GEO - AIRE SISTEMA DE ACODICIONAMIENTO DE AIRE CON INTERCAMBIADOR DE CALOR GEOTÉRMICO, GEOAIRE Dr. Jesús García González Dr. Abraham Olivares Arriaga
QUÉ ES GEO-AIRE? El sistema GeoAire, está conformado por dos intercambiadores de calor: un intercambiador agua-suelo (pozo geotérmico) y un intercambiador agua-aire (manejadora de aire o UMA). El sistema aprovecha la temperatura prácticamente constante del suelo durante todo el año, que se estima esté alrededor de los 20 C.
QUÉ ES GEO-AIRE? Esquema de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica Dimensiones del intercambiado de calor subterráneo de referencia
1. ANÁLISIS NUMÉRICO UTILIZANDO ANSYS CFD PROCESO DE DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN 2. PRUEBAS DE CAMPO 3. IMPLEMENTACIÓN EXPERIMENTAL
ANALISIS NÚMERICO Salida de Flujo Entrada de Flujo Salida de Flujo Entrada de Flujo Balance de Energía Temperatura constante o convección Perfil de Temperaturas Perfil de Temperaturas Paredes adiabáticas Temperatura constante Perfil de Temperaturas
ANALISIS NÚMERICO 1. Obtener el perfil de temperatura a lo largo de la profundidad del suelo en el dominio de tierra únicamente (sin considerar el intercambiador del calor) T Qʹʹ = λ = CE LR+ SR LE y y= 0 CE = h( T T s ) LR = σ e T T 4 4 ( s cielo) SR = (1 albedo) G Tcielo = 0.05532 1.5 T ( ) ( ) LE = 0.0168 fh ats + b rh at + b u 5.678 0.775 + 0.35 si u 4.88 m/s 0.304 < h = 0.78 u 5.678 0.775 + 0.35 si u < 4.88 m/s 0.304 Dominio de cálculo propuesto para la obtención del perfil de temperaturas
ANALISIS NÚMERICO 2. Evaluar el régimen térmico sujeto a los perfiles de temperatura obtenidos en el paso anterior. Dominio de cálculo para la segunda etapa de análisis
ANALISIS NÚMERICO Intensidad de Radiación Solar (W/ m2) 1200 1000 800 600 400 200 Comportamiento de la temperatura ambiente para un día representativo en verano (15 de Julio de 2015) e invierno (15 de Enero de 2015) Día en invierno Día en verano 0 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 24:00 Hora Temperatura ( C) 30 25 20 15 10 Dia en invierno 5 Día en verano 0 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 24:00 Hora Comportamiento de la intensidad de radiación solar para un día representativo en verano (15 de Julio de 2015) e invierno (15 de Enero de 2015)
ANALISIS NÚMERICO Modelo geométrico generado Malla estructurada obtenida sobre el modelo geométrico
ANALISIS NÚMERICO Primer semestre del año 2015 Segundo semestre del año 2015 Variación de la temperatura de la tierra en función de la profundidad en Salamanca, Guanajuato durante el 2015
ANALISIS NÚMERICO Perfil de temperatura para el intercambiador geotérmico en la ciudad de Salamanca, Gto., durante el primer cuatrimestre del año 2015. a) Mayo, b) Junio, c) Julio y d) Agosto.
ANALISIS NÚMERICO Variación de temperatura del fluido entre la entrada y la salida del intercambiador de calor
PRUEBAS DE CAMPO ANÁLISIS DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Un diámetro del barreno de 200 m (aprox. 8 ). Una longitud del barreno de 35 m para permicr la inserción de una guía para la manguera. Un diámetro nominal de manguera de PEAD de 32 mm. La inserción de la manguera se realizará hasta una profundidad de 33 m
PRUEBAS DE CAMPO ANÁLISIS DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Velocidades de perforación y clasimicación del suelo VELOCIDAD (cm/s) 1. De 0 a 5 m: Arcilla dura 2. De 5 a 18.5 m: Arena uniforme 3. De 18.5 a 28 m: Arena limosa 4. De 28 a 34.5 m: Arcilla suave PROFUNDIDAD (m) 0.0 0 2.0 4.0 6.0 8.0 ARCILLA DURA ρ = 1650-1750 kg/m 3-3 ARENA UNIFORME DENSA -6 ρ = 1800-1900 kg/m 3-9 -12-15 -18 ARENA LIMOSA DENSA ρ = 1900-2000 kg/m 3-21 -24-27 ARCILLA SUAVE ρ = 1100-1400 kg/m 3-30 -33 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 VELOCIDAD (cm/s)
PRUEBAS DE CAMPO ANÁLISIS DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Medición de Temperaturas, Potencia, Mlujo y presión para prueba de conductividad
PRUEBAS DE CAMPO ANÁLISIS DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Resultados Después de varias iteraciones, el resultado para la conductividad térmica y para la difusividad del suelo determinados fueron: k = 4.776 W / mk α = 2 01.9m / día
PRUEBAS DE CAMPO ANÁLISIS DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Conclusiones: 1. Se deminió la metodología empleada para la elaboración de un pozo geotérmico. 2. Se deminió el procedimiento para la clasimicación básica del suelo basándose en la velocidad de perforación. 3. Fue deminida una metodología para relacionar la velocidad de perforación y la estratimicación del suelo. 4. Se elaboró un cabezal para pruebas hidráulicas en el intercambiador de calor geotérmico. 5. Se elaboró un proceso para comprobar la hermeticidad del intercambiador de calor geotérmico. Esta prueba es de suma importancia ya que no existe un método visual para la detección de fugas a baja y alta presión. 6. Se comprobó la necesidad de crear una etapa de recirculación y estabilización de la temperatura del Mluido del trabajo antes de realizar la prueba de conductividad térmica. 7. Para el suelo estudiado, se obtuvo una conductividad térmica de 4.776 W/m-k y una difusividad de 0.19 m 2 /día.
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Volumen de control a climaczar; oficina móvil con las siguientes especificaciones: Espesor 50.8 mm (2 ) Calibre de la lámina exterior 24 Calibre de la lámina interior 26 Factores de aislamiento R U 0.043 m-k/w 0.129 W/m-K Peso Cal. 24/26 11.94 kg/m 2
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Unidad Manejadora de aire. Se realiza el intercambio de calor entre el aire ambiental y el Mlujo proveniente de la perforación. La UMA puede ser conectada a una tensión de 120V, por lo que es adecuada para el manejo de aire de unidades habitacionales. De igual forma, el Mlujo nominal de aire que es capaz de impulsar es de 1200 cfm @ 1.55 inh 2 O
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Sistema de distribución. Se opto por distribuir el Mlujo de aire por conducto metálico para la intemperie y ducto textil para el interior logrando una distribución mas uniforme.
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Sistema de distribución. Se opto por distribuir el Mlujo de aire por conducto metálico para la intemperie y ducto textil para el interior logrando una distribución mas uniforme.
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Combinaciones de 5lujo volumétrico de aire. Para caracterizar el Mlujo volumétrico, se tomaron en cuenta los siguientes 3 casos de manejo de aire: 1. Compuerta de renovación abierta al 100% 2. Compuerta de renovación abierta al 50% 3. Compuerta de renovación completamente cerrada Flujo de aire en m3/s 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 y = 0.4309e 0.3295x R² = 0.99728 y = -0.652x 2 + 0.956x + 4E-16 R² = 1 Inyección Retorno Exponencial (Inyección) 0.00 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Apertura de la compuerta de renovación
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Condiciones ambientales dentro del recinto de prueba.
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Conclusiones: 1. Para la UMA, fue obtenido el comportamiento de inyección y retorno de aire de acuerdo a la apertura de la compuerta de renovación instalada en la cámara de mezclado a forma de economizador. De esta forma, se observa que la UMA es capaz de impulsar un Mlujo máximo de 0.6018 m 3 /s (1275 cfm) con una renovación de 0.304 m 3 /s (644 cfm), es decir, una proporción 50-50 de aire renovado y aire de recirculación. 2. La extrapolación de los resultados fue posible únicamente con el empleo del equipo termográmico 3. Se observó que la UMA pierde emiciencia al cerrar completamente la compuerta de renovación de aire, con lo que el Mlujo máximo entregado bajo esta condición es de 0.433 m 3 /s (918 cfm), lo que equivale a una caída de 38% en Mlujo inyectado de aire. 4. Las mediciones mostraron que el comportamiento del Mlujo inyectado de aire responde a una curva exponencial con respecto a la apertura de la compuerta de renovación de aire.
IMPLEMENTACIÓN RENDIMIENTO TÉRMICO Conclusiones: 5. Las mediciones mostraron que el comportamiento del Mlujo inyectado de aire responde a una curva exponencial con respecto a la apertura de la compuerta de renovación de aire. 6. De acuerdo con los resultados, se mostraron las siguientes variaciones de temperatura dentro del recinto acondicionado con respecto a la temperatura ambiental: se redujo la temperatura en 3.30 C, la temperatura de bulbo húmedo decreció de un promedio de 20 C a un promedio de 14 C y el punto de rocío cayó de una temperatura promedio de 10 C a un promedio de 2.5 C. 7. La humedad relativa del recinto cayó drásticamente de un promedio de 46% a un promedio de 23% después de 30 minutos de funcionamiento del sistema GeoAire. 8. De acuerdo con las grámicas expuestas en el documento mencionado, el intervalo de temperatura agradable para una temperatura ambiental de 33 C, va de los 25 C a los 29 C; el sistema GeoAire llevó la temperatura del recinto a dentro de este intervalo de confort.
Preguntas?