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Consiguen un ahorro de un 70% de energía en las bombas de calor geotérmicas

Otro trabajo crea un método para diseñar ventanas eficientes


Investigadores de la Universidad de Valencia y de la Politécnica de Valencia han diseñado un método para conocer la conductividad térmica de las capas geológicas del subsuelo, localizando las más eficientes en la cesión o absorción de calor, permitiendo ahorrar un 70% de energía en bombas de calor para climatización, por ejemplo. Además, la Universidad de Sevilla ha creado un sistema para diseñar ventanas eficientes energéticamente. Por Carlos Gómez Abajo.


Carlos Gómez Abajo
Carlos Gómez Abajo, redactor de Tendencias21, es máster en periodismo (El País-UAM), Experto en... Saber más del autor


El equipo de la UV. Fuente: UV.
El equipo de la UV. Fuente: UV.
Investigadores de la Universitat de València y de la Universitat Politècnica de València, ambas integrantes del ecosistema de innovación Global ImasT, de eGauss, 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 de este trabajo al 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, informa la UV en una nota.

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 (Test de Respuesta Térmica), 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 se producía 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”, destaca Nordin Aranzabal, investigador del Departamento de Ingeniería Electrónica de la UV.

“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 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 UV, y dos de la UPV, ha sido publicado en Applied Thermal Engineering.

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, señalan los investigadores.

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.

Simulaciones

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.

El Grupo investigación de Diseño de Sistemas Digitales y de Comunicaciones 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 grupo 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.

Ventanas

La Universidad de Sevilla -también integrante de Global ImasT, que celebrará su evento anual en noviembre- ha publicado en la revista Applied Energy un estyudio que determina la forma, tamaño y posición de las ventanas para aprovechar al máximo la luz natural en función de la orientación de la abertura, el color de las superficies de la habitación y las condiciones climáticas.

Por ejemplo, en una habitación de superficies claras perteneciente a una vivienda localizada en Madrid con orientación norte, para que haya una buena iluminación hasta cuatro metros de distancia, se recomienda una ventana que ocupe el 20% de la superficie de la fachada. En el caso de una habitación más profunda bajo las mismas circunstancias, para obtener una correcta iluminación hasta seis metros, la ventana deberá ocupar el 30% de la fachada.

Este estudio se basa en una métrica denominada Autonomía de Luz Natural, que permite conocer el porcentaje del tiempo durante el año en el cual se consigue un umbral mínimo de luz natural sin necesidad de usar iluminación eléctrica. Se analizaron los requisitos mínimos de iluminación en viviendas localizadas en Madrid, Múnich, Estocolmo y Londres, teniendo en cuenta también las condiciones de cielo de cada una de estas ciudades.

El objetivo de esta investigación, explica la US en una nota, era cuantificar esta métrica en una habitación residencial para diferentes modelos de ventanas y analizar los resultados obtenidos. La reflectancia de las superficies y la geometría de la ventana ran variables.

A través del programa DaySim 3.2 los expertos realizaron simulaciones informáticas para cada modelo de acuerdo con diferentes orientaciones y condiciones climáticas. Después de los ensayos, se concluyó que la Autonomía de Luz Natural es proporcional al tamaño de la ventana y la reflectancia de las superficies en la parte posterior de la habitación, mientras que su influencia cerca de la fachada es insignificante.

Sin embargo, el consumo de energía no depende tanto la forma de la ventana. Además, los resultados obtenidos apuntan también que las ventanas ubicadas con un dintel más alto proporcionan mayor iluminación en el fondo de la sala que aquellas que se encuentran en el centro de la fachada.

Mejor horizontales

“En general, las ventanas horizontales son más recomendables que las verticales porque ofrecen una distribución luminosa más homogénea y produce menos contrastes, lo que disminuye la fatiga visual y aumenta el confort lumínico dentro de la vivienda”, señala el profesor Ignacio Acosta.

El color de las paredes también influye, y mucho, en el bienestar psicológico y en el ahorro energético: “Las superficies claras, con alta reflectancia, permiten que la luz natural alcance con facilidad el fondo de las habitaciones, mientras que los tonos oscuros absorben la luz, provocando que la dependencia de la luz artificial llegue a duplicarse en el fondo de la sala”, afirma Acosta.

“En el Grupo de Investigación Arquitectura, Patrimonio y Sostenibilidad: Acústica, Iluminación, Óptica y Energía, tratamos de dar soluciones a los arquitectos para incrementar el confort general de las viviendas y edificios terciarios, utilizando para ello herramientas prácticas y sencillas que se adaptan a las características propias de cada espacio, ya sea tanto arquitectura de nueva construcción como rehabilitación y patrimonio”, señala el profesor de la Escuela de Arquitectura Miguel Ángel Campano.

Referencias bibliográficas:

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. (2016). DOI:10.1016/j.applthermaleng.2015.12.109.

Ignacio Acosta, Miguel Ángel Campano, Juan Francisco Molina: Window design in architecture: Analysis of energy savings for lighting and visual comfort in residential spaces. Applied Energy (2016). DOI:10.1016/j.apenergy.2016.02.005

Martes, 21 de Junio 2016
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