Intercambiador de calor acoplado al suelo

Un intercambiador de calor geotérmico es un intercambiador de calor subterráneo que puede capturar y/o disipar calor del suelo. Utilizan la temperatura subterránea casi constante de la Tierra para calentar o enfriar aire u otros fluidos para usos residenciales, agrícolas o industriales. Si el aire del edificio se hace pasar a través del intercambiador de calor para ventilación con recuperación de calor , se denominan tubos de tierra (o pozo canadiense, pozo provenzal, chimenea solar , también llamados tubos de refrigeración de tierra, tubos de calentamiento de tierra, intercambiadores de calor tierra-aire (EAHE o EAHX), intercambiadores de calor aire-suelo, canales de tierra, sistemas de túneles tierra-aire, intercambiadores de calor de tubos de tierra, hipocaustos , intercambiadores de calor del subsuelo , laberintos térmicos, tuberías de aire subterráneas, entre otros).

Los tubos subterráneos suelen ser una alternativa viable y económica a los sistemas convencionales de calefacción o aire acondicionado central, ya que no requieren compresores, productos químicos ni quemadores, y solo se necesitan ventiladores para mover el aire. Se utilizan para la refrigeración y/o calefacción parcial o total del aire de ventilación de las instalaciones. Su uso puede ayudar a los edificios a cumplir con los estándares de Casa Pasiva o la certificación LEED .

Los intercambiadores de calor tierra-aire se han utilizado en instalaciones agrícolas (establos) y hortícolas (invernaderos) en los Estados Unidos de América durante las últimas décadas, y se han empleado junto con chimeneas solares en zonas áridas y cálidas durante miles de años, probablemente desde el Imperio Persa. La implementación de estos sistemas en la India, así como en los climas más fríos de Austria, Dinamarca y Alemania para precalentar el aire de los sistemas de ventilación domésticos, se ha vuelto bastante común desde mediados de la década de 1990, y se está adoptando gradualmente en Norteamérica.

Los intercambiadores de calor acoplados al suelo también pueden utilizar agua o anticongelante como fluido de transferencia de calor, a menudo junto con una bomba de calor geotérmica , por ejemplo, en intercambiadores de calor de fondo de pozo .

El intercambio de calor pasivo acoplado al suelo es una técnica tradicional común. Impulsa la circulación mediante diferencias de presión causadas por el viento, la lluvia y la convección impulsada por la flotabilidad (proveniente de áreas de calentamiento solar y enfriamiento evaporativo, radiativo o conductivo diseñados selectivamente).

Los intercambiadores de calor geotérmicos pueden analizarse para evaluar su rendimiento mediante diversas aplicaciones de software que utilizan datos de estaciones meteorológicas. Estas aplicaciones incluyen GAEA, AWADUKT Thermo, EnergyPlus, L-EWTSim, WKM, entre otras. Sin embargo, numerosos sistemas de intercambiadores de calor geotérmicos se han diseñado y construido incorrectamente, y no han cumplido con las expectativas de diseño. Los intercambiadores de calor geotérmicos parecen ser más adecuados para el pretratamiento del aire que para la calefacción o refrigeración completas. El pretratamiento del aire para una bomba de calor aerotérmica o geotérmica suele proporcionar la mejor rentabilidad de la inversión , con una recuperación de la inversión que generalmente se logra en el plazo de un año tras la instalación.

La mayoría de los sistemas suelen construirse con tuberías de plástico rígido o semirrígido, recubiertas de plástico o con revestimiento antimicrobiano, de 100 a 600 mm (3,9 a 23,6 pulgadas) de diámetro, de paredes lisas (para que no atrapen fácilmente la humedad de condensación y el moho), enterradas a 1,5 a 3 m (4,9 a 9,8 pies) de profundidad, donde la temperatura ambiente del suelo suele ser de 10 a 23 °C (50 a 73 °F) durante todo el año en las latitudes templadas donde vive la mayoría de la gente. La temperatura del suelo se vuelve más estable con la profundidad. Los tubos de menor diámetro requieren más energía para mover el aire y tienen una menor superficie de contacto con el suelo. Los tubos más grandes permiten un flujo de aire más lento, lo que también produce una transferencia de energía más eficiente y permite transferir volúmenes mucho mayores, lo que permite más intercambios de aire en un período de tiempo más corto, cuando, por ejemplo, se quiere eliminar olores desagradables o humo del edificio, pero se sufre una menor transferencia de calor de la pared de la tubería al aire debido a las mayores distancias.      

Algunos consideran que es más eficiente aspirar aire a través de un tubo largo que impulsarlo con un ventilador. Una chimenea solar puede aprovechar la convección natural (el aire caliente asciende) para crear un vacío que aspire el aire filtrado de los tubos de refrigeración pasiva a través de los tubos de mayor diámetro. La convección natural puede ser más lenta que el uso de un ventilador solar. Deben evitarse los ángulos pronunciados de 90 grados en la construcción del tubo  ; dos curvas de 45 grados generan un flujo de aire menos turbulento y más eficiente. Si bien los tubos de paredes lisas son más eficientes para mover el aire, son menos eficientes para transferir energía.

Existen tres configuraciones: un diseño de circuito cerrado, un sistema abierto de "aire fresco" o una combinación de ambos:

• Sistema de circuito cerrado: El aire del interior de la vivienda o estructura se impulsa a través de un circuito en forma de U, generalmente de 30 a 150 m (98 a 492 pies) de tubería, donde se atempera a una temperatura cercana a la del suelo antes de ser distribuido por conductos en toda la vivienda o estructura. El sistema de circuito cerrado puede enfriar el aire de forma más eficaz (durante temperaturas extremas) que un sistema abierto, ya que enfría y vuelve a enfriar el mismo aire.  
• Sistema abierto: Se toma aire exterior a través de una entrada de aire filtrado ( se recomienda un filtro de aire con valor MERV 8+) para enfriar o precalentar el aire. Los conductos suelen tener una longitud de 30 m (98 pies) y son rectos. Un sistema abierto combinado con ventilación con recuperación de energía puede ser casi tan eficiente (80-95%) como un circuito cerrado, y garantiza que el aire fresco que entra esté filtrado y atemperado.  
• Sistema combinado: Este sistema puede construirse con compuertas que permiten el funcionamiento cerrado o abierto, según las necesidades de ventilación. Este diseño, incluso en modo de circuito cerrado, puede aspirar aire fresco cuando se produce una caída de presión atmosférica debido a una chimenea solar , secadora de ropa, chimenea o extractores de cocina o baño. Es preferible aspirar aire filtrado de tubos de refrigeración pasiva que aire exterior sin acondicionar.

Los intercambiadores de calor geotérmicos de paso único ofrecen la posibilidad de mejorar la calidad del aire interior en comparación con los sistemas convencionales, al proporcionar un mayor suministro de aire exterior. En algunas configuraciones de sistemas de paso único, se garantiza un suministro continuo de aire exterior. Este tipo de sistema suele incluir una o más unidades de recuperación de calor de ventilación.

Arreglos de tierra compartida

Un sistema compartido de almacenamiento en suelo consta de intercambiadores de calor geotérmicos conectados para uso de más de una vivienda. ^{[ 1 ]} Pueden proporcionar calefacción con bajas emisiones de carbono donde los intercambiadores de calor geotérmicos individuales no son viables, como en viviendas adosadas con poco espacio exterior. También pueden brindar oportunidades para descarbonizar la calefacción de grupos de viviendas fuera de los centros urbanos densos donde la calefacción urbana tradicional probablemente no sea económicamente viable. ^{[ 1 ]} Otros beneficios incluyen una mayor eficiencia y un menor costo de capital, un mayor control por parte de los residentes para elegir su propio proveedor de electricidad y una reducción en el número de intercambiadores necesarios debido a la variación en los momentos de máxima demanda entre diferentes hogares. ^{[ 1 ]}

Si no se aborda la humedad y la consiguiente proliferación de moho en el diseño del sistema, los ocupantes pueden enfrentarse a riesgos para la salud. En algunos casos, la humedad en los conductos subterráneos puede controlarse simplemente mediante drenaje pasivo si el nivel freático es suficientemente profundo y el suelo presenta una permeabilidad relativamente alta. En situaciones donde el drenaje pasivo no es factible o requiere un refuerzo para reducir aún más la humedad, se pueden utilizar sistemas activos ( deshumidificadores ) o pasivos ( desecantes ) para tratar el flujo de aire.

Las investigaciones formales indican que los intercambiadores de calor tierra-aire reducen la contaminación del aire de ventilación de los edificios. Rabindra (2004) afirma: «Se ha comprobado que el túnel [intercambiador de calor tierra-aire] no favorece el crecimiento de bacterias y hongos; por el contrario, reduce su cantidad, lo que hace que el aire sea más seguro para la salud humana. Por lo tanto, queda claro que el uso de túneles tierra-aire no solo ayuda a ahorrar energía, sino que también contribuye a reducir la contaminación del aire al disminuir la presencia de bacterias y hongos». ^{[ 3 ]} Asimismo, Flueckiger (1999) en un estudio de doce intercambiadores de calor tierra-aire que variaban en diseño, material de tubería, tamaño y antigüedad, afirmó: “Este estudio se realizó debido a la preocupación por el posible crecimiento microbiano en las tuberías enterradas de los sistemas de aire acoplados al suelo. Sin embargo, los resultados demuestran que no se produce un crecimiento dañino y que las concentraciones en el aire de esporas y bacterias viables, con pocas excepciones, incluso disminuyen después de pasar por el sistema de tuberías”, y añadió: “Con base en estas investigaciones, el funcionamiento de los intercambiadores de calor tierra-aire acoplados al suelo es aceptable siempre que se realicen controles regulares y se disponga de instalaciones de limpieza adecuadas”. ^{[ 4 ]}

Ya sea que se utilicen tubos de tierra con o sin material antimicrobiano, es fundamental que los tubos de enfriamiento subterráneos cuenten con un excelente drenaje de condensación y se instalen con una pendiente de 2 a 3 grados para asegurar la eliminación constante del agua condensada. En casas sin sótano ubicadas en terrenos planos, se puede instalar una torre de condensación externa a una profundidad menor que la entrada del tubo a la casa y cerca de la pared. La instalación de la torre de condensación requiere el uso adicional de una bomba de condensado para extraer el agua. En casas con sótano, las tuberías se nivelan de manera que el drenaje de condensación dentro de la casa se encuentre en el punto más bajo. En ambos casos, el tubo debe tener una pendiente continua hacia la torre de condensación o el drenaje. La superficie interna del tubo, incluyendo todas las juntas, debe ser lisa para facilitar el flujo y la eliminación del condensado. No se deben utilizar tubos corrugados o acanalados ni juntas internas rugosas. Las juntas que conectan los tubos deben ser lo suficientemente herméticas para evitar la infiltración de agua o gas. En ciertas zonas geográficas, es importante que las juntas impidan la infiltración de gas radón. No se pueden utilizar materiales porosos como tubos de hormigón sin revestimiento. Lo ideal es utilizar tubos subterráneos con capas internas antimicrobianas para inhibir el crecimiento de moho y bacterias en su interior.

La implementación de intercambiadores de calor geotérmicos para la refrigeración y/o calefacción parcial o total del aire de ventilación de las instalaciones ha tenido resultados dispares. Lamentablemente, la bibliografía está plagada de generalizaciones excesivas sobre la aplicabilidad de estos sistemas  , tanto a favor como en contra. Un aspecto clave de los intercambiadores de calor geotérmicos es su funcionamiento pasivo y la consideración de la amplia variabilidad de las condiciones en los sistemas naturales.

Los intercambiadores de calor tierra-aire pueden ser muy rentables tanto en costos iniciales como en costos de operación y mantenimiento a largo plazo. Sin embargo, esto varía ampliamente según la latitud, la altitud, la temperatura ambiente de la Tierra, las temperaturas y la humedad relativa extremas, la radiación solar, el nivel freático, el tipo de suelo ( conductividad térmica ), el contenido de humedad del suelo y la eficiencia del diseño/aislamiento de la envolvente exterior del edificio. En general, los suelos secos y de baja densidad con poca o ninguna sombra ofrecerán el menor beneficio, mientras que los suelos densos y húmedos con considerable sombra deberían funcionar bien. Un sistema de riego por goteo lento puede mejorar el rendimiento térmico. El suelo húmedo en contacto con el tubo de refrigeración conduce el calor de manera más eficiente que el suelo seco.

Los tubos de enfriamiento de tierra son mucho menos efectivos en climas cálidos y húmedos (como Florida) donde la temperatura ambiente de la tierra se acerca a la temperatura de confort humano. Cuanto mayor sea la temperatura ambiente de la tierra, menos efectivo será para enfriar y deshumidificar. Sin embargo, la tierra puede usarse para enfriar y deshumidificar parcialmente la entrada de aire fresco de reemplazo para áreas de zona de amortiguación térmica solar pasiva ^{[ 5 ]} como el cuarto de lavado o un solárium /invernadero, especialmente aquellos con una bañera de hidromasaje, spa de natación o piscina cubierta, donde el aire cálido y húmedo se expulsa en verano y se desea un suministro de aire de reemplazo más fresco y seco.

No todas las regiones y emplazamientos son adecuados para los intercambiadores de calor geotérmicos. Entre las condiciones que pueden dificultar o impedir su correcta implementación se incluyen la poca profundidad del lecho rocoso, un nivel freático elevado y la falta de espacio, entre otras. En algunas zonas, los intercambiadores de calor geotérmicos solo pueden proporcionar refrigeración o calefacción. En estas zonas, es fundamental considerar la recarga térmica del subsuelo. En los sistemas de doble función (calefacción y refrigeración), la estación cálida proporciona recarga térmica del subsuelo para la estación fría, y viceversa, aunque debe tenerse en cuenta la sobrecarga del depósito térmico incluso en sistemas de doble función.

En el contexto actual de la disminución de las reservas de combustibles fósiles , el aumento de los costos de la electricidad, la contaminación del aire y el calentamiento global , los tubos de refrigeración subterránea diseñados adecuadamente ofrecen una alternativa sostenible para reducir o eliminar la necesidad de sistemas de aire acondicionado convencionales basados ​​en compresores, en climas no tropicales. También pueden ayudar a equilibrar la red eléctrica para respaldar el suministro fluctuante de otras fuentes de energía renovables. ^{[ 1 ]} Además, proporcionan el beneficio adicional de una entrada de aire fresco controlado, filtrado y templado, lo cual es especialmente valioso en envolventes de edificios herméticas, bien aisladas y eficientes.

Una alternativa al intercambiador de calor tierra-aire es el intercambiador de calor agua-tierra. Este es similar a una bomba de calor geotérmica, con tuberías enterradas horizontalmente en el suelo (o una sonda vertical ) a una profundidad similar a la del intercambiador de calor tierra-aire. Utiliza aproximadamente el doble de longitud de tubería de 35  mm de diámetro, por ejemplo, unos 80 m, en comparación con los 40 m de un intercambiador de calor tierra-aire. Se coloca una serpentina intercambiadora de calor antes de la entrada de aire del ventilador de recuperación de calor. Normalmente se utiliza una solución salina (agua con alta concentración de sal) como fluido de intercambio de calor.

Muchas instalaciones europeas utilizan ahora este sistema debido a su facilidad de instalación. No requiere desnivel ni punto de drenaje y es seguro gracias al menor riesgo de moho.

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• Yakhchāl

• Agencia Internacional de Energía, Centro de Infiltración de Aire y Ventilación, Documento Informativo sobre Ventilación N.º 11, 2006, "Uso de intercambiadores de calor tierra-aire para refrigeración".

• Ahorradores de energía: Tubos de refrigeración terrestre (Departamento de Energía de EE. UU.) Archivado el 5 de enero de 2010 en Wayback Machine.