domingo, 13 de noviembre de 2011

Medición de la temperatura del terreno para la explotación de la energía geotérmica superficial - aplicación a cimentaciones activas en climatización

Éste trabajo presenta los aspectos relativos a la teoría de la energía geotérmica, y los resultados obtenidos en un campo de pruebas. En especial en lo referente a la medición temperatura del suelo en Madrid a diferentes profundidades y su aplicación al proyecto y construcción de cimientos y estructuras geotécnicas capaces de intercambiar calor con el terreno. Este tipo de estructuras se denominan, “Cimentaciones Activas”. 


Esquema de Funcionamiento de Cimentaciones Activas
Esquema de funcionamiento de las "Cimentaciones Activas"


Se presenta, de forma resumida, el marco teórico y los resultados de la medicón de la temperatura del terreno en su medio natural, la temperatura del aire, y los cambios de temperatura de fluidos al circular dentro de elementos de cimentación. Los trabajos de campo fueron realizados en la Colonia Fin de Semana, Madrid, con el objeto de comprobar medidas fundamentales e interpretar su relación con otras áreas de la ingeniería como lo son: la termodinámica, hidráulica, geología, y la geotecnia. Se hace especial énfasis en los parámetros para el proyecto y ejecución de “cimentaciones activas”.

Las cimentaciones activas, desde el punto de vista energético, y otras estructuras geotécnicas termo-activas, incorporan tecnologías innovadoras que contribuyen a la protección del medioambiente, proporcionan ahorros importantes de recursos energéticos y económicos a largo plazo, y permiten la construcción de unidades de aprovechamiento energético con un mínimo de mantenimiento. 



Losa de Intercambio Geotérmico
Losa de Intercambio Geotérmico para climatizar una nave


Nos concentraremos en las estructuras de hormigón que están en contacto directo con el terreno. Elementos prescritos generalmente en los proyectos de ingeniería y arquitectura, por razones de tipo estructural o constructivo, que pueden actuar como eficientes intercambiadores de calor.

Desde el punto de vista de ejecución, sólo es necesario la instalación de conducciones (rellenas de fluidos adecuados para la transmisión térmica) en los elementos estructurales convencionales de cimentación y sostenimiento tales como: pilas, pilotes, muros pantalla, muros de sótano, losas, revestimiento de túneles, etc. Elementos que forman el circuito primario de un sistema energético de aprovechamiento geotérmico.

Las cimentaciones activas, se emplean como fuente de calor el invierno, y de enfriamiento en el verano, obteniendo la temperatura natural del terreno. Sin necesidad de instalar elementos adicionales en el subsuelo. El circuito primario de aprovechamiento geotérmico se conecta al circuito secundario que está dentro de la edificación mediante una bomba de calor. Este sistema eventualmente podría enfriar la edificación sin necesidad de la bomba de calor, proporcionando “refrigeración con bajo coste”.



Energía Geotérmica Superficial



La energía geotérmica superficial, es un recurso natural  disponible, que se explota en países desarrollados, mediante el uso de diversos tipos de captadores térmicos. 

Para poder aprovechar esta energía, de una forma eficiente, es necesario conocer, a parte de las propiedades geológicas e hidrogeológicas, cómo varía la temperatura durante el día, la estación del año, y por supuesto su oscilación en función del perfil del terreno. 


Zona Neutra de Equilibrio Térmico

Siendo indispensable determinar la profundidad a la cual el terreno encuentra su equilibrio térmico. 

Por otro lado, es ampliamente conocido que el subsuelo tiene una temperatura que es más constante que la del aire exterior. En líneas generales a mayor profundidad, a la que se mida la temperatura, menos fluctuaciones se observaran.  

El hecho de que exista una diferencia de temperatura importante entre el ambiente y el terreno (en invierno el suelo está más caliente que el ambiente y en verano a la inversa, más frío que el ambiente), nos permite instalar un circuito cerrado, en las estructuras de hormigón armado en contacto con el terreno, y con la ayuda de una bomba de calor climatizar una edificación con una mayor eficiencia que con los sistemas tradicionales.

En líneas generales, en España, los primeros 50 metros de terreno son adecuados para el suministro y almacenamiento de energía térmica. Los cambios climáticos producidos por las estaciones hacen que la temperatura del terreno permanezca relativamente estable, a partir de una profundidad de alrededor de 10-15 metros. Esta temperatura tiene un promedio anual de entre 10º y 15° C. En las capas del subsuelo por encima de este nivel, la temperatura depende de las condiciones climáticas. En las capas inferiores del subsuelo, la influencia geotérmica prevalece, produciendo el aumento de la temperatura del terreno de 3° por cada 100 metros. 

Imagen del sensor AVHRR
Satélite NOAA (01/2002)

Por otro lado, el estudio de la radiación solar es un proceso clave para el aprovechamiento de la energía geotérmica superficial. Los resultados de las imágenes del satélite NOAA-AVHRR, configurado con alta resolución espacial, muestran que la Península Ibérica recibe un mínimo de 4.2 MJ m^-2 d^-1 y un máximo de 26 MJ m^-2 d^-1, con una radiación solar media de 15.1 MJ m^-2 d^-1. La variabilidad interanual de la radiación solar queda expresada con valores que van desde 14.9 MJ m-2 d-1 para el año 2002 hasta 17.3 MJ m^-2 d^-1 para el año 2000. 


Imagen del sensor AVHRR
Satélite NOAA (06/2002)

La idea básica de la tecnología que exponemos, persigue extraer calor del terreno, utilizando la energía geotérmica mediante sistemas integrados a las construcciones. En tanto que las necesidades de las construcciones así lo requieran, es posible utilizar las cimentaciones activas para refrigerar la edificación. En este caso particular, el exceso de calor se disipa en el terreno. Igualmente, en áreas donde las condiciones lo permitan, es posible almacenar energía para la refrigeración o la calefacción de una estación a otra. 

Al considerar la posibilidad que algunas de las estructuras subterráneas que se construyen en España, son aptas para extraer en energía geotérmica superficial, para ser empleada en la climatización de espacios de toda índole, tendremos a disposición un tipo de energía limpia, renovable y continua, para ser empleada en diferentes y diversas utilidades, beneficiando al hombre y al medio ambiente.



Descripción del Ensayo


El objetivo principal de esta experiencia es determinar la temperatura del suelo a diferentes profundidades y sus variaciones frente a cambios estaciónales.

Para llevar a cabo este objetivo las pruebas se han realizado en dos etapas: la primera consiste en la medición de la temperatura del terreno a 5, 10, y 15 m de profundidad durante un año, mediante sensores instalados en un pilote, y compararlas con la temperatura ambiente (la información fue almacenada, en un sistema automático de registro de datos), y una segunda etapa la cual se encuentra en ejecución, que consiste en la instalación de 4 sondas geotérmicas:


SISTEMA
PROFUNDIDAD
DIÁMETRO
Doble U
30m
32 mm
Simple U
30m
32 mm
Simple U
20m
32 mm
Simple U
10m
32 mm


                 Configuración de Sondas Geotérmicas



Estas sondas se acoplan a un colector el cual posee: caudalímetros capacidad de 0 a 70 l/m, 1 Termómetro con un rango de medida de -20 ºC a 40 ºC y 1 manómetro con capacidad de lectura de 0 a 6 bar. Seguidamente se instaló un circuito de tuberías de polietileno de alta densidad para simular una pérdida de temperatura del fluido circundante (agua), para finalmente conducirla a una válvula de expansión y transportarla a una bomba, la cual envía el fluido a un distribuidor de caudal el cual se conecta de forma independiente a cada sonda geotérmica y de esta manera recircular el fluido y establecer un sistema “cerrado”. 


Esquema del Circuito Geotérmico del Ensayo


Esta configuración del sistema nos brinda la oportunidad de medir la temperatura de entrada del fluido al subsuelo y la temperatura del fluido a la salida del subsuelo, con cada tipo de sonda geotérmica, variando el caudal, variando la presión o variando la velocidad del fluido que experimenta el intercambio de calor.



Construcción de Micropilotes Geotérmicamente Activos


Instalación de colectores geotérmicos


Sistema de colectores con caudalímetros,
termómetro y manómetro


Sistema de distribuidores con bomba de recirculación y termómetro


Sistema de adquisición de datos de temperatura automático


Bomba de Calor Geotérmica instalada en salón de conferencias



Ambito Geológico-Geotécnico


El lugar donde se realizan los ensayos, corresponde a una zona de arcillas verdosas y marrones, con presencia de estratos de arenas micáceas, niveles de carbonatos y arenas. También en proximidades del área de estudio se encuentran cantos y gravas poligénicos, arenas, limos y arcillas pertenecientes a depósitos aluviales y de terraza del cuaternario, los cuales generan acuíferos aluviales, procedentes de antiguos meandros del Río Jarama.


El campo de pruebas donde se efectúan los ensayos, corresponde a formas de relieve onduladas, conformadas por un conjunto de terrenos formados por una mezcla de materiales cohesivos (arcillas) y granulares (arenas y gravas) dispuestos horizontalmente, poco cementados en superficie, y fácilmente erosionables.

Adicionalmente muestra una morfología eminentemente llana con ligeras alomaciones y abundantes huellas de erosión lineal. Su permeabilidad es muy variable alternándose zonas permeables con otras impermeables, si bien predominan las primeras; en toda ella es normal la aparición de niveles de acuíferos a profundidades variables, casi siempre por debajo de los 10m.  Su capacidad de carga es de tipo intermedio, pudiendo aparecer asientos de magnitud media. Las condiciones constructivas son favorables.


Perfil del Terreno


A continuación se describen los estratos geotécnicos encontrados: A nivel superficial de 0-2 m de profundidad se descubrió una arcilla de color verde, con arena fina, gravas con diámetros comprendidos entre 3 y 5 cm de diámetro y presencia de raíces, subyaciendo este nivel de 2-8 m de profundidad se detectó una arcilla de color verde muy resistente, con arena fina y algo de material granular con diámetros comprendidos entre los 3 y 10 mm, cabe mencionar que de 6 a 8 m de profundidad la humedad de la arcilla aumentó notablemente, seguidamente de 8 a 10 m de profundidad se encuentra una arcilla de color verde muy resistente con arena fina, pero con un mayor porcentaje de material granular de 3 a 10mm de diámetro, subyaciendo este nivel de 10 a 30  m de profundidad se encontró una arcilla de color verde con arena fina y algo de material granular, confirmándose la existencia de un nivel freático a los 23 m de profundidad.



PROPIEDADES
VALOR
Humedad %
20
Densidad Natural (g/cm3)
2.1
Densidad Seca (g/cm3)
1.8
T. 200 (%)
69.9
Límite Líquido
44.8
Límite Plástico
21
Módulo Presiométrico (kp/ cm2)
1346
Ángulo de Rozamiento º
27.8
Cohesión Efectiva (kPa)
42.4

                Parámetros Geotécnicos Promedio



Consideraciones Hidráulicas del Terreno


La influencia del flujo de agua subterránea en la selección y el tipo de captadores térmicos, es un tópico muy discutido.  En la actualidad existen dos maneras de enfrentar este tema por algunos investigadores: la primera se refiere a que la corriente de agua subterránea puede generar un movimiento del flujo por convección dentro del intercambiador y la otra tendencia, presenta que el flujo del agua subterránea, posee una influencia regional, basada en el supuesto de que el agua subterránea se desplaza homogéneamente, esta condición de estado del fluido, depende de la geología, la conductividad hidráulica y la porosidad de los materiales encontrados. Para efectos de cálculo, en un flujo continuo, el agua subterránea es proporcional a la conductividad térmica (K) y del gradiente hidráulico (I) del material; a continuación se presenta algunas propiedades hidráulicas de algunos suelos y rocas:




Medio
Conductividad Hidráulica
(K)
[ms-1]
Porosidad
(n)
[-]
Grava
3·10-4 – 3·10-2
0.24 – 0.38
Arena Fina
9·10-7 – 6·10-3
0.31 – 0.46
Limo
10-9 – 2·10-5
0.34 – 0.61
Arcilla
10-11 – 4.7·10-9
0.34 – 0.60
Limolita
10-9 – 6·10-6
0 – 0.2
Arenisca
3·10-10 – 6·10-6
0.05 – 0.3

                        Valores Típicos de Propiedades Hidráulicas y 
                        Térmicas de Suelos y Rocas (Chiasson, 2000)


Consideraciones Térmicas del Suelo



Con el fin de identificar el punto de encuentro entre las propiedades físicas y térmicas de los suelos, se mencionan algunos términos propios de esta disciplina:

Temperatura: Es la medida de la energía cinética media de las moléculas individuales de un objeto.

Calor: Es la transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debido a su diferencia de temperatura.

Capacidad calorífica: Es la energía necesaria para aumentar 1˚C la temperatura de un cuerpo, indicando la mayor o menor dificultad que presenta dicho cuerpo para experimentar cambio de temperatura bajo el suministro de calor. La capacidad calorífica viene dada por:


donde:

c: Capacidad calorífica, julios/K  o cal/˚C
Q: Calor absorbido por el sistema
ΔT: Variación de la temperatura

Calor específico: Es la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de una sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius.  Matemáticamente se expresa como:


Conductividad térmica: Es una propiedad intrínseca de los materiales, que valora la capacidad de conducir calor a través de ellos.  El coeficiente de conductividad térmica (λ), representa la cantidad de calor necesario por m2, para atravesar durante la unidad de tiempo,  1 m2 de material “Homogéneo”, obtenga una diferencia de 1˚C de temperatura.   


Convección térmica: Se produce a través del desplazamiento de partículas con diferentes temperaturas, es importante recordar que la convección se produce únicamente en materiales fluidos, los cuales al calentarse disminuyen su densidad y ascienden al ser deslazados por las porciones superiores que se encuentran a menor temperatura, es decir se genera transporte de calor en un volumen.

La transferencia de calor por conducción se puede modelar con la ley de enfriamiento de Newton:


donde,

h: Coeficiente de convección
As: Área del cuerpo en contacto con el fluido
Ts: Temperatura en la superficie del cuerpo
Tinf: Temperatura del fluido lejos del cuerpo

Radiación térmica:  Propagación de energía emitida por un cuerpo como consecuencia de su temperatura y depende además por una propiedad superficial llamada emitancia, la cual es la cantidad de energía radiante, de todas las longitudes de onda, que son emitidas por el cuerpo, por unidad de área y de tiempo .

La radiación térmica puede modelarse por la ley de Stefan-Boltzmann.


donde:

Q: Cantidad de calor radiada
α: Coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo
A: Área de la superficie que radia
KB: Constante de Stefan-Boltzmann

Difusión Térmica: Es la media de cómo fluye el calor por un material, esta mediad se estima a partir de la conductividad térmica (k), capacidad calorífica (cm) y la densidad (ρ), tal como se muestra a continuación:


Las propiedades térmicas de los suelos también dependen de la geología, de las propiedades hidráulicas de los materiales encontrados.  Seguidamente se presenta una tabla con algunas de las propiedades térmicas de los suelos:

Suelo
Conductividad
W/(m*K)
Capacidad Calorífica
MJ/(m3*K)
Difusión
m2/s*10-6
Arena
0.4
1.3 – 1.6
0.28
Arena Sat.
0.4
2.2 – 2.9
0.94
Grava
0.4
14 – 1.6
0.27
Grava
Sat.
1.8
2,4 aprox
0.75
Arcilla o limo
0.5
15 – 1.6
0.32
Arcilla o limo Sat.
1.7
1.6 – 3.4
0.68
Turba
0.4
0.5 – 3.8
0.19

                Valores Típicos de las Propiedades Térmicas


Propiedades del Campo de Pruebas


Para la explotación eficiente de la energía geotérmica superficial, es necesaria la interacción de varias disciplinas como lo son la termodinámica, la hidráulica y la ingeniería del terreno reunidas en una sola, la “geotermia”.   

En la tabla que se muestra, se presentan los parámetros asociados a las propiedades del suelo en el campo de pruebas de las mediciones de la temperatura del subsuelo, y con las cuales se determinarán las características geotérmicas del circuito propuesto.

Ubicación:
C. Fin de Semana
Volumen de almacenamiento:
0.3            m3
Cobertura del suelo:             
1 m
Tipo de suelo:
-Conductividad térmica:                           
-Capacidad térmica:
-Difusividad térmica:
-Conductividad hidráulica
-Porosidad
-Peso unitario seco
-Humedad natural

0.5 W/m*K
1.5 MJ/m3*K
0.32 m2/s*10-6
0.93 103 kg/m3
10-11 – 4.7·10-9  ms-1
0.34 – 0.60
1.8   g/cm3
20 %
Número de sondeos:
4 und
Profundidad de sondeos:
-Sondeo 1 - Doble U:           
-Sondeo 2 - Simple U:          
-Sondeo 3 - Simple U:
-Sondeo 4 - Simple U:

30 m
30 m
20 m
10 m
Diámetro de sondeos:
130 mm
Espaciamiento entre sondeos:
5 m
Tipo de circulación:
CERRADA
Temperatura de carga promedio:
3 º C
Temperatura de extracción promedio:
15 º C
Temperatura del suelo
-Lectura a -5 m
-Lectura a -10 m
-Lectura a -15 m

17.2 º C
16.8 º C
16.2 º C

    Tabla de Parámetros Técnicos


Transferencia de Calor - Micropilote Activo


Para estudiar la transferencia de calor entre un micropilote activo, el terreno y el fluido intercambiador dentro del micropilote, se debe suponer que las paredes de la tubería de polietileno de alta densidad, tiene la misma o similar temperatura que la lechada o del suelo circundante. Este supuesto depende inicialmente del comportamiento del flujo y de su régimen hidráulico, si es laminar o turbulento. A continuación se muestra una ilustración con las variables térmicas que intervienen en un micropilote activo:

Micropilote Activo

                                       


Repuesta Térmica del Terreno



Inicio y final del Test – Otoño


La batería de ensayos se inician a primera hora en la mañana donde la temperatura del fluido de circulación (agua) y las sondas es el más bajo. 

La prueba finaliza en el momento que la temperatura de que se le aporta al sistema y la temperatura que sale del suelo se estabilizan.

Respuesta Térmica en Sondeos

Duración del ensayo


Tiene una duración de 80 minutos, realizando lecturas cada minuto, con el objeto de verificar cualquier variación en el caudal, velocidad y presión a la que se encuentra el fluido de circulación dentro de las sondas geotérmicas. Se considera que la temperatura sin perturbación externa se logra a los 20 minutos desde el inicio de la prueba.

Problemas operativos y consideraciones


Es muy importante incorporar dispositivos, para el control de la presión del sistema, ya que junto con una válvula de expansión se logra la presurización de las sondas y eliminar excesos de aire.  También debe considerarse  que el empleo de compresores o de bombas de recirculación puede suministrar energía adicional al sistema que puede aumentar  la temperatura del fluido a la salida del suelo.

Pérdidas y ganancias de temperatura


Pueden generarse variaciones  en este parámetro debido a la presencia de niveles freáticos o acuíferos que generen flujos de agua que modifiquen las condiciones térmicas del subsuelo.

Temperatura del suelo Termocuplas


En el campo de pruebas de instaló previamente un micropilote de 15m de longitud, con termocuplas para obtener la temperatura del suelo a 5 – 10 – 15 metros de profundidad.   En la gráfica que se muestra, puede apreciarse que la distribución de la temperatura de un suelo respecto a su profundidad, al norte de Europa, obedece a una oscilación armónica según la evolución estacional

A diferencia de los países del norte de Europa, la temperatura del subsuelo de Madrid, está influencia entre otras, por la alta radiación solar; los resultados promedio de dichas temperaturas se presentan a continuación:

Temperatura vs. Profundidad (promedio)

Temperatura Ambiental 


Como complemento, también se ha instalado un medidor de la temperatura del aire, el cual nos ayuda a encontrar los diferentes tipos de gradientes de la temperatura exterior en el campo de pruebas a lo largo del año.

Temperatura del Aire

Comentarios


  1. La distribución de la temperatura en el subsuelo en los países del norte de Europa, encuentra el equilibrio térmico a 10ºC y una profundidad de 15m.  El suelo de Madrid alcanza su equilibrio térmico a 16º C y una profundidad de 5m, durante todo el año.  Esto sugiere una ventaja muy importante, frente al aprovechamiento térmico superficial. 
  2. El gradiente de temperatura ambiente máximo al cual está sujeto Madrid, se encuentra desde -4.65 a 38.13ºC, lo cual indica que mediante el uso de sistemas de calefacción, empleando geotermia superficial es, totalmente viable.
  3. La temperatura del subsuelo de Madrid, es un parámetro constante durante todo el año, gracias a la radiación solar, sin embargo condiciones geológicas de niveles freáticos o la formación de acuíferos relativamente superficiales, pueden disminuir levemente la temperatura del suelo, pero aumentan la conductividad térmica del suelo.


Aplicaciones del Experimento


En España se experimenta un creciente auge por el desarrollo y aplicación de tecnologías sostenibles de alta eficiencia energética, como lo es la energía geotérmica superficial, la cual es una alternativa excepcional a los sistemas convencionales de calefacción y refrigeración.

Dentro de las áreas de aplicación, se encuentra el empleo de geocompuestos de revestimientos en túneles, los ya están siendo incluidos en el (NATM).

La construcción de muros pantalla o cortinas de pilotes, para la ejecución de sótanos, pasos de nivel, o cualquier obra de sostenimiento lateral de tierras, ofrece condiciones óptimas para la explotación de la energía geotérmica superficial.

En las obras de cimentación de estructuras, es donde se observan mayores adelantos, en el empleo y uso de pilotes, micropilotes o losas, como captadores de energía geotérmica superficial.

En síntesis el camino en el desarrollo de las cimentaciones activas, está abierto y además el empleo de este tipo de tecnologías está catalogado como energía renovable en el libro blanco de las energías renovables de la Unión Europea y por lo tanto se acoge a ayudas gubernamentales para subvencionar las instalaciones. 


Referencias


Brandl, H., (1998), Energy piles for heating and cooling buildings, 7th International Conference on Piling and Deep Foundations, Vienna, Austria.

Brandl, H. & Markiewicz, R. (2001), Geothermische Energienutzung mittels Pfahlen, Schlitzwanden und Stutzbauwerken. Pfahl-Symposium 1999, Braunschweig, 329-356.

Jumikis, A (1966). Thermal Soil Mechanics, Rutgers University Press, New Jersey, 267 pp. 

Sanchez-Guzman, J & Garcia de la Noceda, C (2005), Geothermal Energy Development in Spain – Country Update Report, Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalaya, Turquía, 446-456.

Zuloaga, I. (2006), Aprovechamiento de la Energía Geotérmica en Cimentaciones y otras Estructura Geotécnicas Activas, documentación interna sin publicar.

Zuloaga, I. (2006), Procedimiento de Cálculo y Análisis Geotécnico de Pilotes Activos, Ingeosolum, s.l., documentación interna sin publicar.














1 comentario:

  1. sois unos fenómenos. Nosotros estamos barajando el uso de esta técnica en forjados de planta tambien para proyectos futuros. Si surge algo nos pondremos en contacto con vosotros.
    Un saludo
    Manuel

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