto: Son tuberías o bloques de tuberías prefabricados. Estables pero de costo elevado tanto en el material como en instalación. En el caso de los bloques de tuberías presenta ventajas en lo que respecta a la ubicación y la estabilidad de la masa térmica preestablecida por el mismo concreto. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 10 El terreno es un factor de variabilidad importante para el funcionamiento del sistema, de este va a depender el lugar de instalación del tubo y la cantidad de energía que puedo retirar o absorber. Como tal funciona como reservorio termodinámico ya que adiciona o retirar energía sin un cambio de temperatura, si esto no sucede el reservorio empezará a degradarse disminuyendo el potencial del sistema. Por último encontramos el aire que se va a acondicionar, este puede provenir directamente del exterior, por lo que el estado termodinámico se determinará en función de las propiedades sicrométricas ambientales, o de una mezcla hasta el 100% del aire del espacio a acondicionar, en este caso se debe desarrollar un análisis de mezcla de aire en función de la primera ley de la termodinámica. En este trabajo se limitará el modelo para aire proveniente del exterior para tubos horizontales con terreno compuesto por varias capas de material y con aire impulsado por medio mecánico. Otras variaciones pueden ser evaluadas acoplando las diferentes variables. 1.4.3. Antecedentes Publicados. Las fuentes bibliográficas o antecedentes de instalaciones de intercambiadores de calor tierra-aire se ven caracterizadas por trabajos de aplicaciones específicas que precisa de un procedimiento adicional para extrapolarlo a otros ambientes. Las vivencias de los diferentes sistemas en la actualidad son variadas y de información contradictoria que nubla la aplicación del problema. Aunque se encuentran estudios que comprueban los beneficios del dispositivo, se escuchan opiniones de mercado, no confrontadas, que infunden desconfianza en la aplicación. El retraso en la práctica de este tipo Figura 3. A. sistema de empuje posterior al intercambiador. B. sistema de empuje anterior al intercambiador. C. Sistema de empuje mediante chimenea solar, totalmente pasivo. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 11 de dispositivos es causado principalmente por la poca información generalizada en el procedimiento de dimensionalización e instalación, que no ofrece una estructura de soporte que ayude al diseñador a resolver las dudas del sistema y evite malas aplicaciones del mismo. Se encuentra un trabajo antecedente desarrollado en la Universidad de Sevilla referido en el proyecto de fin de carrera titulado “Modelización y análisis de sistemas de acondicionamiento natural mediante conductos enterrados” desarrollado por el doctor Ismael Rodríguez Maestre en el año de 1993. Existen muchos otros trabajos que a pesar de no referirse al tema en cuestión, son fundamentales para complementar el análisis de los sucesos, ejemplo de esto son las referencias [37], [55], [56]. En lo que respecta a Colombia y en general a la zona ecuatorial de América son muy pocos los artículos de estudio publicados con excepción a los relacionados con este trabajo, se conocen aplicaciones en industria, pero estas no referencian, ni el diseño ni el desempeño del mismo. En Venezuela se encuentran dos trabajos publicados pero no profundizan el proceso de diseño. En el sur del continente, Argentina y Chile, se encuentran más publicaciones en forma de artículo que vislumbran un desempeño adecuado de la experiencia y que compagina con otros escritos. La mayoría de las referencias que se encuentran sobre el tema están encausadas a tipos de artículos científicos que tiene como aspecto positivo la presentación de determinadas aplicaciones de manera detallada, más que en la bibliografía existente, aunque carecen de la profundización necesaria para desarrollar completamente el procedimiento de cálculo de la instalación. Los libros de texto que mejor explican el sistema son los relacionados con temas de sistemas pasivos de refrigeración, donde se presentan los intercambiadores de calor tierra aire de forma general, referidos a sistemas geotérmicos de refrigeración/calefacción sin una profundización o detalle en los cálculos de dimensionamiento o diseño. Las fuentes de consulta rápida como internet, muestran varias aplicaciones (con especial énfasis a las destinadas a apoyo de bombas de calor o bombas de calor geotérmicas GTHP), que expresan aspectos técnicos muy interesantes pero sin concretar un procedimiento de cálculo de aplicación especifico. Es importante resaltar que por este medio se pueden conseguir algunos programas de cálculo, específicamente de intercambiadores de calor tierra-aire, en periodos de prueba (shareware) que pueden ofrecer una idea rápida de los sistemas, pero no proveen un soporte sustancial para ampliar o conectar la aplicación a otros sistemas o la variación de los elementos constitutivos del mismo. Uno de los modelos que representan de una forma completa y poseen una unidad computacional de simulación es el de Hollmuller, el cual utiliza el Type 460 de Transolar para representar su funcionamiento en estado transitorio en el programa Trnsys. A continuación, se presentará un resumen ordenado cronológicamente de un grupo ejemplo de artículos científicos, trabajos técnicos y proyecto de grados relacionados con el tema. “Conduction of heat in solids”. H.S. Carslaw y J.C.Jaeger. 1959. Libro de especial importancia para el cálculo de la temperatura a una profundidad especifica del terreno. Desarrolla las ecuaciones necesarias para describir el fenómeno de transferencia de calor en sólidos semi-infinitos e infinitos causados por excitaciones varias. Es interesante observar que pese a ser el más antiguo, es el más frecuentemente reseñado en los trabajos relacionados. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 12 “Periodic variation of ground temperature with depth” A. K. Khatry, M. S. Sodha, M. A. S. Malik. 1977. El conocimiento de la teoría asociada al cálculo de la temperatura del suelo respecto a la profundidad es un punto fundamental en el análisis del sistema. En esta nota técnica se muestra la forma de resolver la temperatura del suelo en función de la profundidad y la temperatura exterior incluyendo la radiación directa y difusa acoplándolas en el término de la temperatura sol-aire. Se hace evidente el uso de la transformada de Fourier para aproximar la excitación atmosférica (temperatura sol-aire) a una función periódica, sin embargo no se muestra el procedimiento para conseguirla. “Earth air heat exchanger system”. Mo Hourmanesh M. Arch, Ray Hourmanesh, Dr. Donald B. Elmer. 1978. Se demuestra la capacidad de la tierra como almacenador/pozo de energía y puede ser efectivamente utilizado en el modelado de sistemas pasivos como los intercambiadores de calor tierra-aire. Muy interesante es la relación que presenta entre el calor específico de la tierra y el contenido de humedad de la misma referido al calor especifico de la tierra totalmente seca. “Variance of the ground temperature distribution” M. S. Sodha, N. K. Bansal, A.K. Seth. 1981. Separando un poco el análisis de las variaciones de la temperatura respecto a la profundidad mediante métodos estocásticos, es importante notar la conclusión encontrada referida a que la varianza de la temperatura se reduce con la profundidad soportando el hecho de que probabilísticamente hablando, no se debe esperar variaciones considerables en un ambiente a una profundidad determinada. “Heat transfer characteristics of in-ground heat eschangers” O. J. Svec, L. E. Goodrich, J. H. L. Palmer. 1983. Se presenta el trabajo de estudio sobre la implicación que posee el conducto sobre el proceso de transferencia de calor. En la mayoría de trabajos suponen que el tubo presenta una implicación relativamente baja en lo que respecta al proceso de transferencia, sin embargo, en este estudio se muestra una reducción considerable en la transferencia de calor si se utilizan conductos plásticos en remplazo de metálicos, además, de las implicaciones producidas por la constante de transferencia de calor entre el tubo y el aire, y la resistencia de contacto entre el ducto y la tierra. “Performance of the earth-air tunnels” N. K. Bansal, M. S. Sodha, S. S. Bharadwaj. 1983. Se desarrolla un estudio perimétrico (longitud y área de intercambio) para determinar el desempeño de un intercambiador de calor tierra-aire en términos de la ganancia o pérdida energética. “Potential of ground heat source systems” O. J. Svec. 1987. Desarrolla in revisión sobre el potencial que presentan los sistemas geotérmicos de baja temperatura clasificando al terreno como almacenador de energía y al sistema como intercambiador. A pesar que no está referido a sistemas de intercambio de calor tierra-aire sino tierra-agua, elabora un análisis de los parámetros que harían que este tipo de sistemas sean eficientes y de una buena relación costo-efectividad de intercambio. Presenta al final una lista de los problemas que pueden ser abordados para aumentar la competitividad de los sistemas y ofrece recomendaciones para futuro trabajos. “Simulation of greenhouse microclimate produced by earth tube heat exchangers” H. J. Levit, R. Gaspar, R.D. Piacentini. 1989. Simulación contrastada realizada en Argentina en un invernadero mediante el acople de los modelos que describían el invernadero y el sistema de intercambiadores de calor tierra-aire (denominado como “earth tube heat exchanger”). Es importante aclarar que no es la aplicación más antigua, sin embargo, las fuentes referidas de las lecturas más recientes presentan dificultad de adquisición. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 13 “Analisys of the accuracy and sensitivity of eight models to predict the performance of earth-to-air heat exchangers” A. Tzaferis, M. santamoris, A. Argiriou. 1992. Se desarrolla la comparación de ocho modelos que describen el comportamiento de los intercambiadores de calor tierra-aire. Se observa la sensibilidad a los parámetros de temperatura de entrada, velocidad del aire, longitud del tubo, radio del tubo y profundidad de instalación. El valor más importante de este artículo es que presenta un resumen de los algoritmos que simulan el comportamiento del sistema, caracterizados por provenir de la misma ecuación fuente alterada por las suposiciones de cada uno de los autores. Es una lástima que la teoría completa de estos modelos no sea de fácil acceso. “Optimización energética y climatización no convencional en viviendas de interés social” E Di Bernardo, A. cortes, P Moscón. 1992. Antecedente de anteproyecto donde se presenta los tubos enterrados como solución de ventilación no convencional para viviendas de interés social. Lo interesante de esta aplicación es el potencial que puede presentarse en el sistema el cual puede mejorar condiciones de vida o trabajo en áreas sociales humildes. “Modelling the earth temperature using multiyear measurements”. D. Asimakopoulos, G. Mihalakakou, M. Santamouris. 1992. Se presentan algoritmos para predecir la variación anual y diaria de la temperatura del subsuelo confrontado con una base de datos de 74 años de la capa superficial de Atenas. “Are earth tube heat exchangers of interest when heating bulding?”. Stig-Inge Gustafsson. 1993. Se desarrolla una comparación para calefacción entre dos aplicaciones, una con intercambiadores de calor tierra-aire y otra con bomba de calor geotérmica. Se muestra que debido a las limitaciones intrínsecas de los intercambiadores de calor tierra-aire, las bombas de calor geotérmicas realizan mejor el trabajo descrito, sin embargo se presenta algunas aclaraciones sobre el dimensionamiento de la primera aplicación. “Modelización y análisis de sistemas de acondicionamiento natural mediante conductos enterrados” Rodríguez Maestre Ismael. 1993. Trabajo fundamental que muestra un ejemplo de modelamiento de este tipo de sistemas caracterizando para esto una función de transferencia derivada de la ecuación de difusión de calor. “Estimación del flujo calórico en base a observaciones de la temperatura del suelo cercanas a la superficie”. Raúl Guarisma, Isa Cortez de Benitez. 1994. Ejemplo de aplicación del análisis presentado por Carslaw y Jaeger de conducción de calor en sólidos semi-infinitos para representar la temperatura del suelo respecto a su profundidad. “Heating and cooling potential of an underground air-pipe system”. R.L.Sawhney, Usha Mahajan. 1994. Se evalúa el potencial anual de un sistema de tubo de aire enterrado en términos de parámetros adimensionales, considerando la variación diaria y anual de la temperatura, radiación y humedad, en dos climas específicos: caliente-seco y frío-seco. Es interesante la forma de evaluar el potencial utilizando números adimensionales que pueden permitir una generalización del método. “Modelling the thermal performance of earth to air heat exchanger”. G. Mihalakakou, M. santamoris, D. Asmakopoulos. 1994. Modela el desempeño de un sistema de intercambio tierra-aire mediante un método que tiene en cuenta, además de la radiación, temperatura y humedad tomando como base la ecuación de difusión de calor, la transferencia de masa dentro del conducto. Incluye estratificación térmica en el terreno. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 14 “Parametric prediction of the buried pipes cooling potential for passive cooling aplications”. G. Mihalakakou, M. Santamoris, D. Asmakopoulos. 1995. Desarrolla un modelo paramétrico para representar el comportamiento del sistema de intercambio de calor mediante tubos enterrados. “Energy conservation in greenhouses with buried pipes”. G. Mihalakakou, M. Santamouris, J. O. Lewis, C.A. Balaras. 1996. Aplicación del modelo paramétrico para describir el comportamiento de un invernadero. “Desing methodology and cooling potential of the enviromental heat sinks”. S. Álvarez, I. R. Maestre, R. Velásquez. 1997. Se presenta una metodología de diseño basada en el potencial total, neto, posible y útil de refrigeración, de un pozo energético natural especifico, relacionada a diferentes metodologías de refrigeración aplicadas a tres técnicas de refrigeración pasiva, entre estas se encuentran los intercambiadores de calor tierra-aire. “Analytical and numerical investigation of characteristics of soil heat exchanger for ventilation system”. V.P. Kabashnikiv, L.N.Danilevskii, V.P. Nekrasov. 2002. Modelo matemático para calcular las temperaturas de suelo y el aire en un sistema de intercambio de calor tierra-aire representando la temperatura mediante una integral de Fourier. Se muestra la influencia de diferentes parámetros del sistema. “Utilisation des échangeurs air/sol pour le chauffage et refraîchissement des bâtiments : Mesures in situ, modélisation analytique, simulation numerique et analyse systémique”. Pierre Hollmuller. 2002. Tesis de grado de simulación analítica y numérica de un sistema de intercambiadores tierra-aire. “Thermo-hydraulic desing of earth air heat exchangers”. M. De Paepe, A. Janssens. 2003. Interesante modelamiento de un intercambiador de calor tierra-aire mediante los modelos de análisis de intercambiadores de calor. Es un método aproximado pero de mayor facilidad de cálculo. “Buried pipe system with sensible and latent heat exchange: Validation of numerical simulation against analytical solution and long monitoring”. Pierre Hollemuller, Bernard Lachal. 2005. Presenta el algoritmo para el análisis mediante diferencias finitas de un sistema de intercambio de calor tierra aire considerando los cambios latente y sensible con distintas condiciones de contorno. Como se puede observar se presentan varios modelos de descripción del sistema y aplicaciones. Con el transcurso del tiempo, se hace más fuerte la necesidad de implantar métodos numéricos para estudiar mejor las diferentes condiciones a las que está expuesto el sistema. En la referencia se anexan otras publicaciones de interés que soportan la investigación. 1.5. BIBLIOGRAFÍA CAPÍTULO 1. [1] A.Tzaferis, M. santamoris, A. Argiriou .“ANALYSIS OF ACCURACY AND SENSITIVITY OF EIGHT MODELS TO PREDICT THE PERFORMANCE OF EARTH TO AIR HEAT EXCHANGER”. Energy and bulding vol 18, 35-43. 1992. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 15 [2] A.K. Khatry, M.S.Sodha, M.A.S. 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La representación analítica según el modelo de Lunardi para la temperatura del suelo en función del tiempo y la profundidad se muestra en la Figura 6 y Figura 7. En la Tabla 2 se muestra el resumen de los parámetros de análisis. Tabla 2. Parámetros de entrada para el análisis de temperatura del terreno para la ciudad de Bogotá. Parámetro Símbolo Unidad Valor Temperatura promedio Anual Ts °C 13.26 Conductividad térmica promedio del suelo k W/mK 1.06 Calor especifico Cp J/kgK 1840 Densidad promedio ρ Kg/m3 1803 Valor de la temperatura mínima Tmin °C -0.3026 Hora en el que sucede la temperatura mínima tcorr h 372 Como se puede Observar en la Figura 5, el clima de Bogotá no presenta estaciones y su temperatura varia alrededor de un promedio anual estable, el cual se alcanza muy rápidamente en el análisis transitorio. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 25 Figura 5. Comportamiento climático de la ciudad de Bogotá-Colombia, la línea roja “Tbs” es la temperatura atmosférica y “Tm”, la línea azul, es la temperatura media acumulativa en función del tiempo. En la Figura 6 se puede observar la variación de la temperatura en función del tiempo para varias profundidades, correspondiendo T1 a la variación de la temperatura a la profundidad de 0m (superficie), T2 para 0.5m, T3 para 1m, T4 para 2m y T5 para 2.5m. Se identifica el potencial del terreno como reservorio termodinámico amortiguando la señal de temperatura a medida que se aumenta la profundidad sumado al deslazamiento del tiempo en donde sucede el mínimo valor de la temperatura en el año. Este último caso no es preponderante para climas sin estaciones, sin embargo, para climas con estaciones, el corrimiento en el tiempo puede ser lo suficiente para que suceda en el tempo climático contrario, es decir, se puede lograr que el mínimo del terreno concuerde con el máximo del ambiente. En la Figura 7 se observa la variación de la Temperatura del terreno en función de la profundidad para diferentes frecuencias de tiempo, el valor de hora a evaluar corresponderá a las frecuencias de oscilación tal y como se muestran en la Tabla 3 y dependientes de la Ec. 4, es así como para obtener la influencia de la frecuencia de la temperatura de π/2, se tienen que evaluar la función para un tiempo de 2562 horas. Se encuentra que la estabilidad de las temperaturas (límite neutro) se logra cercano a los 7 metros. 𝑡𝑁=8760 2𝑁+𝑡𝑐𝑜𝑟𝑟 Ec. 10 Las temperaturas correspondientes a Tmax y Tmin, son las máximas y mínimas que se pueden lograr según la ecuación analítica que corresponden a la Ec. 7. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 26 Figura 6. Gráfico de la temperatura en función del tiempo en horas para las 8760 horas del año para la ciudad de Bogotá. T1 corresponde a una profundidad de 0m, T2 a 0.5m, T3 a 1m, T4 a 2m y T5 a 2.5m. Tabla 3. Tabla para encontrar el tiempo correspondiente a una frecuencia de oscilación en función de π. Temperatura Frec. Tiempo “t” π/ N T1 π/ 2 2562 T2 π/ 3 1832 T3 π/ 4 1467 T4 π/ 0.8 5847 T5 π/ 0.6 7672 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 27 Figura 7. Gráfico de la temperatura en función de la profundidad para la ciudad de Bogotá, T1 corresponde a la temperatura en tiempos de excitación de 24h, T2 a 2562h, T3 a 1832, T4 a 1467, T5 a 5847 y T6 a 7672. • Cali: Es la capital del Departamento del Valle del Cauca – Colombia, se encuentra a una altura de 960 metros sobre el nivel del mar. Al ser una ciudad Ecuatorial no posee estaciones y presenta una temperatura promedio anual de 23.79°C. El comportamiento de la temperatura atmosférica durante el año se muestra en la Figura 8. La representación analítica según el modelo de Lunardi para la temperatura del suelo en función del tiempo y la profundidad se muestra en la Figura 9 y Figura 10. En la • Tabla 4 se muestra el resumen de los parámetros de análisis. Como se puede Observar en la Figura 8, el clima de Cali no presenta estaciones y su temperatura varia alrededor de un promedio anual estable, el cual se alcanza muy rápidamente en el análisis transitorio, haciendo que el comportamiento se similar a la temperatura de Bogotá pero con valores más altos. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 28 Figura 8. Comportamiento climático de la ciudad de Cali, la línea roja “Tbs” es la temperatura atmosférica y “Tm”, la línea azul, es la temperatura media acumulativa en función del tiempo. En la Figura 9 se puede observar la variación de la temperatura en función del tiempo para varias profundidades, correspondiendo T1 a la variación de la temperatura a la profundidad de 0m (superficie), T2 para 0.5m, T3 para 1m, T4 para 2m y T5 para 2.5m. De nuevo se identifica el potencial del terreno como reservorio termodinámico amortiguando la señal de temperatura hacia la temperatura ambiente media anual, sin embargo, comparado con climas más fríos, la amplitud respecto a la temperatura media es menor, por lo que limita más el uso del reservorio. Tabla 4. Parámetros de entrada para el análisis de temperatura del terreno para la ciudad de Cali. Parámetro Símbolo Unidad Valor Temperatura promedio Anual Ts °C 23.79 Conductividad térmica promedio del suelo k W/mK 0.84 Calor especifico Cp J/kgK 1840 Densidad promedio ρ Kg/m3 1843.3 Valor de la temperatura mínima Tmin °C 14.54 Hora en el que sucede la temperatura mínima tcorr h 6582 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 29 Figura 9. Gráfico de la temperatura en función del tiempo en horas para las 8760 horas del año para la ciudad de Cali. T1 corresponde a una profundidad de 0m, T2 a 0.5m, T3 a 1m, T4 a 2m y T5 a 2.5m. Figura 10. Gráfico de la temperatura en función de la profundidad para la ciudad de Cali, T1 corresponde a la temperatura en tiempos de excitación de 24h, T2 a 2562h, T3 a 1832, T4 a 1467, T5 a 5847 y T6 a 7672. En la Figura 10 se observa la variación de la Temperatura del terreno en función de la profundidad para diferentes frecuencias de tiempo, el valor de la variable tiempo a evaluar corresponderá a las frecuencias de oscilación tal y como se mostró en la Tabla 3, esta referencia se mantendrá para el análisis de los climas tratados en esta sección. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 30 Se encuentra que la estabilidad de las temperaturas (límite neutro) se logra cercano a los 7 metros. • Chachagüi: Este clima corresponde al aeropuerto Antonio Nariño el cual presta los servicios a la ciudad de Pasto, capital del Departamento de Nariño, cercana a la frontera con el Ecuador. Entre el aeropuerto y Pasto hay 50 kilómetros de distancia, pero una diferencia de altura de más de 700m, por lo que es importante aclarar que este no es representativo al comportamiento de la capital. Chachagüi se encuentra a una altura de 1706 metros sobre el nivel del mar, su temperatura atmosférica promedio anual es de 18.84°C (Figura 11). La representación del comportamiento de las temperaturas en función del tiempo para diferentes profundidades se muestra en la Figura 12 y en función de la profundidad a diferentes tiempos de excitación en la Figura 13. Los parámetros usados para alimentar el modelo se muestran en la Tabla 5. Una vez más, al estar en una situación ecuatorial, Chachagüi no presenta estaciones y el valor promedio de temperaturas alcanza muy rápidamente el valor anual y se mantiene durante el año (Figura 11). Es un clima de severidad media cálida con una temperatura media anual promedio cercana a los 18°C, atractivo tanto para refrigeración como calefacción. Figura 11. Comportamiento climático de la ciudad de Pasto (Chachagüi), la línea roja “Tbs” es la temperatura atmosférica y “Tm”, la línea azul, es la temperatura media acumulativa en función del tiempo. En la Figura 12 se puede observar la variación de la temperatura en función del tiempo para varias profundidades para la población de Chachagüi, correspondiendo T1 a la variación de la temperatura a la profundidad de 0m (superficie), T2 para 0.5m, T3 para 1m, T4 para 2m y T5 para 2.5m. De nuevo se identifica el potencial del terreno como reservorio termodinámico amortiguando la señal de temperatura hacia la temperatura ambiente media anual, a los dos POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 31 metros se observa una reducción importante en la amplitud la cual ofrece condiciones de acondicionamiento muy favorables cercanas a los 18°C. Tabla 5. Parámetros de entrada para el análisis de temperatura del terreno para la ciudad de Pasto (Chachagüi). Parámetro Símbolo Unidad Valor Temperatura promedio Anual Ts °C 18.84 Conductividad térmica promedio del suelo k W/mK 0.84 Calor especifico Cp J/kgK 1840 Densidad promedio ρ Kg/m3 1843.3 Valor de la temperatura mínima Tmin °C 9.9 Hora en el que sucede la temperatura mínima tcorr h 7422 Figura 12. Gráfico de la temperatura en función del tiempo en horas para las 8760 horas del año para la ciudad de Pasto (Chachagüi). T1 corresponde a una profundidad de 0m, T2 a 0.5m, T3 a 1m, T4 a 2m y T5 a 2.5m. En la Figura 13 se observa la variación de la Temperatura del terreno en función de la profundidad para diferentes frecuencias de tiempo para la población de Chachagüi, el valor de hora a evaluar corresponderá a las frecuencias de oscilación tal y como se muestran en la Tabla 3 manteniendo la misma referencia que manejaremos para el análisis de los climas tratados en esta sección. Se encuentra que la estabilidad de las temperaturas (límite neutro) se logra cercano a los 6 metros con temperaturas más distribuidas en función de la excitación, mientras que en climas más cálidos o fríos, la excitaciones tienden a mantener la inercia más altas o bajas de la temperatura promedio, en el caso de Chachagüi estas se distribuyen con una pequeña tendencia por encima de la temperatura promedio. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 32 Figura 13. Gráfico de la temperatura en función de la profundidad para la ciudad de Pasto (Chachagüi), T1 corresponde a la temperatura en tiempos de excitación de 24h, T2 a 2562h, T3 a 1832, T4 a 1467, T5 a 5847 y T6 a 7672. • Barranquilla: Es la capital del Departamento del Atlántico, se encuentra a 6m sobre el nivel del mar y prácticamente es una ciudad costera sumado a ser la ciudad de desembocadura del río más importante de Colombia, esta características hacen que Barranquilla tenga niveles de humedad relativa por encima del 70%. La temperatura promedio anual es de 27.3°C (Figura 14). La representación del comportamiento de las temperaturas en función del tiempo para diferentes profundidades se muestra en la Figura 15 y en función de la profundidad a diferentes tiempos de excitación en la Figura 16. Los parámetros usados para alimentar el modelo se muestran en la Tabla 6. En la Figura 15 se puede observar la variación de la temperatura en función del tiempo a diferentes profundidades para la ciudad de Barranquilla, correspondiendo T1 a la variación de la temperatura a la profundidad de 0m (superficie), T2 para 0.5m, T3 para 1m, T4 para 2m y T5 para 2.5m. Aunque de nuevo se identifica el potencial del terreno como reservorio termodinámico amortiguando la señal de temperatura hacia la temperatura ambiente media anual, se observa que la diferencia térmica entre los valores de las señales es menor, limitando la aplicación del sistema. Barranquilla presenta un comportamiento similar a las ciudades que se han evaluado hasta el momento debido a su situación geográfica ubicándola como ciudad en la región Ecuatorial por debajo de los 21° de altitud respecto al ecuador. Como se observa en la Figura 14, la temperatura no tienen variaciones estacionales y los rangos de amplitud son relativamente regulares. La temperatura promedio acumulativa se logra muy rápido en el tiempo y permanece durante todo el año cercano a 27 ° C. Esto hace que sea una ciudad cálida en la que el objetivo es refrigeración para el acondicionamiento de aire. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 33 Figura 14. Comportamiento climático de la ciudad de Barranquilla, la línea roja “Tbs” es la temperatura atmosférica y “Tm”, la línea azul, es la temperatura media acumulativa en función del tiempo. En la Figura 15 se puede observar la variación de la temperatura en función del tiempo a diferentes profundidades para la ciudad de Barranquilla, correspondiendo T1 a la variación de la temperatura a la profundidad de 0m (superficie), T2 para 0.5m, T3 para 1m, T4 para 2m y T5 para 2.5m. Aunque de nuevo se identifica el potencial del terreno como reservorio termodinámico amortiguando la señal de temperatura hacia la temperatura ambiente media anual, se observa que la diferencia térmica entre los valores de las señales es menor, limitando la aplicación del sistema. Tabla 6. Parámetros de entrada para el análisis de temperatura del terreno para la ciudad de Barranquilla. Parámetro Símbolo Unidad Valor Temperatura promedio Anual Ts °C 27.34 Conductividad térmica promedio del suelo k W/mK 0.84 Calor especifico Cp J/kgK 1840 Densidad promedio ρ Kg/m3 1843.3 Valor de la temperatura mínima Tmin °C 20.34 Hora en el que sucede la temperatura mínima tcorr h 558 En la Figura 16 se observa la variación de la Temperatura del terreno en función de la profundidad para diferentes frecuencias de tiempo, la variable tiempo a evaluar corresponderá a las frecuencias POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 40 reciba más de 1900 kWh/m2 de energía promedio10 y que las temperaturas en época de verano puedan alcanzar los 40°C sin problemas. Sevilla es por lo tanto una ciudad con presencia de estaciones con una severidad climática alta en verano y relativamente ligera en invierno (Figura 23). La presencia de estaciones hace que la temperatura promedio acumulativa durante el año no se estabilice rápidamente siendo esto una diferencia notoria con países sin presencia de estaciones, al final del año se logra una temperatura anual promedio de 18.8°C, con una amplitud máxima de sobresalientes 17°C. en la Tabla 9 se muestra los parámetros usados para el análisis de las temperaturas respecto al tiempo a diferentes profundidades (Figura 24) y respecto a la profundidad para diferentes tiempos de excitación (Figura 25) los cuales se estipularon en la Tabla 3 buscando que cumplieran periocidad en función de π. Figura 23. Comportamiento climático de la ciudad de Sevilla la línea roja “Tbs” es la temperatura atmosférica y “Tm”, la línea azul, es la temperatura media acumulativa en función del tiempo. Tabla 9. Parámetros de entrada para el análisis de temperatura del terreno para la ciudad de Sevilla - España. Parámetro Símbolo Unidad Valor Temperatura promedio Anual Ts °C 5.4 Conductividad térmica promedio del suelo k W/mK 0.84 Calor especifico Cp J/kgK 1840 Densidad promedio ρ Kg/m3 1843.3 Valor de la temperatura mínima Tmin °C 0.68 Hora en el que sucede la temperatura mínima tcorr h 1064 10 Tomado de Agencia Andaluza de la Energía, http://www.agenciaandaluzadelaenergia.es POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 41 Figura 24. Gráfico de la temperatura en función del tiempo en horas para las 8760 horas del año para la ciudad de Sevilla, T1 corresponde a una profundidad de 0m, T2 a 0.5m, T3 a 1m, T4 a 2m y T5 a 2.5m. En la Figura 24 se puede observar la variación de la temperatura en función del tiempo a diferentes profundidades para la ciudad de Sevilla, correspondiendo T1 a la variación de la temperatura a la profundidad de 0m (superficie), T2 para 0.5m, T3 para 1m, T4 para 2m y T5 para 2.5m. Es notoria la diferencia en la amplitud entre la temperatura superficial y la temperatura a 2m, así como el corrimiento en los picos de cada una de ellas que casi se solapan dando mayores ventajas en la utilización del sistema, esto claramente refuerza el hecho de la ventaja que hay entre el potencial del el sistema en zonas con presencia de estaciones respecto a zonas ecuatoriales. En la Figura 25 se observa la variación de la Temperatura del terreno en función de la profundidad para diferentes frecuencias de tiempo para Sevilla España, el valor de hora a evaluar corresponderá a las frecuencias de oscilación tal y como se muestran en la Tabla 3 manteniendo la misma referencia que se ha manejado para el análisis de los climas tratados en esta sección. Se encuentra que la estabilidad de las temperaturas (límite neutro) se logra, una vez más, cercano a los 7 metros con temperaturas más distribuidas a poca profundidad. Se observa una mayor de distribución causado por el efecto estacional. Sin embargo se observa mayor amplitud a una profundidad de 2m entre los límites máximos y mínimos de variación de temperaturas. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 42 Figura 25. Gráfico de la temperatura en función de la profundidad para la ciudad de Sevilla, T1 corresponde a la temperatura en tiempos de excitación de 24h, T2 a 2562h, T3 a 1832, T4 a 1467, T5 a 5847 y T6 a 7672. Figura 26. Comportamiento climático de la ciudad de Estocolmo, Suecia la línea roja “Tbs” es la temperatura atmosférica y “Tm”, la línea azul, es la temperatura media acumulativa en función del tiempo. • Estocolmo: es la capital Suecia, se ha escogido como representante de las ciudades con estaciones por su severidad climática en invierno. Geográficamente se encuentra en una latitud alta y está rodeada por grandes masa de agua (mar Báltico y Lago Mälaren) esto hace que la humedad sea POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 43 habitualmente alta en verano. La temperatura media anual promedio es de 5.4°C, e igual que con el archivo climático en Sevilla, la temperatura media anual acumulativa varia a lo largo del año, siendo de nuevo una de las principales ventajas para la aplicación del sistema para aprovechar este reservorio termodinámico (Figura 26). Para el análisis de las temperaturas a diferentes profundidades en función del tiempo (Figura 27) y de las temperaturas en función de la profundidad a diferentes tiempos (Figura 28) se utilizaron los parámetros que se resumen en la Tabla 10. Parámetros de entrada para el análisis de temperatura del terreno para la ciudad de Estocolmo Suecia. Tabla 10. Parámetros de entrada para el análisis de temperatura del terreno para la ciudad de Estocolmo Suecia. Parámetro Símbolo Unidad Valor Temperatura promedio Anual Ts °C 18.8 Conductividad térmica promedio del suelo k W/mK 0.84 Calor especifico Cp J/kgK 1840 Densidad promedio ρ Kg/m3 1843.3 Valor de la temperatura mínima Tmin °C -19.87 Hora en el que sucede la temperatura mínima tcorr h 1078 Figura 27. Gráfico de la temperatura en función del tiempo en horas para las 8760 horas del año para la ciudad de Estocolmo, T1 corresponde a una profundidad de 0m, T2 a 0.5m, T3 a 1m, T4 a 2m y T5 a 2.5m. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 44 En la Figura 27 se puede observar la variación de la temperatura en función del tiempo a diferentes profundidades para la ciudad de Estocolmo, correspondiendo T1 a la variación de la temperatura a la profundidad de 0m (superficie), T2 para 0.5m, T3 para 1m, T4 para 2m y T5 para 2.5m. De nuevo y comparando con el caso de Sevilla, es notoria la diferencia en la entre la temperatura superficial y la temperatura a 2m, así como el corrimiento en los picos de cada una de ellas cuyos máximos y mínimos presentan un corrimiento de casi 3 meses. En la Figura 28 se observa la variación de la Temperatura del terreno en función de la profundidad para diferentes frecuencias de tiempo para Estocolmo, el valor del tiempo a evaluar corresponderá a las frecuencias de oscilación tal y como se muestran en la Tabla 3 manteniendo la misma referencia que se ha manejado para el análisis de los climas tratados en esta sección. Se encuentra que la estabilidad de las temperaturas (límite neutro) se logra, una vez más, cercano a los 7 metros con temperaturas menos distribuidas a poca profundidad. Es la ciudad de las evaluadas en la que se observa mayor amplitud entre los límites máximos y mínimos de variación de temperaturas a una profundidad de 2m. Figura 28. Gráfico de la temperatura en función de la profundidad para la ciudad de Estocolmo, T1 corresponde a la temperatura en tiempos de excitación de 24h, T2 a 2562h, T3 a 1832, T4 a 1467, T5 a 5847 y T6 a 7672. 2.1.2. Análisis de resultados de los modelos analíticos aplicados a 6 climas de países ecuatoriales y dos climas extremos de países de alta latitud. Después de haber evaluado el modelo analítico a 6 ciudades Colombianas, las cuales no presentan estaciones, y 2 ciudades con presencia de estaciones en el hemisferio norte, representativas de severidad climática tanto en verano, para Sevilla, como en invierno, para Estocolmo, se obtienen conclusiones POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 45 preliminares sobre el potencial del terreno como reservorio termodinámico para usarse en el acondicionamiento de aire ingresando o extrayendo energía al aire para el acondicionamiento de espacios habitados. Es importante anotar que la selección de los lugares para esta primera parte se basó en una selección de varias ciudades de comportamiento estable respecto a la temperatura media anual, en las cuales el terreno tienen comportamiento limitado por el valor de la temperatura media anual atmosférica, el cual puede ser utilizado en acondicionamientos en horas del día donde las diferencias entre el aire atmosférico y la temperatura del terreno sea evidente. Adicional a lo anterior, se definieron dos lugares con presencia de estaciones y así poder comparar ventajas en lo que respecta corrimientos de la señal atenuada de temperaturas y potenciales de las mismas en función de la profundidad. Para la realización de las conclusiones parciales del estudio del comportamiento del terreno como reservorio termodinámico, se define desarrollar la comparación en función de tres parámetros base, el primero es el comportamiento de la temperatura atmosférica, donde se intentará mostrar el comportamiento y severidad de cada uno de los climas. El segundo estará orientado a la variación de las temperaturas en el tiempo a profundidades de 0 y 2 metros. El tercer parámetro es la diferencia de temperaturas máximos y mínimos durante el año para el terreno evaluada a los 2 metros de profundidad. Tabla 11. Datos resumen según parámetros de comparación y propiedades del terreno base para el análisis. Ciudad Altura (m.s.n.m) Datos del terreno usado para el análisis Tm (°C) Tmin (°C) Ta (°C) tcorr (h) tcorr (días) Tmax2 (°C) Temin2 (°C) Tdif (°C) k (W/mK) ρ (kg/m) C (J/kgK α (m2/h) Barranquilla 6 0.84 1843.3 1840 0.000891596 27.34 20.34 7.0 558 23.3 29.3 25.4 3.9 Chachagüi 1706 0.84 1843.3 1840 0.000891596 18.84 9.908 8.9 7422 309.3 21.4 16.3 5.0 Cali 960 0.84 1843.3 1840 0.000891596 23.79 14.54 9.3 6582 274.3 26.4 21.2 5.2 Leticia 80 0.84 1843.3 1840 0.000891596 25.7 16.28 9.4 3798 158.3 28.3 23.1 5.3 Rionegro 2124 0.84 1843.3 1840 0.000891596 16.53 3.476 13.1 366 15.3 20.2 12.9 7.3 Bogotá 2600 0.84 1843.3 1840 0.000891596 13.26 -0.3026 13.6 372 15.5 17.1 9.4 7.6 Sevilla 7 0.84 1843.3 1840 0.000891596 18.18 0.6768 17.5 1064 44.3 23.1 13.3 9.8 Estocolmo 24 0.84 1843.3 1840 0.000891596 5.307 -19.87 25.2 1078 44.9 12.4 -1.8 14.2 En la Tabla 11. Las primeras 6 columnas describen el lugar de evaluación, donde los datos para el análisis del terreno según la Ec. 4 son promedios representativos para la tierra de la conductividad térmica “k” en W/mK, la densidad “ρ” en kg/m3 , el calor específico “C” en J/kgK y la difusividad térmica “α” en (m2/h). Las columnas 7 a la 11, describen el comportamiento térmico del clima determinando en centígrados la temperatura media anual para el sitio, la temperatura mínima, la amplitud de la temperatura (diferencia entre la temperatura media anual y la temperatura mínima) y el tiempo en el año en horas y en días en que se presenta la temperatura mínima (se toma como un corrimiento desde el inicio del año y se expresa en forma de desplazamiento en la función senoidal del clima). POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 46 En las columnas finales, de la 12 a la 14, se muestran los parámetros de comparación resultados del análisis donde “Tmax2” y “Tmin2”, hacen referencia a la Temperatura máxima y mínima que se presentan en el año a 2 metros de profundidad según la Ec. 7; “Tdif” es la amplitud del rango de temperatura que se puede presentar a 2 metros durante el año determinado en función de la diferencia entre el Tmax2 y el Tmin2. De los climas evaluados, y referente a la altura sobre el nivel del mar, se encontró una diferencia clara y ya conocida entre los países que se sitúan en zonas ecuatoriales con los que se encuentran en latitudes altas, la ausencia de estaciones provocada por el pequeño valor del ángulo de zenital durante el año, hacen que la radiación en el lugar sea constante y la diferencia entre un sitio y el otro se vea determinada por el piso térmico donde se encuentra. Es así como a medida que va aumentando la altura, la temperatura media anual va disminuyendo (Figura 29) y debido a que su comportamiento térmico presenta una variación en rangos regulares, la severidad climática para la definición de estos estará relacionada primordialmente en función de la altura. Los países localizados en latitudes altas con presencia de estaciones se deben clasificar en función de lo severo que es tanto el verano como el invierno y la comparación de los mismo no es función solamente de la temperatura media anual, es así como aunque Sevilla tienen una temperatura media anual cercana a la de Chachagüi, la severidad climática en verano es mucho más fuerte. Figura 29. Barras de temperatura media para los diferentes climas evaluados. La temperatura en el suelo a diferentes profundidades y su diferencia respecto a la temperatura atmosférica, determinarán el potencial del terreno como reservorio termodinámico, este es el segundo parámetro de comparación. En las Figuras que hacen referencia a la variación de temperaturas respecto al tiempo de la sección anterior (Figura 66, Figura 99, Figura 1212, Figura 155, Figura 188, Figura 2121, Figura 244 y Figura 277), se puede observar que la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura a 2 metros de la superficie, ofrece en rangos de tiempo determinados, valores que pueden ser aprovechados para acondicionar aire, tanto en refrigeración como en calefacción. Estas diferencias alcanzan hasta 25°C para Estocolmo y 13°C para Bogotá. 0 5 10 15 20 25 30 Tm (°C) POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 47 La profundidad a la que debe instalarse el sistema de tubos enterrados para acondicionamiento de aire debe estar lo más cerca posible al lugar donde se alcanza la temperatura neutra (cercana a los 7 metros según el análisis en la sección 2.1.1, para condiciones de terreno definidas) y que puede llegar hasta los 15 metros dependiendo del sitio [1], situación que no siempre es posible debido a factores de viabilidad económica o técnica, por tal razón se determina una profundidad de 2 metros como nivel factible constructivo y de comportamiento térmico relativamente constante. Para evaluar el potencial del reservorio para el análisis anterior se determina la máxima y mínima temperatura que puede presentarse a 2 metros de profundidad según el análisis presentado al principio de este capítulo. Esta diferencia califica al menor valor como el del comportamiento más estable. Se observa en la Figura 30 y en la Tabla 11 que los climas de temperatura media anual alta, presenten estaciones o no, logran menores diferencias logrando profundidades neutras más cercanas a la superficie. La amplitud de la señal, indicativo de la diferencia de la temperatura entre la neutra y la máxima y mínima superficiales, es mayor para lugares con presencia de estaciones que para países ecuatoriales, sustentando la limitación del sistema en los últimos. Los lugares con temperatura media bajas, tengan o no estaciones, presentan las mayores amplitudes. Figura 30. Diferencia de Temperaturas 2.2. ANÁLISIS DE LA TEMPERATURA DEL SUELO MEDIANTE DIFERENCIAS FINITAS. El análisis mediante diferencias finitas que se basa en la discretización del suelo en pequeños pedazos los cuales se tomarán como una diferencia de masa cuyo conjunto forman el sistema en estudio, en este caso el suelo. Cada una de estos posee una resistencia térmica la cual simularán los procesos de transferencia 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 Tdif (°C) POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 48 de calor a través del suelo en estado estable y en una sola dimensión (en dirección de la profundidad), manteniendo la teoría del comportamiento del suelo como solido semi-infinito. A continuación se muestra la construcción del modelo y las pruebas del mismo aplicado a los mismo 8 climas estudiados en el numeral anterior. 2.2.1. Análisis termodinámico en función de las resistencias térmicas. Para interpretar el fenómeno energético de lo que sucede en el suelo se plantea el balance de energía para cada una de las diferencias finitas, donde los nodos, los cuales representan las temperaturas, son las condiciones de frontera las cuales delimitan el flujo de calor que atraviesa el elemento. El objeto final de este análisis es precisamente determinar el flujo de calor en función de las temperaturas en los nodos. Como se observa en la Figura 31, el circuito térmico está compuesto en la superficie del terreno por un nodo que indica la temperatura superficial al cual llega la irradiación solar, de este sale una resistencia convectiva y otra radiante, la primera interactuando con el aire que se encuentra a temperatura ambiente y la segunda interactuando con el cielo; una tercera resistencia indica el flujo de calor que se conduce a través de la tierra. La transferencia de calor latente no se tiene en cuenta en este análisis. El análisis se desarrollara por nodos y se construirá un sistema matricial que los interrelaciones, al final se solucionara mediante programa computacional. Este dependerá de archivos climáticos tipo los cuales son representativos para lo locación de análisis, y en la mayoría de los casos se encuentran disponibles, obteniendo así un análisis discreto para las temperaturas del terreno a lo largo del año. Para el primer nodo se tiene el siguiente balance energético (Ec. 11) 𝑞󰇗𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜=𝑞󰇗𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐+𝑞󰇗𝑟𝑎𝑑+𝑞󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 Ec. 11 Donde el flujo conductivo sigue la ley de Fourier, el convectivo sigue la Ley de enfriamiento de Newton(Ec. 12) y el radiante la ley de Stefan Boltzman (Ec. 13) suponiendo el comportamiento del terreno como una Figura 31. Circuito de resistencias térmicas que representa el comportamiento del suelo en función de la irradiación incidente. Cada resistencia será un elemento de masa Nodo superior i=1 Nodos interiores i=2N-1 Ultimo Nodo i=N POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 49 superficie gris a la cual le llega una excitación energética solar de la cual se absorbe la cantidad que describe la Ec. 14. Aplicando los dos últimos procesos se obtienen las siguientes ecuaciones de flujo de calor: 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐=ℎ𝑐 ∆𝑥�𝑇𝑠𝑢𝑝−𝑇𝑎𝑚𝑏� Ec. 12 𝑞𝑟𝑎𝑑=ℎ𝑟 ∆𝑥�𝑇𝑠𝑢𝑝−𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜� Ec. 13 𝑞𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑜=𝐼𝛼 ∆𝑥 Ec. 14 Donde 𝐼 es la irradiación incidente solar sobre la horizontal, 𝛼 es la absorsividad de la superficie, ℎ𝑐 𝑦 ℎ𝑟 son los coeficientes de transferencia de calor convectivos y radiantes, ∆𝑥 es el tamaño del diferencial en el eje x (profundidad), y 𝑇𝑠𝑢𝑝, 𝑇𝑎𝑚𝑏, 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜 son las temperaturas superficiales, ambientes y de cielo correspondientemente. La temperatura de cielo se obtiene de: 𝑇𝑐𝑖𝑒𝑙𝑜=𝜀(𝑇+273.15) Ec. 15 Donde Ec. 16 𝜀=�0.787 + 0.764𝑙𝑛�𝑇𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑐𝑖𝑜 273.15 ��𝐶𝑓𝑎𝑐 Ec. 17 𝐶𝑓𝑎𝑐= 1 + 𝐶𝑛(0.0224 −0.0035𝐶𝑛+ 0.00028𝐶𝑛2) 𝐶𝑛 es el factor de reducción debido a la nubosidad el cual varía entre 0 para un cielo totalmente despejado y 6 para uno totalmente nublado. Los coeficientes de calor convectivos y radiantes, aunque dependen de la temperatura del ambiente y del cielo así como de la velocidad del viento, se pueden aproximar a cantidades constantes promedio para las condiciones atmosféricas con valores constantes de 25W/m2K para el coeficiente de transferencia de calor convectivo y de 5W/m2K, para el coeficiente de calor radiante. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 56 Figura 35. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades para el suelo de la ciudad de Cali- Colombia. • Cali: Al ser una ciudad con temperaturas ambiente más altas que las de Bogotá, la tendencia de las temperaturas en el suelo es similar a la tendencia de la temperatura neutra (Figura 35). Comparándola con la Figura 9, se puede observar una tendencia similar del comportamiento de las temperaturas a 2 metros de profundidad. • Chachagüi: El comportamiento de las temperaturas es similar al de las ciudades estudiadas hasta el momento, es importante notar la tendencia que tienen el comportamiento de las temperaturas en cuanto a la media de este a medida que se cambia la capa de terreno, donde las capas más profundas tienden a mantener la inercia térmica de una manera más estable (Figura 36). De nuevo la tendencia del comportamiento es similar al de la Figura 12. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 57 Figura 36. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades para el suelo de la población de Chachagüi-Colombia. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 58 Figura 37. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades para el suelo de la ciudad de Barranquilla-Colombia. • Barranquilla: Como se ve en la Figura 37, al ser una ciudad con tendencia térmica alta, la instalación a 1.5 metros de profundidad es la más adecuada (bajo la suposición de que las capas constitutivas del terreno son iguales a las planteadas para la simulación), que aunque tienen mayor variabilidad la tendencia de la misma es más baja que para la capa de 2 metros. La tendencia es similar en cuando a la amplitud de onda a la que se muestra en la Figura 15. • Rionegro: Como se observa en la Figura 38, el comportamiento para la ciudad de Rionegro es similar al de las ciudades anteriormente analizadas, a profundidades bajas la tendencia media de la temperatura respecto al tiempo es menor que a profundidades altas, esto es causado por los efectos de transferencia de calor en la superficie del terreno, es así como en la Figura 39 se muestra una simulación donde se anula los efectos radiantes y convectivos y se igualan las propiedades de transporte dejando una sola capa constitutiva del terreno, obteniéndose una gráfica con tendencia similares a las del análisis teórico de la primera sección, ya se observa como las temperaturas medias del suelo a diferentes profundidades se orientan a la temperatura anual promedio. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 59 Figura 38. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades para el suelo de la población de Rionegro-Colombia. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 60 Figura 39. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades y sin efectos de convección y radiación para el suelo de la población de Rionegro-Colombia. • Leticia: El resultado de la simulación de las temperaturas del terreno a diferentes profundidades se muestra en la Figura 40. En esta se puede observar un comportamiento similar al de las otras ciudades sin presencia de estaciones destacándose, al igual que en las otras, la poca variabilidad de la temperatura a profundidades cercanas. Es así como para todas las ciudades y poblaciones estudiadas, la temperatura de la profundidad a 2 metros hace que este se comporte como un reservorio termodinámico al cual se le puede ingresar y retirar energía sin cambio de temperatura. Sigue presentándose temperaturas más bajas a profundidades menores por lo que dependiendo del fin de la aplicación puede ser as conveniente una instalación menos profunda. • Sevilla: Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 41, ya la profundidad de neutra no se obtienen a los 2 metros y la variación de la temperatura de esta es mucho más grande que para las ciudades ecuatoriales. También se marca el comportamiento del desplazamiento de los picos de temperatura a medida que aumenta la profundidad, característica que aumenta la diferencia de temperaturas entre el aire atmosférico y la temperatura del reservorio de intercambio logrando mejores rangos de desempeño. Es notorio que aunque se tengan en cuenta para el análisis los efectos radiantes y convectivos el comportamiento de las temperaturas del terreno a diferentes profundidades es más similar que para las ciudades sin presencia de estaciones comparada con los resultados del modelo matemático (Figura 24). POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 61 Figura 40. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades para el suelo de la población de Leticia-Colombia. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 62 Figura 41. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades para el suelo de la ciudad de Sevilla-España. • Estocolmo: Los resultados de la simulación para la ciudad de Estocolmo se muestran en la Figura 42, el comportamiento es similar al de la ciudad de Sevilla, pero con temperaturas medias menores. Una característica respecto al modelo matemático es que los efectos de transferencia de calor en la superficie también hace disminuir las temperaturas de las capas a profundidades menores, pero la tendencia más estable se consigue a mayores profundidades. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 63 Figura 42. Simulación en diferencias finitas de las temperaturas a diferentes profundidades para el suelo de la ciudad de Estocolmo-Suecia. 2.3. Conclusiones parciales del capítulo. El análisis de temperatura mediante métodos matemáticos demuestra que la aplicación representa en su tendencia el comportamiento de las temperaturas del terreno, sin embargo no tienen en cuenta todas las interacciones del sistema, el uso de simulaciones mediante diferencias finitas abarcan las situaciones de transferencia de calor las cuales pueden predecir mejor las profundidades de instalación del sistema según los requerimientos del diseño. Sin duda, es importante contrarrestar estas conclusiones con mediciones prácticas las cuales no se abarcan en este trabajo. Se comprueba que el comportamiento de las temperaturas del suelo en lugar con y sin estaciones es diferente, y que es más constante cuando no se presentan, esto limita el sistema pero no lo inutiliza definiendo posibilidades de aplicación del mismo. El uso de un sistema de análisis discreto genera más demoras en la generación del archivo, pero este solo debe realizarse una sola vez, ya obtenido el archivo de temperaturas del terreno solo es alimentar el software de simulación con este, cuestión favorable si se tienen en cuenta que la mayoría de los programas de calificación energética funcionan con base a archivos climáticos tipo. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 64 2.4. Bibliografía del capítulo. [1] H.S. Carslaw, J.C. Jaeger. CONDUCTION OF HEAT IN SOLIDS. Second edition, OxfordUniversity Press 1959. [2] Kasuda, T., and Archenbach, P.R. "Earth Temperature and Thermal Diffusivity at Selected Stations in the United States", ASHRAE Transactions, Vol. 71, Part 1, 1965 [3] ASHRAE. Chapter 31- Geothermal Energy. In: ASHRAE Handbook: Heating, Ventilating and Air- Conditioning APPLICATIONS. 1999. [4] Lunardi Virgil J. HEAT TRANSFER IN COLD CLIMATES.. Van Nostrand Reinhold Company. 1981. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 65 3. Capítulo 3. ESTUDIO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 72 100%) para el caso del tubo en condensación. Ra y Rv hacen referencia a la constante del gas para el aire seco y el vapor de agua correspondientemente. 𝑚󰇗𝑙𝑎𝑡=(𝑤𝑎𝑖𝑟𝑒−𝑤𝑡𝑢𝑏𝑜)𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒 Ec. 52 𝑤𝑎𝑖𝑟𝑒=𝐻𝑅%∙𝑃𝑠𝑎𝑡,𝑇𝑎𝑖𝑟∙𝑅𝑎 (𝑃𝑚−𝐻𝑅%∙𝑃𝑠𝑎𝑡,𝑇𝑎𝑖𝑟)∙𝑅𝑣 Ec. 53 𝑤𝑇𝑢𝑏𝑜=1∙𝑃𝑠𝑎𝑡,𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜∙𝑅𝑎 (𝑃𝑚−1∙𝑃𝑠𝑎𝑡,𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜)∙𝑅𝑣 Ec. 54 La cantidad de energía latente transferida está representada por la Ec. 55 en función de la masa de agua evaporada o condensada del aire, donde clat, es el calor latente del agua líquida, es: 𝑄󰇗𝑙𝑎𝑡=𝑐𝑙𝑎𝑡𝑚󰇗𝑙𝑎𝑡 Ec. 55 El calor transferido por conducción (difusión de energía) al suelo por cada uno de los cuatro lados del nodo en contacto con el suelo y a lo largo del tubo se expresa en la Ec. 56. 𝑄𝑑𝑖𝑓𝑓=�𝐴𝑖𝑘𝑖�𝑇𝑠𝑜𝑖𝑙,𝑖,𝑡−1−𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜� 𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜 +�𝐴𝑖𝑘𝑖�𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜,𝑖,𝑡−1−𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜� 𝑡𝑢𝑏𝑜 Ec. 56 Debido a que no es linear en función de las temperaturas y de los flujos de calor, se itera en función del balance energético que se presenta en la Ec. 57 , la cual se basa en el esquema del diferencial de la Figura 44. 𝑄󰇗𝑖𝑛𝑡−�𝑄󰇗𝑙𝑎𝑡+𝑄󰇗𝑠𝑒𝑛𝑠+𝑄󰇗𝑑𝑖𝑓𝑓�= 0 Ec. 57 La energía interna en función del tiempo, “𝑄󰇗𝑖𝑛𝑡" está dada por la Ec. 58, la cual expresa la energía que tenía el agua en el tiempo anterior de simulación y la ganada por el tubo. 𝑄󰇗𝑖𝑛𝑡=�𝑐𝑡𝑢𝑏𝑜∙𝑚𝑡𝑢𝑏𝑜+𝑐𝑎𝑔𝑢𝑎∙𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑡−1��𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜−𝑇𝑡𝑢𝑏𝑜,𝑡−1� ∆𝑡 Ec. 58 La masa final de agua en el tubo se determina sumando la que había en el tiempo anterior de simulación masa más la que se condensa o se evapora (Ec. 59). 𝑚𝑓,𝑎𝑔𝑢𝑎=𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎,𝑡−1+�𝑚󰇗𝑖𝑛𝑓−𝑚󰇗𝑙𝑎𝑡�∆𝑡 Ec. 59 La pérdida de presión del aire en el tubo está relacionada con la energía en función de la energía de pérdida por fricción dada por la Ec. 60. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 73 𝑄󰇗𝑓𝑟𝑖𝑐=𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒∙𝑓∙1𝑣2 2𝑑 Ec. 60 Donde “f”, es el coeficiente de arrastre, “v” la viscosidad y “d” el diámetro del conducto. La temperatura del aire al final de cada diferencial i se encuentra del balance general de energía (Ec. 61). 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑖=𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒+𝑄󰇗𝑓𝑟𝑖𝑐−𝑄󰇗𝑙𝑎𝑡 �𝑐𝑎𝑖𝑟𝑒+𝑐𝑣𝑎𝑝𝑤𝑎𝑖𝑟𝑒�𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒 Ec. 61 Donde la razón de humedad del aire es la razón actual menos la fracción del agua condensada o evaporada (Ec. 62). 𝑤𝑎𝑖𝑟𝑒,𝑖=𝑤𝑎𝑖𝑟𝑒−𝑚󰇗𝑙𝑎𝑡 𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒 Ec. 62 La unidad Type 460 para Trnsys se construye con base a este análisis, es esta la unidad que se utilizará en el desarrollo de los análisis del potencial de un sistema en el territorio Colombiano como ejemplo del comportamiento en zonas climáticas de temperaturas medias constantes a diferentes valores de las mismas. La configuración y montaje de la simulación se detallará en la siguiente sección 3.2. SIMULACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN CLIMAS COLOMBIANOS. En esta sección se muestra el análisis elaborado en Trnsys v.17 usando la unidad “Type 460” para simular el comportamiento del sistema de tubos enterrados para acondicionamiento de aire según el modelo mostrado en la sección anterior. Para esto se desarrolla un análisis de los climas Colombianos, los cuales son necesarios como datos fuentes para el montaje y la configuración de la unidad. Al final se muestran los resultados de potencial energético específico en diagramas vectoriales para El departamento de Antioquia y del global del territorio Colombiano, el análisis de los otros Departamentos se muestra en el anexo 1. Al final se concluirá parcialmente en función de todos los análisis para obtener el comportamiento del sistema aplicado al territorio Colombiano. 3.2.1. Colombia y sus climas. Colombia es un país en la región Ecuatorial que posee tres cordilleras que atraviesan su geografía, esto causa que mas de la mitad sea llano y el resto montañoso, teniendo por lo tanto, variaciones de climas a pocos kilómetros de distancia entre lugares con temperaturas que pueden cambiar en 10 grados de media descendiendo en altitud 1000 metros. Una gran parte llana se encuentra al norte y al occidente se ubican POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 74 frente a las costas con el océano atlántico y el pacífico, mientras que otra gran parte se encuentra al sur y oriente donde se encuentra la Selva amazónica y los llanos orientales. Los climas de cada una de las zonas depende de dos factores principales: el primero es la altura sobre el nivel del mar, entre más bajo más alta será su temperatura media anual; el segundo es la humedad relativa, y aunque depende de los elementos geográficos que rodean al sitio, se denotan con alto nivel de humedad relativa los que quedan cerca de las zonas costera, los sitios de media montaña y la amazonia, donde la vegetación ayuda a mantener la inercia de esta propiedad sicrométrica. Figura 45. Foto satelital de Colombia (Tomado de Google Earth), mapa político (32 Departamentos) y situación mundial. Posee 32 Departamentos pero solo serán simulados 31, se excluye San Andrés y Providencia que son islas ubicadas al norte del país, debido a la falta de archivos climáticos. Cada Departamento se representará en la simulación con un número determinado de Municipios, número que variará dependiendo de las presencia de alturas geográficas y tamaño del mismo, es así como Departamentos con mayor presencia de montañas tendrá mayor número de municipios que lo representan mediante un área dentro del mismo [8]. Los municipios incluidos en el análisis se listan en la Tabla 13. Al final todos ellos se reúnen en un mapa vectorial del territorio Colombiano en donde cada área representa una propiedad específica (temperatura, energía, humedad relativa, etc.) y el valor de esta corresponderá a una escala de colores referenciada a un área dentro del mapa. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 75 Tabla 13. Listado de Municipios tenidos en cuenta para la generación de los mapas vectoriales para cada Departamento GUAJIRA CESAR MAGDALENA ATLÁNTICO BOLÍVAR Albania Aguachica Algarrobo Baranoa Achí Simiti Ocamonte Barrancas Agustin Codazzi Aracataca Barranquilla Altos del Rosario Soplaviento Oiba Dibulla Astrea Ariguaní Campo de la Cruz Arenal del Sur Talaigua Nuevo Onzaga Distraccion Becerril Cerro_de_San_Antonio Candelaria Arjona Tiquisio Palmar El Molino Bosconia Chibolo Galapa Arroyo Hondo Turbaco Palmas_del_Socorro Fonseca Chimichagua Ciénaga Juan de Acosta Barranco de Loba Turbana Páramo Hatonuevo Chiriguaná Concordia Luruaco Calamar Villanueva Piedecuesta La Jagua del Pilar Curumaní El_Banco Malambo Cantagallo Zambrano Pinchote Maicao El Copey El_Piñon Manatí Carmen de Bolívar Morales Puente_Nacional Manaure El Paso El_Retén Palmar de Varela Cartagena de Indias Aguada Puerto_Parra Riohacha Gamarra Fundación Piojó Cicuco Albania Puerto_Wilches San Juan del Cesar González Guamal Polonuevo Clemencia Aratoca Rionegro Uribia La Gloria Nueva_Granada Ponedera Córdoba Barbosa Sabana_de_Torres Urumita La Jagua de Ibirico Pedraza Puerto Colombia El Guamo Barichara San_Andrés Villanueva La Paz Pijiño_del_Carmen Repelón El Peñon Barrancabermeja San_Benito Manaure "Balcón del Cesar" Pivijay Sabanagrande Hatillo de Loba Betulia San_Gil Pailitas Plato Sabanalarga Magangue Bolivar San_Joaquín Pelaya Pueblo_Viejo Santa Lucía Mahates Bucaramanga San_José_de_Miranda Pueblo Bello Remolino Santo Tomás Margarita Cabrera San_Miguel Río de Oro Salamina Soledad Maria La Baja California San_Vicente_de_Chucuri San Alberto Sabana_de_San_Angel Suán Mompox Capitanejo Santa_Barbara San Diego San_Sebastian_de_Buenavista Tubará Montecristo Carcasí Santa_Helena_del_Opon San Martín Santa_Ana Usiacurí Pinillos Cepitá Simacota Tamalameque Santa_Barbara Regidor Cerrito Socorro Valledupar Santa_Marta Rio Viejo Charalá Suata San_Zenon San Cristobal Charta Sucre Sitio_Nuevo San Estanislao Chima Suratá Tenerife San Fernando Chipata Tona Zapayán San Jacinto Cimitarra Valle_de_San_José Zona_Bananera San Jacinto del Cauca Concepción Velez San Juan Nepomuceno Confines Villanueva San Martín de Loba Contratación Zapatoca San Pablo Coromoro Santa Catalina Curití Santa Rosa El_Carmen Santa Rosa del Sur El_Guacamayo El_Peñon El_Playón Encino Enciso Florian Floridablanca Galán Gambita Girón Guaca Guadalupe Guapotá Guavata Guepsa Hato Jesus_Maria Jordán La_Belleza La_Paz Landazuri Lebrija Los_Santos Macaravita Málaga Matanza Mogotes Molagavita Vetas 15 25 30 23 36 SANTANDER 96 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 76 SUCRE CÓRDOBA CHOCÓ Buenavista Abejorral La_Pintada Ayapel Acandi Almeida Panqueba Caimito Abriaqui La_Union Buenavista Alto baudo (pie de pato) Aquitania Pauna Chalán Alejandria Liborina Canalete Atrato Arcabuco Paya Coloso Amaga Maceo Cerete Bagado Belen Paz_de_Rio Corozal Amalfi Marinilla Cienaga_de_Oro Bahia Solano (mutis) Berbeo Pesca El Roble Andes Medellín Cotorra Bajo Baudo (pizarro) Beteitiva Pisba Galeras Angelopolis Montebello Chima Bojaya (bellavista) Boavita Puerto_Boyacá Guaranda Angostura Murindo Chinu Canton de San Pablo Boyacá Quipama La Unión Anori Mutatá La_Apartada Carmen del Darien Briceño Ramiriqui Los Palmitos Anza Nariño Lorica Certegui Buenavista Raquira Majagual Apartado Nechi Los_Cordobas Condoto Busbanza Rondón Morroa Arboletes Necocli Momil El Carmen Caldas Saboyá Ovejas Argelia Olaya Montelibano Istmina Campohermoso Sachicá Palmito Armenia Peque Monteria Jurado Cerinza Samacá Sampues Bagre Pueblorico Moñitos Litoral del San Juan Chinavita San_Eduardo San Benito Abad Barbosa Puerto_Berrio Planeta_Rica Lloro Chiquinquira San_José_de_Pare San Juan De Betulia Bello Puerto_Nare Pueblo_Nuevo Medio Atrato Chiquiza San_Luis_de_Gaceno San Marcos Belmira Puerto_Triunfo Puerto_Escondido Medio Baudó (boca de pepe) Chiscas San_Mateo San Onofre Betania Remedios Puerto_Libertador Medio San Juan Chita San_Miguel_de_Sema San Pedro Betulia Rionegro Purisima Novita Chitaraque San_Pablo_de_Babur Sincé Bolivar Sabanalarga Sahagun Nuqui Chivatá Santa_Ana Sincelejo Briceño Sabaneta San_Anrdres_de_Sotavento Quibdo Chivor Santa_Maria Sucre Buritica Salgar San_Antero Rio Iro Cienaga Santa_Rosa_de_Viterbo Tolú Caceres San_Andres_de_Cerquia San_Bernardo_del_Viento Rio Quito Combita Santa_Sofía Toluviejo Caicedo San_Carlos San_Carlos Riosucio Coper Sativanorte Coveñas Caldas San_Francisco San_Pelayo San Jose del Palmar Corrales Sativasur Campamento San_Jeronimo Tierralta Sipi Covarachia Siachoque Cañasgordas San_Jose_de_la_Montaña Valencia Tado Cubara Soata Caracoli San_Juan Unguia Cucaita Socha Caramanta San_Luis Unión Panamericana Cuitiva Socota Carepa San_Pedro Duitama Sogamoso Carmen_de_Viboral San_Rafael El_Cocuy Somondoco Carolina San_Roque El_Espino Sora Caucasia San_Vicente Firavitoba Soraca Chigorodo Santa_Barbara Floresta Susacon Cisneros Santa_Fe_de_Antioquia Gachantivá Sutamarchán Cocorna Santa_Rosa Gameza Sutatenza Concepción Santo_Domingo Garagoa Tasco Concordia Santuario Guateque Tenza Copacabana Segovia Guayatá Tibaná Dabeiba Sonson Guican Tibasosa Don_Matias Sopetran Iza Tinjacá El Bejíco Tamesis Jenesano Tipacoque El_Peñol Tarazá Jerico Toca El_Retiro Tarzo La_Capilla Togui Entrerrios Titiribi La_Uvita Topaga Envigado Toledo La_Victoria Tota Fredonia Turbo Labranzagrande Tunja Frontino Uramita Macanal Tunungua Giraldo Urrao Maripí Turmeque Girardot Valdivia Miraflores Tuta Gómez_Plata Valparaiso Mongua Tutaza Granada Vegachi Mongui Umbita Guadalupe Venadillo Moniquirá Ventaquemada Guarne Venecia Motavitá Villa_de_Leyva Guatape Vigia_del_Fuerte Muzo Viracacha Heliconia Yali Nobsa Zetaquira Hispania Yarumal Nuevo_Colón Guacamayas Itagui Yolombo Oicatá Ituango Yondo Otanche Jardin Zaragoza Pachavita Jerico Paez La_Ceja Paipa La_Estrella Pajarito 26 28 30 ANTIOQUIA BOYACÁ 125 122 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 77 NORTE DE SANTANDER RISARALDA CALDAS VALLE DEL CAUCA QUINDÍO TOLIMA Abrego Apia Aguadas Alcalá Armenia Alpujarra Agua de Dios Nimaima Arboledas Balboa Anserma Andalucía Buenavista Alvarado Alban Nocaima Bochalema Belen_de_Umbria Aranzazu Ansermanuevo Calarca Ambalema Anapoima Pacho Bucarasica Dosquebradas Belalcazar Argelia Circasia Anzoategui Anolaima Paime Cáchira Guatica Chinchiná Bolívar Cordoba Armero (Guayabal) Apulo Pandi Cácota La_Celia Filadelfia Buenaventura Filandia Ataco Arbelaez Paratebueno Chinácota La_Virginia La Dorada Buga Genova Cajamarca Beltran Pasca Chitagá Marsella La Merced Bugalagrande La_Tebaida Carmen de Apicalá Bituima Puerto Salgar Convención Mistrato Manizales Caicedonia Montenegro Casabianca Bogotá Pulí Cúcuta Pereira Manzanares Cali Pijao Chaparral Bojacá Quebradanegra Cucutilla Pueblo_Rico Marmato Calima Darién Quimbaya Coello Cabrera Quetame Durania Quinchia Marquetalia Candelaria Salento Coyaima Cachipay Quipile El Carmen Santa_Rosa_de_Cabal Marulanda Cartago Cunday Cajicá Ricaurte El Tarra Santuario Neira Dagua Dolores Caparrapi San Bernardo El Zulia Norcasia El Aguila Espinal Caqueza San Cayetano Gramalote Pacora El Cairo Falán Carmen de Carupa San Francisco Hacarí Palestina El Cerrito Flandes Chaguani San Juan de Rioseco Herrán Pensilvania El Dovio Fresno Chia San Antonio del Tequendama La Esperanza Riosucio Florida Guamo Chipaque Sasaima La Playa Risaralda Ginebra Herveo Choachí Sesquilé Labateca Salamina Guacarí Honda Chocontá Sibaté Los Patios Samana Jamundí Ibagué Cogua Silvania Lourdes San Jose La Cumbre Icononzo Cota Simijaca Mutiscua Supía La Unión Lérida Cucunubá Soacha Ocaña Victoria La Victoria Líbano El Colegio Sopo Pamplona Villamaría Obando Mariquita El Peñón Subachoque Pamplonita Viterbo Palmira Melgar El Rosal Suesca Puerto Santander Pradera Murillo Facatativa Supatá Ragonvalia Restrepo Natagaima Fómeque Susa Salazar Riofrío Ortega Fosca Sutatausa San Calixto Roldanillo Palocabildo Funza Tabio San Cayetano San Pedro Piedras Fúquene Tausa Santiago Sevilla Planadas Fusagasuga Tena Sardinata Toro Prado Gachalá Tenjo Silos Trujillo Purificación Gachancipá Tibacuy Teorama Tuluá Rioblanco Gacheta Tibirita Tibú Ulloa Roncesvalles Gama Tocaima Toledo Versalles Rovira Girardot Tocancipá Villa Caro Vijes Saldaña Granada Topaipí Villa Rosario Yotoco San Antonio Guachetá Ubalá Yumbo San Luis Guaduas Ubaque Zarzal Santa Isabel Guasca Ubaté Suárez Guataquí Une Valle de San Juan Guatavita Utica Venadillo Guayabal de Siquima Venecia Villahermosa Guayabetal Vergara Villarrica Gutierrez Viani Jerusalén Villagomez Junín Villapinzón La Calera Villeta La Mesa Viota La Palma Yacopi La Peña Zipacón La Vega Zipaquirá Lenguazaque Machetá Madrid Manta Medina Mosquera Nariño Nemocón Nilo 40 14 27 42 12 47 CUNDINAMARCA 117 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 78 ARAUCA CASANARE VICHADA META HUILA CAUCA GUAINÍA GUAVIARE CAQUETÁ Arauca Aguazul Cumaribo Acacías Acevedo Almaguer Barrancominas Calamar Albania Arauquita Chámeza La Primavera Barranca_de_Upia Agrado Argelia Inirida El_Retorno Belén Andaquies Cravo Norte Hato Corosal Puerto Carreño Castilla_La_Nueva Aipe Balboa La Guadalupe Miraflores Cartagena del Chaira Fortul La Salina Santa Rosalía Cabuyaro Algeciras Bolívar Mapiripana San_José_del_Guaviare Curillo Puerto Rondón Maní Cubarral Altamira Buenos Aires Morichal Nuevo El Doncello Saravena Monterrey Cumaral Baraya Cajibio Pana Pana El Paujil Tame Nunchía El_Calvario Campoalegre Caldono Puerto Colombia Florencia Orocué El_Castillo Colombia Caloto San Felipe La Montañita Paz de Ariporo El_Dorado Elias Corinto Cacahual Milán Pore Fuente_de_Oro Garzón El Tambo Morelia Recetor Granada Gigante Florencia Puerto Rico Sabanalarga Guamal Guadalupe Guapi San Vicente del Caguan Sácama La_Macarena Hobo Inza San José de Fragua San Luis de Palenque La_Uribe Iquira Jambaló Solano Támara Lejanias Isnos La Sierra Solita Tauramena Mapiripan La Argentina La Vega Valparaíso Trinidad Mesetas La Plata López de Micay Villanueva Puerto_Concordia Nataga Mercaderes Yopal Puerto_Gaitan Neiva Miranda Puerto_Lleras Oporapa Morales Puerto_Lopez Paicol Padilla Puerto_Rico Palermo Páez Restrepo Palestina Patia (El Bordo) San_Carlos_de_Guaroa Pital Piamonte San_Juan_de_Arama Pitalito Piendamo San_Juanito Rivera Popayán San_Martin Saladoblanco Puerto Tejada Villavicencio San Agustín Purace Vistahermosa Santa Maria Rosas Suaza San Sebastián Tarqui Santa Rosa Tello Santander de Quilichao Teruel Silvia Tesalia Sotara Timana Suárez Villavieja Sucre Yaguara Timbío Timbiquí Toribio Totoro Villa Rica 719 429 37 41 9 4 16 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 79 Como ejemplo se muestra en la Figura 46 la temperatura ambiente promedio por mes, donde los colores más claros corresponden a las temperaturas medias mensuales más bajas y los colores más oscuros las temperaturas medias mensuales más altas. NARIÑO PUTUMAYO VAUPÉS AMAZONAS Alban Colon Carurú El Encanto Aldaña Mocoa Mitú La Chorrera Ancuya Orito Pacoa La Pedrera Arboleda Puerto_Asis Papunaua La Victoria Barbacoas Puerto_Caicedo Taraira Leticia Belen Puerto_Guzman Yavaraté Mirití-Paraná Buesaco Puerto_Leguizamo Puerto Alegría Chachagui San_Francisco Puerto Arica Colon(Genova) San_Miguel Puerto Nariño Consaca Santiago Puerto Santander Contadero Sibundoy Tarapacá Cordoba Valle_del_Guamez Cuaspud Villagarzon Cumbal Cumbitara El Charco El Peñol El Rosario El Tablón El Tambo Funes Guachucal Guaitarilla Gualmatan Iles Imues Ipiales La Cruz La Florida La Llanada La Tola La Unión Leiva Linares Los Andes Sotomayor Magui Payan Mallama Mosquera Nariño Olaya Herrera Ospina Pasto Pizarro Policarpa Potosi Providencia Puerres Pupiales Ricaurte Roberto Payan Samaniego San Bernardo San Lorenzo San Pablo San Pedro de Cartago Sandona Santa Barbara Santacruz Sapuyes Taminango Tangua Tumaco Tuquerres Yacuanquer 64 13 611 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 80 Figura 46. Mapas vectoriales que representan la temperatura de Colombia para cada mes del año. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 81 Como se ve en la Figura 47, el mapa vectorial se relaciona el comportamiento de la temperatura y la distribución geográfica en relación con la altura, esbozándose los valles de los ríos Magdalena y Valle, las zonas llanas del oriente, la costa y Amazonas. Las temperaturas medias mensuales para Colombia oscilan entre los 8°C hasta los 32°C, lo que ofrece una diversidad de situaciones en cuanto zonas climáticas, sin embargo al ser un país ecuatorial, no hay presencia de estaciones, sino de temporadas secas y de precipitaciones. Esto hace que las temperaturas para los diferentes meses tengan tendencias prácticamente iguales. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 88 Fila de parámetros de los nodos de simulación en esta línea se define el número de módulos, número de secciones, numero de superficies de suelos, y numero de nodos en las orientaciones X, Y y K. Vectores de definición de los diferenciales entre nodos Dx, Dy y Dz. El tamaño del vector está definido por el número de nodos de la línea anterior y el valor de cada elemento del vector es la diferencia en metros que hay entre nodo y nodo. Vector y matrices que definen la instalación de los I.C.T.A. El primer vector define la conformación por sección del conjunto del terreno y el tubo, la longitud del vector será igual al número de nodos en X ya que para cada nodo en X se define la sección (ver Figura 49) Las siguientes matrices definen los valores de las secciones, la primera y la última son adiabáticas (el”0” identifica superficies adiabáticas o el nodo donde está el tubo en la sección) y las secciones interiores referidas al primer vector las secciones interiores. Parámetro de definición de las propiedades de transporte del terreno y del material del tubo así como los lugares donde se realiza las infiltraciones de agua en caso de haberlas. Los primeros 3 datos son la ubicación del nodo diagonal superior al nodo del tubo donde sucede la infiltración, los siguientes tres datos corresponden al nodo diagonal inferior. La siguiente fila hace referencia a los factores para el cálculo del coeficiente convectivo, estos hacen referencia a la (Ec. 45). La siguiente fila hace referencia a la difusividad térmica del suelo y el calor especifico del mismo, cada fila corresponde a cada uno de los suelos. La siguiente corresponde a las propiedades del tubo, siendo el espesor en metros, la conductividad térmica y el coeficiente de fricción. La siguiente fila indica el tipo de flujo de agua (entrante=1, estanco=0 o saliente=-1) y la velocidad del mismo. Los siguientes valores definen las temperaturas y posiciones de las mismas iniciales. Esta últimas hacen referencia a salidas opcionales, en la simulación no se solicitará ninguna. 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 78 79 80 81 82 .83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 Figura 50. Archivo paradef.par ejemplo explicando sus componentes. Archivo t omado de TYPE 460: HYPOCAUST (AIR- TO-SOIL EXCHANGER). Manual Trnssolar. http://www.trnsys.de/download/en/ts_type_460_en.pdf. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 89 Una vez determinados las unidades del montaje en la tabla es imprescindible realizar las conexiones entre estas, la Figura 51 muestra las correspondencias entre las salidas y las entradas. Type 109-TMY2 T.Amb Humedad Relativa Presión atmosférica Type 109-TMY2 Type 57-1 Salida Type 57-1 Entrada Type 57-2 Salida Type 57-2 Entrada Psicrometría 1 Razón de humedad Entalpía Densidad de la mezcla Psicrometría 1 Humedad Relativa Presión Temperatura bulbo seco Psicrometría 2 Entalpía Densidad de la mezcla Psicrometría 2 Humedad Relativa Presión Temperatura bulbo seco Energía aire Qpair Energía aire Razón de humedad Entalpía entrada Densidad entrada Entalpía de salida Suma Energ. Qtot Suma Energ. Qsens Qlat TYPE 460 Temp. Salida Hum. Rel. Salida Fluj. Energía Sensible Fluj. Energía Latente TYPE 460 Tempe. Entrada aire. Tsurf. Hum. Rel. Entrada aire. Pres. de aire TYPE 25C TYPE 25C Entrada 1 Entrada 2 Entrada 3 Entrada 4 Entrada 5 Entrada 6 Entrada 7 Entrada 8 Entrada 9 Entrada 10 Entrada 11 System Plotter System Plotter Izquierda 1 Izquierda 2 Derecha 1 Derecha 2 Figura 51. Gráfico de conexiones entre unidades para el montaje en Trnsys. Complementando la configuración se presenta en la Figura 52 la imagen del archivo de configuración paradef.par, especificando cada uno de las condiciones de la instalación de prueba que se encuentra en las instalaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica la cual tiene las condiciones de terreno definidas en la Tabla 1 y los parámetros geométricos definidos en la experiencia mostrada en el capítulo siguiente para el tubo de PVC de 0.1016m (4in) de diámetro con una longitud de 22 metros a 2 metros de profundidad. Cada una de las simulaciones será evaluada con un flujo másico de aire de 0.1135kg/s correspondiente a una velocidad promedio de 14m/s. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 90 El sistema no tendrá en cuenta infiltraciones de agua por lo que la energía latente solo será causada por el agua condensada o evaporada del aire, y el diámetro definido es de 0.09m como resultado de la Ec. 66. Continúa…… ….Aquí Figura 52. Archivo paradef.par para la simulación de los I.C.T.A.. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 91 3.2.2. Montaje en el TrnsEdit para automatizar las corridas de las simulaciones por Departamentos. El análisis para Colombia de los Intercambiadores de Calor Tierra Aire se desarrolla usando el montaje realizado en Trnsys 17 evaluando los climas determinados en la sección 3.2.1. con la misma configuración de terreno y constructivos. Los resultados evaluados serán la temperatura de salida del sistema y las energías de refrigeración, calefacción y totales transferidas por el sistema de o hacia el terreno. Debido a la cantidad de Municipios que conforman cada uno de los Departamentos, y que a cada uno de ellos hay que hacer una simulación particular para al final agrupar los resultados, se utilizó el programa TrnEdit con el cual se puede realizar análisis paramétrico cambiando directamente sobre el programa escrito en Trnsys la línea donde se define el archivo climático. Los mapas vectoriales son la unión de pequeños mapas representados cada uno por un municipio, es decir el mapa de Colombia estará compuesto por 1123 mapas, y grupos de estos tal y como se expresan en la Tabla 13, construyen los mapas de los Departamentos. TrnEdit de Trnsys permite cargar más de 200 climas consecutivamente sin necesidad de remplazar los archivos climáticos en la unidad type 109-TMY2 y a su vez modificando el nombre del archivo externo de la unidad 25c para poder referenciar los resultados de los datos analizados. El archivo de configuración de Trnsys es del tipo .dck (TRNSYS Input File). Al abrir el archivo se verán todas las unidades que se utilizaron en el montaje (Figura 53). El archivo climático que se deben cargar, se refiere a la sección de parámetros “PARAMETERS 4” de la unidad 109-TMY2 (Figura 54), los cuales son: 2 ! 1 Data Reader Mode LU_METEO ! 2 Logical unit 4 ! 3 Sky model for diffuse radiation 1 ! 4 Tracking mode Donde el segundo parámetro hace referencia a una unidad lógica (dirección de programa mediante variable) donde se referencia el archivo climático a usar, por lo que se configura el TrnEdit para que la modifique según la lista de Municipios. Para relacionar la unidad lógica a los archivos climáticos se crea la variable LU_METEO la cual irá cambiando la referencia de la unidad para el desarrollo del análisis paramétrico según lo que se asigne al final del archivo con la siguiente línea: ***External files ASSIGN "C:\Trnsys17\MyProjects\Weather\Meteonorm\Central-South-America\CO-Bogota- Eldorado-802220.tm2" 30 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 92 Figura 53. Imagen de una sección del archivo de configuración de Trnsys, al final se ve el encabezado donde comienza la configuración de la unidad climática (Type 109). Figura 54. Sección del archivo de Trnsys, detalle de los parámetros de la unidad climática. Esta irá cambiando el valor asignado según el número de municipios que se vayan a simular (Figura 55). El valor de la unidad lógica debe ser diferente a cualquiera que se les asigne a todas las otras unidades y procesos que realice Trnsys, los valores regulares se encuentran regularmente del 1002 en adelante (hasta aproximadamente 1250 sin presentar ningún problema) POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 93 Figura 55. Extracto del archivo de Trnsys donde se muestra un ejemplo de la asignación de los Municipios de la Guajira a cada unidad lógica. Para declarar la variable en el programa debe usarse el código “CONSTANTS 1” donde el 1 hace referencia al número de variables a declarar (Figura 56). Además de variar el archivo climático se debe cambiar el nombre del archivo de salida para almacenar cada uno de los análisis, para esto se define una nueva variable denominada “LU_OUT”, la cual será relacionada en la sección correspondiente al Type 25c (Figura 56). El número inicial de la variable es 51 el cual puede llegar hasta 85 sin presentar problemas, para el caso de estudio se utilizarán dos archivos de salida el 51 y el 52 correspondientes a “datossalida1.out” y “datossalida2.out”, el cual depende del número de datos que sean almacenados en cada uno y que posteriormente serán analizados en Excel para la generación de los archivos vectoriales. Para correr el programa se debe construir una tabla paramétrica para la generación de la lista de variables. En el programa TrnEdit, usando la opción “New Table “ en el menú “Parametrics” (Figura 57), se despliega una ventana como se muestra en la Figura 58, en esta se define las variables que contendrá la tabla, en este caso LU_METEO y LU_OUT definiendo también el número de veces que se deben correr, en este caso 15 ya que es el número de archivos climáticos que se simularán, de los cuales los dos primeros se almacenarán en el archivo de salida referenciado con la unidad lógica 51 (datossalida1.out) y los restantes con la 52 (datos salida2.out). Una vez obtenidos los resultados se cargan en Excel donde se encuentra los mapas vectoriales para ser presentados en función de la potencia tanto de refrigeración como de calefacción. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 94 Figura 56. Extracto del archivo de definición de Trnsys referido a la configuración del type 25c. Se observa la definición de la constante LU_OUT con valor 51 para iniciar y dar nombre de salida del archivo de “datossalida1.out”. Figura 57. Ubicación de la opción “New Table” en el programa TrnEdit. Figura 58. Ventanas para definir la tabla (Izquierda) y la tabla con los valores a simular (derecha). POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 95 3.2.3. Resultados análisis de potencia para Colombia. A continuación se muestra el resultado de energía por unidad de tiempo y masa en difusión (refrigeración) y absorción (calentamiento) para dos departamentos de Colombia, Amazonas y Antioquia, para los departamentos restantes, los resultados se muestran en el anexo 1. Al final se compila el conjunto de todos los resultados en el mapa general del país. Comentarios generales se darán al final de los resultados y conclusiones finales luego de cada uno de los mapas. 3.2.3.1. Potencia de refrigeración. Amazonas: Es el Departamento más al sur del territorio Colombiano, es relativamente llano y contiene la parte de la selva amazónica que le pertenece a Colombia, es húmedo con temperaturas medias altas (Figura 40), su capital es Leticia. En la Figura 59 se presentan los resultados de Potencia por mes para el Departamento del Amazonas, los valores correspondientes de los municipios que la componen se puede determinar en la Figura 60. Para determinar la energía especifica en kJ de energía por kg de aire que pasa por la tubería, hay que dividir por el flujo másico que se definió en la simulación, el resultado se puede detallar en la Figura 61, el valor para cada municipio se puede determinar de la Figura 62. Debido a que este cálculo es relativamente sencillo y con el ánimo de no extender demasiado el documento, solo se presentará los resultados para la potencia para el resto de los Departamentos que se muestran en el anexo 1. Aunque en Enero se tiene valores altos de potencia y energía específica debido a la inercia de la función desde los valores iniciales, el resto del año mantienen esta disipación de energía presenta un comportamiento estable en un rango de 0.56kJ/kg (44.7W, en función del flujo másico de aire del sistema) a 2.08kJ/kg (167.4W) en promedio, determinando una potencia de refrigeración baja comparada con otras zonas del país. La mayor cantidad de energía en refrigeración corresponde a los meses intermedios omitiendo el mes de Enero, destacando las poblaciones del Encanto, la Chorrera, Puerto Alegría y Puerto Arica. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 96 Figura 59. Resultados en energía por unidad de tiempo por mes para el Departamento del Amazonas. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 97 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 104 Figura 64. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Antioquia (3/4). Figura 64. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Antioquia (4/4). 3.2.3.2. Potencia de Calefacción. 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 La_Estrella La_Pintada La_Union Liborina Maceo Marinilla Medellín Montebello Murindo Mutatá Nariño Nechi Necocli Olaya Peque Pueblorrico Puerto_Berrio Puerto_Nare Puerto_Triunfo Remedios Rionegro Sabanalarga Sabaneta Salgar San_Andres_de_Cerquia San_Carlos San_Francisco San_Jeronimo San_Jose_de_la_Montaña San_Juan San_Luis San_Pedro Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 San_Pedro_1 San_Rafael San_Roque San_Vicente Santa_Barbara Santa_Fe_de_Antioquia Santa_Rosa Santo_Domingo Santuario Segovia Sonson Sopetran Tamesis Tarazá Tarzo Titiribi Toledo Turbo Uramita Urrao Valdivia Valparaiso Vegachi Venadillo Venecia Vigia_del_Fuerte Yali Yarumal Yolombo Yondo Zaragoza Prom. Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 105 Con las mismas consideraciones del primer análisis se determina la potencia de calefacción obteniéndose los siguientes resultados: Amazonas: La potencia transferida para calentar el flujo de aire que pasa a través del tubo se muestra en el mapa de la Figura 65, mientras que la energía específica en kJ/kg se muestra en la Figura 67. En las Figura 66 y Figura 68 se muestran los valores mensuales y promedio anual para cada Municipio utilizado para la generación de los mapas vectoriales. Una vez más, debido a limitaciones de espacio, para el cálculo de calefacción para este departamento se muestran los resultados para potencia y energía específica sin embargo, debido a que no es difícil determinar una en términos de la otra en función del flujo másico, para los otros departamentos se mostrará el desarrollo solo para el primer parámetro (ver anexo 2). Como se puede observar en las figuras 65 y 67 el comportamiento es regular para calefacción, siendo los meses correspondientes a la mitad del año son los que presentan un mayor potencial de calentamiento del aire. Los rangos se encuentran entre 0.56kJ/kg (44.7W) de mínima a 2.08kJ/kg (167.4W) de máxima, con una media anual para potencia de 46.4W con una desviación estándar referente a los promedios mensuales para cada población de 6.9W. Figura 65. Resultados en energía por unidad de tiempo de Calefacción por mes para el Departamento del Amazonas. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 106 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 107 Figura 66. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento del Amazonas Figura 67. Resultados en energía específica (kJ/kg) de Calefacción por mes para el Departamento del Amazonas. (1/2). 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 El Encanto La Chorrera La Pedrera La Victoria Leticia Mirití-Paraná Puerto Alegría Puerto Arica Puerto Nariño Puerto Santander Tarapacá Prom. Anual x Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 108 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 109 Figura 68. Valores de energía específica (kJ/kg) para municipios muestra del Departamento del Amazonas. Antioquia: Se adiciona el análisis de potencial de calefacción para el departamento de Antioquia en esta sección debido a su caracterización climática por la diversidad de comportamientos climáticos que posee causado por la geografía accidentada. La Figura 69 muestra el mapa vectorial para la potencia de calefacción adicionada al aire que pasa por el tubo, valores que se detallan en la Figura 70 para cada Municipio. Las poblaciones con mayor potencial se encuentran en los de mayor altura con rangos entre un mínimo de 9.38W a 113.8W, con una media anual de 65.9W con una desviación estándar de 8.5W respecto al promedio anual del Departamento. Figura 69. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento de Antioquia. 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 El Encanto La Chorrera La Pedrera La Victoria Leticia Mirití-Paraná Puerto Alegría Puerto Arica Puerto Nariño Puerto Santander Tarapacá Prom. Anual x Mes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 110 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 111 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 112 Figura 70. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Antioquia (1/4). Figura 70. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Antioquia (2/4). 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 Abejorral Abriaqui Alejandria Amaga Amalfi Andes Angelopolis Angostura Anori Anza Apartado Arboletes Argelia Armenia Bagre Barbosa Bello Belmira Betania Betulia Bolivar Briceño Buritica Caceres Caicedo Caldas Campamento Cañasgordas Caracoli Caramanta Carepa Carmen_de_Viboral Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Mes 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 Carolina Caucasia Chigorodo Cisneros Cocorna Concepción Concordia Copacabana Dabeiba Don_Matias Ebejico El_Peñol El_Retiro Entrerrios Envigado Fredonia sonson Frontino Giraldo Girardota Gómez_Plata Granada Guadalupe Guarne Guatape Heliconia Hispania Itagui_1 Ituango Jardin Jerico La_Ceja Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Mes POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 113 Figura 70. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Antioquia (3/4). Figura 70. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Antioquia (4/4). 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 La_Estrella La_Pintada La_Union Liborina Maceo Marinilla Medellín Montebello Murindo Mutatá Nariño Nechi Necocli Olaya Peque Pueblorrico Puerto_Berrio Puerto_Nare Puerto_Triunfo Remedios Rionegro Sabanalarga Sabaneta Salgar San_Andres_de_Cerquia San_Carlos San_Francisco San_Jeronimo San_Jose_de_la_Montaña San_Juan San_Luis San_Pedro Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Mes 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 San_Pedro_1 San_Rafael San_Roque San_Vicente Santa_Barbara Santa_Fe_de_Antioquia Santa_Rosa Santo_Domingo Santuario Segovia Sonson Sopetran Tamesis Tarazá Tarzo Titiribi Toledo Turbo Uramita Urrao Valdivia Valparaiso Vegachi Venadillo Venecia Vigia_del_Fuerte Yali Yarumal Yolombo Yondo Zaragoza Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Mes POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 120 Figura 71. Conglomerado para Colombia de la Potencia de calefacción (J/s) del aire que pasa por el sistema de tubos enterrados. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 121 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 122 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 123 3.3. MODELO SIMPLIFICADO. Se presenta a continuación un modelo matemático que se desarrolla con base a los presentados en la Tabla 12, pero ajustados a la simulación presentada en los numerales anteriores y datos prácticos obtenidos de instalaciones de prueba que se presentarán posteriormente. La idea es simplificar los procesos de diseño y análisis, diferenciando para el lector los pasos y requerimientos de estos. Es importante resaltar los factores que se omiten en el modelo: a. No se tienen en cuenta el efecto de calor latente. Debido a que en las simulaciones el calor latente presenta valores menores al 10% comparado a la energía en forma de calor sensible, con el objeto de simplificar el análisis, este factor no se tendrá en cuenta. Es importante entender que en climas húmedos y cálidos o en sistemas que tengan infiltraciones importantes, esta aproximación puede conllevar a errores de consideración. b. La temperatura del suelo en el lugar de instalación del Tubo por donde pasa el aire se supondrá con temperatura constante a lo largo del mismo, omitiendo diferenciales térmicos. Para compaginar esta aproximación al comportamiento del sistema, el modelo representará este mediante el coeficiente promedio de transferencia de calor convectivo “ℎ� ”. Este factor puede cambiar si los números representativos adimensionales de Reynolds y Prandtl son extremos (velocidades o muy altas o muy bajas), es importante que estos representan un flujo totalmente desarrollado. c. La temperatura de la superficie del tubo es igual a la temperatura del terreno, se supone que el material de la tubería es mucho mejor conductor del terreno y de un espesor pequeño por lo que la resistencia térmica se vuelve despreciable. Estas consideraciones, aunque críticas para condiciones específicas, representan de una manera adecuada el comportamiento de los tubos y simplifican de una manera considerable tanto el diseño como el análisis del sistema. El modelo se basa en el expuesto por el Ingeniero Singh y el profesor Sodha en 1994 el cual se compagina con los modelo de convectividad media expuesto por diferentes libros de transferencia de Calor. Este modelo posee un factor corregido de proporcionalidad obteniéndose la Ec. 67 para el caso en el que el sistema está refrigerando el aire que pasa por la tubería (la temperatura del terreno es más baja), mientras que si la temperatura del aire es más baja que la del terreno, el proceso es de calentamiento y se debe modelar con la Ec. 68. ℎ=𝐾 𝐷∗0.0041 ∗𝑅𝑒0.8𝑃𝑟0.4 Si la Temperatura del suelo >= Temperatura del aire (Calefacción) Ec. 67 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 124 ℎ=𝐾 𝐷∗0.0041 ∗𝑅𝑒0.8𝑃𝑟0.3 Si la Temperatura del suelo < Temperatura del aire (Refrigeración) Ec. 68 Existen dos instancias para el desarrollador de este tipo de dispositivos, la primera es el proceso de diseño, en la cual sabiendo un lugar (determina el tipo de terreno y las condiciones ambientales presentes en la superficie), la demanda energética a cubrir y el tipo de dispositivo de impulsión (determina la velocidad de aire dentro de la tubería), se busca la longitud del tubo (el cual debe ser comercial con lo cual se define el diámetro y las propiedades térmicas del mismo). Los pasos para aboradar esta primera situación son: a. Con el conocimiento del lugar se debe especificar el número de capas constitutivas del terreno hasta el lugar de instalación del tubo, y en conjunto con el archivo climático del lugar y el programa para determinar las temperaturas del terreno, especificar la profundidad de instalación que cumpla las expectativas de variación de temperaturas. Una opción alternativa es determinar con modelos matemáticos ondulatorios la temperatura del terreno, pero esta genera mayores imprecisiones en el cálculo. b. Con los datos de la velocidad y la geometría comercial del tubo debe determinarse el número de Reynolds del aire dentro del tubo de la forma como se expone en la Ec. 69, donde “𝜐” es la viscosidad cinemática del fluido, “D” el diámetro interno de la tubería y “V” la velocidad promedio del perfil del frente de flujo. 𝑅𝑒=𝑉𝐷 𝜐 Ec. 69 c. Con el número de Reynolds, la temperatura media del aire en el tubo calculada respecto a la temperatura máxima de entrada, la temperatura de salida deseada (la cual no debe ser inferior en el caso de refrigeración o superior en el caso de calefacción a la temperatura del terreno escogida), y las propiedades de transporte térmico y geométricas del tubo (Todas las propiedades de flujo se deben calcular a la temperatura media del aire), se puede determinar las ecuaciones simplificadas según sea el caso crítico de funcionamiento el coeficiente convectivo representativo “h”. d. De la ecuación de transferencia de calor convectivo (Ec. 70), y siendo el área de transferencia la superficial al interior del tubo, se puede obtener la longitud de diseño del tubo (Ec. 71). Es importante de mencionar que el calor será determinado en función de la teperatura de entrada y salida del aire deseadas. 𝑞=ℎ𝐴(𝑇𝑎𝑖𝑟−𝑇𝑠𝑢𝑒𝑙𝑜) Ec. 70 𝐴=𝜋𝐷2 4∗𝐿 Ec. 71 Para la etapa de análisis, los parámetros de entrada son los referentes a la geometría de la tubería y posición de instalación, y el valor de salida buscado es la temperatura del aire al final del tubo, la cual se alimentará al espacio a acondicionar. El procedimiento sigue igual los puntos a, b y c, en el d se obtienen el POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 125 calor total transferido por convección y se obtiene la temperatura de salida del análisis sicrómetrico que describe la Ec. 72. 𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎=𝑄󰇗𝑠𝑒𝑛𝑠 𝑚󰇗𝑎𝑖𝑟𝑒𝑐𝑎𝑖𝑟𝑒+𝑇𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 Ec. 72 Para ver el comportamiento de estas en diferentes climas se presenta la comparación de las simulaciones para los mismas climas evaluados en el ítem de temperaturas (capítulo 2), las ciudades de Bogotá, Cali, Chachagüi, Barranquilla, Rionegro, Leticia, Sevilla - España y Estocolmo – Suecia. Para la ciudad de Bogotá se presenta una comparación adicional con datos reales de una estación de pruebas. Todas las gráficas de comparación presentan dos grupos de datos, la línea superior muestra la temperatura del aire de salida para el Type 460 “Tf460”, la temperatura de salida del modelo simplificado “Tmodel” y la Temperatura ambiente la cual es la que posee el aire que entra al sistema. Con el fin de dar una referencia de las temperaturas se adiciona el valor de la temperatura media anual del sitio “Tmedia”. Bogotá: En la Figura 74 se muestra el análisis transitorio elaborado en el programa Trnsys v17 del modelo de Hollmuller [7] representado por el Type 460 y el modelo simplificado presentado en este numeral. Como se observa los dos modelos son similares (curvas verdes y azul) presentando una amortiguación en Figura 72. Análisis transitorio para comparar entre el Modelo de Hollmuller (type 460 para Trnsys 17) y el modelo simplificado expuesto por el autor (Tf) para la ciudad de Bogotá. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 126 la señal de la temperatura del aire de entrada, así mismo, las cantidades de energía transferida por unidad de tiempo son prácticamente iguales con diferencias marcadas en los días en los que la temperaturas ambientes son menores, suceso en el que la humedad aumenta y por lo tanto, debido a las aproximaciones del modelo, es el momento en el que mayor diferencia se presentan (Figura 74, imágenes detalla inferior, izquierdo, días secos con temperaturas altas, derecha, días con temperaturas relativas bajas con tendencia de mayor humedad). En la Figura 75 se muestra la comparación del modelo simplificado con el que representa Hollmuller (Type 460) y datos prácticos medidos y rectificados para una estación de prueba ubicada en la ciudad de Bogotá. El valor contrarrestado es la diferencia entre las temperaturas de entrada y salida del aire del sistema, esto debida a que los valores de entrada son diferentes para los análisis computacionales (“ΔTamb”), respecto a los datos medidos (“ΔTamb medidos”). Como se observa en la figura cuando la temperatura de entrada se aproxima el comportamiento de los modelos lo hacen también a los datos prácticos, tanto en refrigeración como en calefacción. Aunque los datos prácticos comprobados son limitados si predicen un buen comportamiento de ambos modelos. Figura 73. Comparación de la diferencia entre la temperatura de entrada del aire del sistema respecto a la de salida para los datos prácticos registrados en la estación de pruebas “ΔTs4 medidos”, los datos simulados del modelo representados por el Type 460 “ΔTf460” y el modelo simplificado “ΔTf modelo” para el archivo tipo y el emplazamiento de prueba de la ciudad de Bogotá. Cali: En la Figura 76 se observa la comparación entre los dos modelos evaluados con el clima de la ciudad de Cali. Se encuentran algunas diferencias no mayores a 1 grado de temperatura en la segunda mitad del año, el resto del año el comportamiento de los dos modelos simula con diferencias menores al 10%. Se destaca que para el modelo representado por el Type 460 se obtienen mayores temperaturas causado por la inercia producida por la humedad que queda dentro del tubería, es la energía latente la principal -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 4484 4496 4508 4520 4532 4544 4556 4681 4693 4705 4717 4729 4741 4773 4785 4797 4809 4821 4833 4845 4857 4869 4881 4893 4905 4917 4929 4941 4953 4965 4977 4989 5001 5013 5025 5037 5049 5061 5073 Diferencia de temperaturas (Tamb-Tout) Tiempo (h) Δ Ts4 medidos Δ Tf460 Δ Tf modelo Tamb medidos Tamb POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 127 diferencia entre los modelos, esto se soporta con el valor de energía transferida al suelo es menor que para el modelo simplificado. Figura 74. Análisis transitorio para comparar entre el Modelo de Hollmuller (type 460 para Trnsys 17) y el modelo simplificado expuesto por el autor (Tf) para la ciudad de Cali. Chachagüi: Como se observa en la Figura 77 el comportamiento de la simulación de los modelos para el clima de Chachagüi es similar a los dos anteriores. Los valores de energía transferida o retirada del aire son similares con diferencias menores al 1%, presentando regularidad durante todo el año. Esta situación de caracteriza a las zonas situadas cerca de la línea ecuatorial que no presentan estaciones. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 128 Figura 75. Análisis transitorio para comparar entre el Modelo de Hollmuller (type 460 para Trnsys 17) y el modelo simplificado expuesto por el autor (Tf) para la ciudad de Chachagüi. Barranquilla: En la Figura 78 se observa la comparación entre los modelos para la ciudad de Barranquilla, se observa que las mayores referencias entre los valores de temperatura del aire de salida del sistema se encuentran del tercer mes en adelante minimizándose en los meses iniciales los cuales corresponden a la temporada seca regular. Tanto las temperaturas de salida del aire como los flujos energéticos siguen patrones regulares durante el año, característico de una región ecuatorial, para Barranquilla, la diferencia de los modelos aparece después del cuarto mes pero con valores no es mayores a un grado centígrado, correspondiendo aproximadamente al 10%. Una vez más, debido a que el modelo representado por el Type 460 genera temperatura de salidas más elevadas en refrigeración, la energía transferida al suelo es menor. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 129 Figura 76. Análisis transitorio para comparar entre el Modelo de Hollmuller (type 460 para Trnsys 17) y el modelo simplificado expuesto por el autor (Tf) para la ciudad de Barranquilla. Rionegro: En la Figura 79 se observa la comparación entre los dos modelos simulada en el clima de la ciudad de Rionegro. El comportamiento de ambos modelos en este ambiente se aproximan bastante por lo que las diferencias entre ellos es pequeña. Su comportamiento es regular durante el año por lo que las potencias tanto en refrigeración como en calefacción, aunque limitadas, se mantienen constantes durante el mismo, esto permite que las condiciones de desempeño del sistema estabilicen el comportamiento de acondicionamiento de aire facilitando el diseño o selección de equipos de soporte en caso de necesitarlos. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 136 del grupo de Investigación en Energías Renovables de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas en la ciudad de Bogotá. El primero es un emplazamiento de prueba con sistema de medición ubicado en la ciudad de Bogotá, y el segundo, es la conexión de este sistema de pruebas con un espacio a acondicionar. 4.1. “EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES LONGITUD Y DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A UNA PROFUNDIDAD DE DOS METROS” [1]. En este trabajo se plantea la construcción de tres sistemas de Intercambio de Calor Tierra Aire con tuberías de diferentes longitudes y diámetros pero con desempeños iguales. Los parámetros base de calificación del terreno se obtuvieron en un proyecto anterior [2]. El trabajo determina el efecto que causa en el sistema de intercambio de calor tres longitudes y diámetros diferentes a una profundidad constante de la tubería. Para esto se estableció la longitud de cada uno de los sistemas para que, en función del modelo Termohidráulico de M. De Paepe [3], suministre el flujo de aire necesitado para obtener un diferencial de temperatura óptimo para lograr un desempeño del 80%. Se tomó como valores de entrada los diámetros regulares comerciales para tubería de PVC de ventilación los cuales corresponden a 25,4mm (1”), 50,8mm (2”) y 101,6 mm (4”). El flujo másico de aire de entrada a los sistemas se determinó con caudales de extractores comerciales utilizados se presentan en la Tabla 14 y la necesidad planteada en la temperatura de salida del análisis anterior. Tabla 14. Especificaciones de los ventiladores de impulsión del sistema de pruebas en la Ciudad de Bogotá Los flujos manejados por los ventiladores fueron repartidos de diferente forma manejando las siguientes velocidades en cada tubería: intercambiador de 1” = 2,75 m/s, intercambiador de 2” = 6,08 m/s, intercambiador de 4” = 3,44 m/s El cálculo del Numero de Reynolds para cada sistema (Tabla 15) lo cual, debido a que es un flujo interno, determina un comportamiento es turbulento. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 137 Tabla 15. Numero de Reynolds para los tres intercambiadores de calor. Buscando un desempeño del 80% para el sistema se determinó las longitudes que se muestran en la Tabla 16. Tabla 16. Valores finales de longitud para la construcción de los sistemas de intercambio. Debido al espacio disponible para la instalación, los tubos se instalaron en serpentín, enterrados a una profundidad de 2 metros en la zona verde ubicada en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica detrás del bloque 4 (Figura 83). Figura 81. Zona de excavación delimitada con cinta de seguridad y fotos de excavación. Tanto las capas vegetales como las capas del terreno constitutivas se volvieron a poner tal y como estaban antes de la excavación separándolas durante el procesos de retiro de tierra. El sistema de impulsión de flujo de aire se ubicó cerca de la entrada de las tuberías y se protegió con una caseta en acero para evitar daños y vandalismo (Figura 84. Imagen de la caseta de impulsión, ubicación y componentes.Figura 84) . El sistema de medición se compone de sensores termopares tipo K para bulbo húmedo y bulbo seco cuyas lecturas se captan con un Datalloger Campbell CR 1000 (Figura 85). En la actualidad, se están instalando dos sensores de lectura de propiedades térmicas y humedad relativa para complementar las lecturas. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 138 Figura 82. Imagen de la caseta de impulsión, ubicación y componentes. Figura 83. Sistema de medición, sensores y ubicación de los mismos. Los resultados verificados registrados en un periodo de la hora 4690 a la 5070 del año se muestra en la Figura 86. Como se observa se tienen un amortiguamiento de la señal de la temperatura ambiente la cual determina un potencial tanto en refrigeración como en calefacción durante el periodo evaluado, el cual puede ser aprovechado para mejorar las condiciones de confort de espacios específicos. Los datos para la tubería de 4” así como las condiciones de funcionamiento del sistema fueron usados en la comparación de los modelos del capítulo anterior. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 139 Figura 84. Datos registrados y sustentados entre las horas 4690 a 5070 del año 4.2. EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE TUBOS ENTERRADOS HORIZONTALES EN UN RECINTO DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA. [4]. Este trabajo continúa al anterior elaborando la conexión entre el sistema de tubos enterrados y un salón de computo interior con una ganancia interna que tienen una situación de no confort. El propósito de este proyecto es evaluar un sistema de acondicionamiento de aire mediante tubos enterrados horizontales en un recinto de la Universidad Distrital Francisco José De Caldas Facultad Tecnológica. Inicialmente se determinó las condiciones de confort que estaban presentes antes del acondicionamiento, calculando las cargas energéticas presentes en el recinto. Las condiciones de confort se evaluaron por una serie de encuestas aplicadas a los usuarios del recinto relacionándolos con la escala de la ASHRAE orientando la evaluación al método adaptativo. La disconformidad térmica en el salón de automatización es causada por las cargas energéticas generadas por veinte sistemas de cómputo, cableado de red, el servidor de la facultad y los usuarios que utilizan esta aula de clase. 0 5 10 15 20 25 4690 4740 4790 4840 4890 4940 4990 5040 5090 5140 Temperatura (°C) Tiempo (hr-año) T.out 1" T.out 2" T.out 4" Tamb POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 140 De encuestas aplicadas a los usuarios del salón de automatización arrojó los resultados que se muestran en la Figura 86, una disconformidad por parte de las personas encuestadas. Los resultados de la encuesta, donde a pesar que la temperatura no es superior a los 25°C, presenta una sensación de no confort, algo exagerada por los usuarios. Para un acondicionamiento ideal, según la norma DIN 1946, de un recinto con las cargas energéticas evaluadas en el salón de automatización se necesita renovar el volumen por lo menos 4 veces por hora para un caudal total de m󰇗=0,14875 m3/s (Figura 88). Figura 86. Bosquejo recinto a acondicionar. El ducto de conexión se define con un área seccional de 0.014875m2 con tres salidas cada en reducciones de 4cm (Figura 89). ¿En cuál rango de temperatura cree usted que se encuentra esta oficina en este momento? a) 0ºC-10ºC b) 10ºC-20ºC c) 20ºC-30ºC d) 30ºC-40ºC e) 40ºC-50ºC ¿Cuál es su sensación del confort de esta oficina en una escala de 7 valores en la siguiente escala descriptiva? a) Caliente 3 b) Cálido 2 c) Algo Cálido 1 d) Neutral 0 e) Algo Frio -1 f) Fresco -2 ¿Está Usted de acuerdo con el confort de esta oficina en estos momentos? a) SI b) NO En este momento usted está usando en sus vestimentas los siguientes artículos. a) Solo camisa b) Chaqueta y camisa c) Doble camisa y chaqueta 7,65m 2,5 m 7,0 m Figura 85. Resultados de las encuestas del método adaptativo antes de la instalación del sistema POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 141 Algunas fotos de la instalación se muestran en la Figura A1. , el ducto está aislado con espuma de 8mm y aislamiento radiante. Figura 88. Fotos de los conductos de ventilación. Después de la instalación se observó una disminución de las condiciones de no confort impulsando aire con el caudal seleccionado a una temperatura casi constante de 16°C. 4.3. BIBLIOGRAFÍA CAPÍTULO 4. [1] Salinas, J. & Jiménez, J. EVALUACIÓN DE LA INFLUENCIA DE LAS VARIABLES LONGITUD Y DIÁMETRO EN UN SISTEMA EXPERIMENTAL DE INTERCAMBIO DE CALOR TIERRA-AIRE DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE A UNA PROFUNDIDAD DE DOS METROS. Proyecto de Grado Ingeniería Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (2009) [2] Salinas, J. & Ramírez, J. CARACTERIZACIÓN DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS Y DE TRANSPORTE TÉRMICO DEL SUBSUELO DE LA FACULTAD TECNOLÓGICA. Proyecto de Grado Tecnología Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (2006). 4cm 4cm 4cm 12cm Figura 87. Sección del conducto de ventilación. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 142 [3] M. De Paepe, A. Janssens. THERMO-HYDRAULIC DESING OF EARTH-AIR HEAT EXCHANGERS. Energy and Building. Vol 35, 2003. [4] Moreno Ruiz D., Horta J. EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE UN SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE MEDIANTE TUBOS ENTERRADOS HORIZONTALES EN UN RECINTO DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA. Proyecto de Grado Tecnología Mecánica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas. (2011). POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 143 5. Capítulo 5. CONCLUSIONES GENERALES. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 144 Reuniendo las conclusiones parciales de cada uno de los capítulos desarrollados, se pueden obtener las siguientes conclusiones generales: 1. Los diferentes modelos presentados en los primeros tres capítulos muestran procedimientos desde los simplificados, facilitando el modelaje y la obtención de resultados en las geometrías del sistema, hasta los mas exactos que toman encuenta mas factores para el diseño de los mismos. El uso de estos modelos de manera incorrecta generará sistemas que no se comporte como se espera afectando tanto a la confianza de la aplicación como al usuario. 2. La mayoría de los modelos simplifican el análisis de la temperatura del terreno en función de una serie de Fourier, situación que no es adecuada para el caso de lugares sin presencia de estaciones, tal y como se sutento en el capitulo 2. Un análisis por diferencia finitas en función de la transferencia de calor para el sólido seminfinito se presenta como opción para la obtención de mejores representaciónes del caso. 3. Tal como se observo en el capitulo 2, para zonas sin presencia de estaciones, la profundidad de instalación del tubo puede no necesitar ir hasta el nivel neutro para la obtención de mejores diferenciales de temperatura causado por el comportamiento estable de la temperatura media del ambiente, sin embargo se presentará una mayor variabilidad en el valor de la temperatura del terreno que recubre al tubo. 4. La Temperatura media del terreno se obtienen muy rápidamente a lo largo del año para zonas ecuatoriales, esto hace que el potencial sea limitado en diferencial pero constante a lo largo de los días. 5. Se encuentra que los potenciales de calefacción son mayores para climas con temperaturas medias anuales bajas, mientras que los de refrigeración son mayores para climas con temperatura medias anuales altas. 6. Aunque para países ecuatoriales el potencial está limitado, existe potencial que puede ser usado para mejorar las condiciones de impulsión de aire acondicionado de manera parcial o totalmente pasiva. 7. Al final del capitulo 3 se genera un modelo matemático que aunque presenta limitación en los factores interrelacionados con el fenómeno físico, representa de manera acertada el comportamiento del sistema en una ambiente sin prescencia de estaciones, facilitando tanto el proceso de diseño (definición de geometrías para cubrir necesidades energéticas), como el análisis. 8. En función de las pruebas prácticas realizadas en el capitulo 4 y las simulaciones del capitulo 3, para climas sin estaciones tanto el modelo de Hollmuller (type 460) como el simplificado describen acertadamente el comportamiento de los Intercambiadores de Calor tierra Aire para Acondicionamiento de Aire, sin embargo, para climas con presencia de estaciones se pueden encontrar diferencias hasta del 10% tanto en las temperaturas de salida como en la energía transferida o recibida del reservorio termodinámico. 9. El uso del modelo simplificado es una herramienta adecuada para el diseño y análisis del sistema, facilitando los procedimientos de anlaisis y aplicación de sistemas ICTA. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 145 10. Debido a que el sistema depende de las temperaturas del ambiente, el espacio a acondicionar siempre dependerá del clima exterior evitando aislar a los organismos dentro del recinto de su habitad. 11. El análisis del terreno es fundamental, así como el del clima del sitio de instalación, esto hace que el estudio del ambiente sea necesario para que la retroalimentación del análisis sea lo más acertada posible, se alienta desde este trabajo a que el gobierno central, así como los departamentales, soporten más la investigación de datos fuentes climáticos. Los puntos anteriores fortalecen el estudio y procedimiento para la selección, análisis y diseño del sistema y se espera que estos sean suficientes para que los involucrados en el diseño sostenible de edificación lo apliquen y busquen así un mejor desempeño energético. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 248 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 249 Figura 178. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de la Guajira. Magdalena: Al igual que con la refrigeración el potencial de calefacción del aire que pasa por la tubería es regular con algunas variaciones marcadas de ciertos municipios causados por cercanías a zonas de montaña (Figura 179). En la Figura 180 se detallan los valores de potencia de calefacción desde un mínimo de 0W a un máximo de 76.5W, con una media anual de 40.7W y una desviación estándar de 4.2W referenciado a las medias anuales de cada uno de los municipios. Figura 179. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento del Magdalena. 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 Albania Barrancas Dibulla Distraccion El Molino Fonseca Hatonuevo La Jagua del Pilar Maicao Manaure Riohacha San Juan del Cesar Uribia Urumita Villanueva Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 250 Figura 180. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento del Magdalena. 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 Algorrobo Aracataca Ariguaní Cerro_de_San_Antonio Chivolo Ciénaga Concordia El_Banco El_Piñon El_Retén Fundación Guamal Nueva_Granada Pedraza Pijiño_del_Carmen Pivijay Plato Pueblo_Viejo Remolino Salamina Sabana_de_San_Angel San_Sebastian_de_Buenavista Santa_Ana Santa_Barbara Santa_Marta San_Zenon Sitio_Nuevo Tenerife Zapayán Zona_Bananera Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 251 Meta: Los potenciales de calefacción presentados en el sistema evaluado en el Departamento del Meta se muestran en el mapa vectorial de la Figura 181 donde se observa algunos municipios en el borde occidental con potenciales más altos sobresaliendo dos altos en la parte norte (el Calvario y san Juanito). El detalle de cada municipio se puede observar en la Figura 182 donde se especifica un valor mínimo de calefacción de 4.1W a un máximo de 86.7W, con una media anual de 58.6W y una desviación estándar respecto a las medias anuales de los otros municipios de 4.3W. Figura 181. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento del Meta. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 252 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 253 Figura 182. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento del Meta Nariño: La energía suministrada al aire es regular exceptuando los meses de Enero y Febrero, los mayores potenciales se dan en los municipios que quedan en las mayores alturas, borde oriental, mientras que las zonas ubicadas en la costa el potencial es menor (Figura 183). El detalle de la energía por mes por unidad de tiempo para cada población se muestran en la Figura 184, donde el rango de valores se encuentra entre un mínimo de 5.65W a un máximo de 112.9W, con un promedio anual de 62.2W y una desviación estándar entre medias de los municipios de 9.2W. Figura 183. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento de Nariño. 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 Acacías Barranca_de_Upia Castilla_La_Nueva Cabuyaro Cubarral Cumaral El_Calvario El_Castillo El_Dorado Fuente_de_Oro Granada Guamal La_Macarena La_Uribe1 Lejanias Mapiripan Mesetas Puerto_Concordia Puerto_Gaitan Puerto_Lleras Puerto_Lopez Puerto_Rico Restrepo San_Carlos_de_Guaroa San_Juan_de_Arama San_Juanito San_Martin Villavicencio Vistahermosa Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 254 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 255 Figura 184. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento del Meta. 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 Alban Aldaña Aldaña1 Ancuya Arboleda Barbacoas Belen Buesaco Chachagui Colon(genova) Consaca Contadero Cordoba Cuaspud Cumbal Cumbitara El charco El peñol El rosario El tablón El tambo Funes Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 Guachucal Guaitarilla Gualmatan Iles Imues Ipiales La cruz La florida La llanada La tola La unión Leiva Linares Los andes Magui Mallama Mosquera Mosquera Alrededores Nariño Olaya herrera Ospina Pasto Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 256 Norte de Santander: La energía transferida al aire por el terreno es regular en la mayoría de los meses aunque se diferencia, dependiendo del mes, los valores de los municipios que quedan en la parte alta de la montaña (borde occidental) con los que quedan en la parte baja (borde oriental) (Figura 185). En la Figura 186 se muestra en detalle la energía de calefacción del aire por mes la cual varía entre 18.8W de mínima a 104.8W de máxima con un promedio anual de 62.2 una desviación estándar entre medias de los Municipios de 5.6W. Figura 185. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento de Nariño. 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 Pizarro Policarpa Potosi Providencia Providencia1 Puerres Pupiales Ricaurte Roberto payan Samaniego San bernardo San lorenzo San pablo San pedro de cartago Sandona Santa barbara Santacruz Sapuyes Taminango Tangua Tumaco Tuquerres Yacuanquer Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 257 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 264 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 265 Figura 192. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Risaralda. Santander: Como se puede observar en la Figura 193 se encuentran algunas diferencias en el potencial de calefacción del aire por parte del Intercambiador de Calor Tierra Aire en las poblaciones que quedan en el borde occidental las cuales corresponden a las de mayor altitud. Resaltan dos municipios Bucaramanga y la Cabrera en relación con los climas que lo rodean, es posible un error en el archivo climático de estos. Los resultados que se muestran en la Figura 194 presentan los valores detallados de las potencias de calefacción suministradas al aire por el sistema, los rangos en los que se encuentran están entre 16.3W de mínima a 144.9W de máxima, con un promedio anual de 67.3W y una desviación estándar de 6W respecto a la medias anuales de cada uno de los municipios. Figura 193. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento de Santander (1/2). 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 Apia Balboa Belen_de_Umbria Pereira Guatica La_Celia La_Virginia Marsella Mistrato DosQuebradas Pueblo_Rico Quinchia Santa_Rosa_de_Cabal Santuario FreeRisa1 Pereira Alred Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom. Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 266 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 267 Figura 194. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Santander. 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 Aguada Albania Aratoca Barbosa Barichara Barrancabermeja Betulia Bolivar Bucaramanga Cabrera California Capitanejo Carcasí Cepitá Cerrito Charalá Charta Chima Chipata Cimitarra Concepción Confines Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 Contratación Coromoro Curití El_Carmen El_Guacamayo El_Peñon El_Playón Encino Enciso Florian Floridablanca Galán Gambita Girón Guaca Guadalupe Guapotá Guavata Guepsa Hato Jesus_Maria Jordán Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 268 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 La_Belleza La_Paz Landazuri Lebrija Los_Santos Macaravita Málaga Matanza Mogotes Molagavita Vetas Ocamonte Oiba Onzaga Palmar Palmas_del_Socorro Páramo Piedecuesta Pinchote Puente_Nacional Puerto_Parra Puerto_Wilches Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 Rionegro Sabana_de_Torres San_Andrés San_Benito San_Gil San_Joaquín San_José_de_Miranda San_Miguel San_Vicente_de_Chucuri Santa_Barbara Santa_Helena_del_Opon Simacota Socorro Suaita Sucre Suratá Tona Valle_de_San_José Velez Villanueva Zapatoca Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 269 Sucre: El potencial de calefacción desarrollado por el sistema se muestra en la Figura 195, donde se observa que las zonas que se úbican en la regíon sur son las que presentan mayores valores, es importante notar que este va subiendo a lo largo del año inversamente al de la refrigeración. Los valores detallados se muestran en la Figura 196 donde el rango se encuentra entre un mínimo de 2W a un máximo de 73.6W, con media anual de 41.7W una desviación estandar de las medias de los municipios de 4.9W. Figura 195. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento de Sucre. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 270 Figura 196. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento de Sucre. Tolima: Con potenciales de calor más altos en los municipios del borde occidental (valores de altura mayores), los valores son relativamente homogéneos para el Departamento (Figura 197). En la Figura 198 se detallan las energías por unidad de tiempo por mes para cada una de las poblaciones que lo representan, los cuales se encuentran entre un mínimo de 0W a un máximo de 137.7W, con una media anual global de todos los municipios de 62.8W y desviación estándar de 7.4W. 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 Buenavista Caimito Chalán Coloso Corozal El Roble Galeras Guaranda La Unión Los Palmitos Majagual Morroa Ovejas Palmito Sampues San Benito Abad San Juan De Betulia San Marcos San Onofre San Pedro Sincé Sincelejo Sucre Tolú Toluviejo Coveñas San Onofre 2 Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 271 Figura 197. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento del Tolima. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 272 Figura 198. Valores de Potencia en Watts para municipios muestra del Departamento del Tolima. 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 Alpujarra Alvarado Ambalema Anzoategui Armero (Guayabal) Ataco Cajamarca Carmen de Apicalá Casabianca Chaparral Coello Coyaima Cunday Dolores Espinal Falán Flandes Fresno Guamo Herveo Honda Ibagué Icononzo Lérida Líbano Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 Mariquita Melgar Murillo Natagaima Ortega Palocabildo Piedras Planadas Prado Purificación Rioblanco Roncesvalles Rovira Saldaña San Antonio San Luis Santa Isabel Suárez Valle de San Juan Venadillo Villahermosa Villarrica Casabianca1 Area de Ibague Promedio Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Prom.Anual POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 273 Valle del Cauca: El potencial de energía entregada al aire que pasa por los tubos para el Departamento se muestra en la Figura 199, en la cual se destacan algunas diferencias en los municipios que quedan en mayores alturas, los demás se comportan de manera homogénea. En la Figura 200 se detallan los valores por municipio y por mes, los cuales se ubican en un rango de 14.4W de mínima a 121.5W de máxima con una media anual de Departamento de 64.3W con una desviación estándar de la medias por municipio de 4.8W. Figura 199. Resultados de Potencia (J/s) de Calefacción por mes para el Departamento del Valle del Cauca. POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 280 POTENCIAL DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR TIERRA-AIRE PARA ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN DIFERENTES ZONAS CLIMÁTICAS ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS UNIVERSIDAD DE SEVILLA 281