20/06/2016 - Conocer la conductividad térmica de las capas geológicas permite incrementar la eficiencia en las bombas de calor geotérmicas

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Investigadores de la Universitat de València y de la Universitat Politècnica de València han propuesto un método para conocer la conductividad térmica de las capas geológicas del subsuelo, localizando las más eficientes en la cesión o absorción de calor. La aplicación del trabajo en el diseño de intercambiadores para bombas de calor, utilizadas en climatización y agua caliente sanitaria, puede ahorrar hasta el 70% de energía consumida respecto a bombas convencionales.

La novedosa metodología para localizar las capas geológicas con gran capacidad de absorción o cesión de calor se ha realizado a partir de pruebas experimentales estándar (TRT), ampliadas con mediciones de temperatura a diferentes profundidades, realizadas por un procedimiento sencillo y en localizaciones conocidas. Hasta ahora, los métodos estándar de medida de la capacidad de extraer o inyectar calor al subsuelo únicamente permitían obtener un valor promedio del entorno en el que realizaba la transferencia de calor, no pudiendo identificar las zonas más eficientes.

“Este conocimiento detallado es muy importante en el diseño de intercambiadores de calor geotérmicos o acoplados al terreno, ya que la utilización de estos datos en su diseño puede lograr que se reduzcan los costes de instalación, al aprovechar mejor las zonas con más capacidad de intercambio, reduciendo los tiempos de retorno de la inversión y maximizando los ahorros económicos y energéticos”, ha destacado Nordin Aranzabal, investigador del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universitat de València.

“Los intercambiadores de calor geotérmicos se utilizan junto con bombas de calor para climatización, habiendo demostrado ahorros que pueden llegar al 70% de la energía eléctrica respecto de bombas de calor convencionales. Además, aproximadamente el 40% de la energía que se consume en edificios se dedica a climatización”, apunta Aranzabal.

Los investigadores, pertenecientes a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ETSE) de la Universitat de València, citan además otras ventajas de la aplicación de este método, como la disminución del impacto sobre los edificios al no necesitarse intercambiadores de calor con el aire ni torres de refrigeración; la minorización de riesgos para la salud por legionela y la reducción de huella de carbono.

El trabajo en el que han participado cinco investigadores de la Universitat de València del Departamento de Ingeniería Electrónica, y dos investigadores de la Universitat Politècnica de València, ha sido publicado en Applied Thermal Engineering recientemente.

Cabe resaltar que este tipo de instalaciones, que son habituales en países fríos de Europa y América debido a sus condiciones climáticas más rigurosas, son muy importantes para un uso sostenible de la energía y, gracias a trabajos como el desarrollado, cada vez se está extendiendo más su uso a regiones con climas más templados. Además, estos sistemas presentan índices de eficiencia muy elevados, y por ello reciben la consideración de energía renovable.

La construcción del intercambiador queda restringida en áreas climáticas menos rigurosas, como el Mediterráneo, en la que otras tecnologías pueden resultar más económicas.

La constatación de la carencia de datos detallados sobre el proceso de intercambio de calor a lo largo de los tubos enterrados en el subsuelo, y por tanto, la imposibilidad de aprovechamiento de capas con alto contenido en humedad y flujos de agua, es el factor que llevó a los investigadores a desarrollar instrumentos para la obtención de medidas adicionales para caracterizar mejor los intercambios de calor en la perforación.

De la aplicación de estos procedimientos de medida sobre un intercambiador geotérmico experimental se obtuvieron los datos –perfiles de temperatura en un tubo observador auxiliar– que han permitido ajustar las características térmicas del subsuelo en un modelo de simulación que reproduce el comportamiento de la instalación.

Las simulaciones han utilizado un modelo tridimensional del intercambiador, que mediante la técnica de elementos finitos, ha reproducido el comportamiento de los datos medidos durante lo que se conoce como Test de Respuesta Térmica o TRT, ajustando para ello la capacidad de intercambio de calor con la profundidad del terreno circundante.

Grupo de Diseño de Sistemas Digitales y de Comunicaciones (DSDC)

El Grupo investigación de Diseño de Sistemas Digitales y de Comunicaciones (DSDC) de la Universitat de València està especializado en el diseño y desarrollo de sistemas electrónicos, desde la definición de las especificaciones hasta el prototipado precomercial. Creado en 1996, inicialmente desarrolló sistemas electrónicos de altas prestaciones para la generación y procesado de datos provenientes de los grandes detectores del Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) de Ginebra.

Actualmente, sus capacidades se desarrollan en Medicina Nuclear, Domótica y Hogar Digital, Eficiencia Energética, Inteligencia Ambiental y Detectores de Radiación. Así, trabaja en sistemas digitales integrados; tecnologías de comunicaciones inalámbricas; diseño digital de alta velocidad, o desarrollos electrónicos digitales basados en microcontroladores. El DSDC está compuesto por 4 profesores a tiempo completo y 4 estudiantes de doctorado. Las instalaciones del grupo en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería incluyen dos laboratorios.

Nordin Aranzabal

Nordin Aranzabal es titulado en Máster en Ingeniería Electrónica (2013) y Grado en Ingeniería Electrónica de Telecomunicación (2012) por la Universitat de València. Ha participado en tareas de investigación y desarrollo de aplicaciones hardware y software en el área de los sistemas embebidos, comunicaciones inalámbricas y diseños miniaturizados de ultra bajo consumo. Actualmente es estudiante de Doctorado en el Departamento de Ingeniería Electrónica y ha obtenido una ayuda de la Comisión de la Unión Europea con cargo al proyecto Europeo “CLIMATE KIC 2013: Advance strategies, methods and algorithms for optimal economical-technical sizing of a geothermal heat exchanger”. Asimismo, es el responsable de proyectos del IEEE University of Valencia Student Branch y uno de sus miembros fundadores.

Artículo:

N. Aranzabal, J. Martos, Á. Montero, L. Monreal, J. Soret, J. Torres, R. García-Olcina: Extraction of thermal characteristics of surrounding geological layers of a geothermal heat exchanger by 3D numerical simulations. Applied Thermal Engineering. Volume 99, 25 abril 2016. Pàg. 92–102.

Doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.12.109

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Universitat de València

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