T-059 - Universidad Nacional del Nordeste

Resumen: T-059
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL NORDEST E
Comunicaciones Científicas y Tecnológicas 2006
Ensayo de respuesta térmica de un intercambiador vertical en subsuelo:
resultados preliminares del primer sistema en Argentina.
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Busso, A. J. - Cabral, G. - Koper, M. - Sogari, N.
1. Dpto. de Física – Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, UNNE.
Campus Libertad – Av. Libertad 5600 – 3400 Corrientes – Argentina.
Tel. 03783 473931 ext 129 – Fax. 03783 473930 – e-mail: ajbusso@exa.unne.edu.ar
2. Graduada Holandesa cursando la Especialidad en Energías Renovables en la FaCENA
RESUMEN: Se presentan los resultados del ensayo de respuesta térmica realizado en el primer intercambiador de calor
vertical de pozo en subsuelo. Este sistema es el primero en su tipo en Argentina. Se comparan los valores de
conductividad térmica λ del subsuelo y resistencia térmica Rb del pozo intercambiador de calor obtenidos por el método
gráfico de la pendiente y por otro de ajuste paramétrico de datos experimentales. En este último, se empleo la función
solución, y sus aproximaciones, del modelo matemático que representa el proceso de transferencia de calor, con λ y Rb
como variables de ajuste. Como índice comparador de toma el error medio cometido entre las curvas teórica y
experimental de temperatura de fluido vs. Tiempo. Los resultados muestran que el terreno presenta una alta
conductividad térmica lo que, en principio, lo haría apropiado para utilizarlo como sumidero de calor en sistemas de
bombas de calor acopladas al subsuelo.
Palabras clave: almacenamiento térmico, UTES, BHE, propiedades térmicas del subsuelo
INTRODUCCION
El interés por el almacenamiento de energía directamente en forma de calor sensible o latente es relativamente
nuevo. Su comienzo se remonta a la primera crisis del petróleo de 1973-1974. Como resultado de los eventos y
situaciones que esta crisis planteó surgió el interés por nuevas fuentes de energía además de novedosas y más eficientes
formas de utilización de la misma.
Dentro este nuevo campo, el almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES – Underground Thermal
Energy Storage) (IEA, 1995; ASHRAE, 1998) a tenido en los últimos años un empuje particular. En su forma más
simple, un sistema UTES consiste en una serie de pozos intercambiadores de calor (BHE – Borehole Heat Exchanger)
interconectados por los que circula un fluido caloportador. La Fig.1 muestra uno de tales pozos intercambiadores.
Debido a la inversión requerida para poner en práctica este tipo de sistemas, es de suma importancia desarrollar
métodos que permitan su diseño y optimización antes de encarar su construcción. Una de las maneras de lograr este
objetivo es mediante cálculo y simulación. En ese contexto, la conductividad térmica, λ, del subsuelo y la resistencia
térmica, Rb, entre el fluido calo portador y la pared del pozo, son dos parámetros que afectan la eficiencia del depósito
de calor y es por ende deseable su determinación.
El ERT (Ensayo de Respuesta Térmica) es un procedimiento experimental que permite determinar in situ tanto λ
como Rb. Este ensayo, consiste en hacer circular durante varios días un fluido calo portador a través del pozo/s
intercambiador/res de calor y monitorear la temperatura de entrada y salida del sistema. Fig.2 muestra el detalle del
circuito hidráulico utilizado en este trabajo y que se describe en detalle mas adelante. Una condición importante es que
durante la duración del experimento la potencia de inyección o extracción de calor sea constante y conocida.
Dado que el ensayo de respuesta térmica se realiza con un solo pozo, el análisis de los datos recopilados durante el
mismo se basa en un modelo teórico que primero, no contempla interacciones entre pozos y segundo, asume potencia de
inyección / extracción constante (Helltröom G., 1991). Por otro lado, el proceso de evaluación de datos por el método
gráfico convencional de la pendiente, requiere de la aplicación de criterios de selección y discriminación de datos que
implica contar con cierta experiencia por parte del evaluador (Busso et al, 2000).
El presente escrito expone los resultados del ensayo de respuesta térmica realizado sobre el primer BHE instalado en
la Argentina. Se presenta una breve descripción del sistema y los resultados obtenidos para λ y Rb obtenidos. Dichos
parámetros térmicos del sistema Pozo intercambiador – Subsuelo se calcularon aplicando el método convencional de
determinación de la pendiente y por ajuste de los datos experimentales utilizando como función de ajuste la solución al
modelo teórico que describe el proceso de transferencia térmica, con λ y Rb como variables de ajuste.
Fig.1.- Detalle de sistema de pozos
intercambiadores de calor
(BHE- Borehole Heat Exchanger)
Fig2.- detalle del circuito hidráulico utilizado para la realización del ensayo.
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FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Para comenzar el análisis partimos de la ecuación fundamental de conducción del calor:
∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T 1 ∂T
[1]
+
+
= *
∂x 2 ∂y 2 ∂y 2 a ∂t
Suponiendo al pozo intercambiador de calor como una fuente lineal de calor por la cuál se inyecta energía con
potencia q = Q/H constante, la solución general de [1] viene dada por
Tr (t ) = Tsur +
 at 
Et  2 
4πλH  r 
Q&
∞
con
2
at
) = ∫ dz ' e − r / 4 at
2
r
−∞
T f − Tr (t ) = Rb
;
λ
[2]
cr
Considerando que entre el fluido calo portador y la pared del pozo existe una resistencia térmica, Rb [K/(W/m)], se
cumple que:
Et (
a=
Q&
H
[3]
Reemplazando [2] en [3] se obtiene la expresión general de la temperatura del fluido:
− r 2C


'
t
Q  e 4 .λ ( t − t ) '  Q
[4]
T (λ , Rb ) =
dt  + Rb + Tsur

4.π .λ.H  ∫0 t − t '
H



La expansión en series de E1(r2/4at) permite aproximar la solución eliminando términos de acuerdo con dos criterios
de tiempo: at/r2 > 0.5 y at/r2 > 5 obteniéndose tres expresiones:
a) T f = k (λ ) ln(t ) + m
b) T (λ , Rb ) =
Q
4.π .λ.H
método de la pendiente
[5]
 4.λ.t
 Q
ln( r 2 C ) − γ  + H Rb + Tsur
at/r2 > 5
[6]
El error cometido mediante estas aproximaciones es de aproximadamente un 2%.
IMPLEMENTACION DEL BHE
El BHE se instaló en una zona contigua al edificio de la Facultad. La perforación se realizo manualmente mediante
el método de barrenado hasta una profundidad de 21 m. La Fig.3 muestra una foto tomada durante el trabajo de
perforación y otra de la barrena utilizada. A medida que la perforación avanzaba se introducía un encamisado de
contención y cierre consistente en tubos de PVC reforzado de 0.110 m de diámetro. La perforación permitió caracterizar
el subsuelo local y determinar el contenido de humedad de diferentes muestras de suelo tomadas durante el desarrollo
de la misma. Los resultados se detallan en la Tabla 1.
Figura 3.- trabajo de perforación y vista de la barrena
Tabla 1.- Tipo de suelo y contenido de humedad según la profundidad.
Profundidad (m)
Tipo de suelo
0-2
2-4
4–8
8 – 11
11 – 14
14 – 19
16 - 19
20 - 21
Arcilla pobre
Arcilla rica
Arcilla pobremente mezclada con arena
Arena saturada – 1ra. napa
Arena húmeda
Arena saturada – 2ra. Napa
Arena muy suelta - acuífera
Arena compactada con rastros de arcilla
Contenido de humedad en base
húmeda (%)
8.13
9.65
8.66
8.48
8.5
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Terminada la perforación se introdujo el intercambiador propiamente dicho y se extrajo el encamisado. Dada las
características altamente saturadas del subsuelo, la remoción del encamisado produjo el colapso del terreno circundante
sellándose la perforación en forma natural con el mismo tipo de material del terreno sin perturbar. De esta manera la
transferencia de calor es directa desde el tubo intercambiador al subsuelo. Esta es una diferencia respecto de los
sistemas empleados normalmente, en los cuales se rellena el espacio entre la pared del pozo y el intercambiador con un
material de sellado, típicamente una mezcla de bentonita, cemento y agua.
El intercambiador se compone de dos tubos de polietileno de reforzado (empleado en instalaciones de agua
domiciliarias) de 0.025 m de diámetro unidos en su extremo inferior formando un circuito U. La Figura 4 muestra un
detalle del extremo en U. La longitud total del circuito U es de 24 m cada rama. El esquema del sistema hidráulico
utilizado se muestra en la Fig.2. Los componentes principales del mismo son: una bomba de agua de 370W de potencia
eléctrica y caudal máximo de 2000 lt/h, un caudalímetro con salida digital, de 1 pulso/lt,, un calefactor eléctrico por
contacto indirecto de 1500 W con termostato regulable y un tanque de agua que cumple una doble función, de reserva y
de expansión. Por practicidad constructiva y para reducir acoplamiento térmico con el ambiente, se utilizó tubería de
polipropileno (ppm) para interconectar los componentes. Combinando las válvulas V1, V2 y de Bypass se puede acoplar
o desacoplar hidráulicamente el BHE del resto del circuito. El caudal se regula mediante la válvula reguladora de flujo y
la válvula V3 es solo para aislar el tanque y poder desmontarlo.
Las temperaturas de entrada y salida del BHE se miden con sensores PT100 con vaina de acero de 6 mm en contacto
directo con el flujo de agua del circuito y a contra corriente. Tanto estos sensores como la señal del caudalímetro se
registran en por medio de un data logger a intervalos de tiempo previamente programados de acuerdo con las
necesidades del estudio a realizar. Esto es, si el objetivo es analizar estados transitorios se fijaron lecturas cada 30 s. De
lo contrario cada 5 o 10 min. Los datos se almacenan en una unidad de memoria y luego son bajados a una PC por
medio de un programa bajo DOS. La potencia eléctrica suministrada por el calefactor se determina manualmente
midiendo simultáneamente tensión y corriente sobre el mismo. La potencia térmica media de inyección durante el
ensayo fue de 1622 W.
Todo el conjunto se montó en un gabinete provisto de alimentación eléctrica. En la Fig.5 se aprecia un detalle de la
distribución de componentes dentro del gabinete. Esta gabinete se instaló cercano a los tubos de entrada y salida del
BHE y se conecto hidráulicamente al mismo mediante acoples rápidos de polipropileno (ppm). Los tubos de conexión
entre el gabinete y el BHE se aislaron térmicamente con espuma de poliéster y se revistió con cinta impermeable de
hule.
Figura 4.- Detalle del
extremo en U del tubo
intercambiador
Figura 5.- Vista de la distribución de los componentes en la unidad de medición y detalle
del acople hidráulico al BHE y ubicación de los sensores de temperatura
RESULTADOS OBTENIDOS
La Tabla 2 detalla los resultados de la evaluación de datos. Se analizaron tres intervalos diferentes de la gráfica de la
temperatura media del fluido en función del ln(t). Esto es debido a que la aproximación utilizada en el método de la
pendiente exige descartar un número de horas de datos iniciales. Se incluyen además en la Tabla 1, los resultados de la
evaluación mediante el método de ajuste paramétrico. La última columna indica el error cuadrático acumulado para
cada caso.
La figura 6 muestra la temperatura madia del fluido en función del ln(t) y la curva de ajuste, a partir de cuya
pendiente se determina la conductividad térmica. En la Fig.7 evolución temporal de la temperatura media experimental
del fluido (curva azul) superpuesta a la predicha por el modelo teórico utilizando los valores calculados de? y Rb
mediante ajuste paramétrico (Tabla 2 última fila). En la misma se puede observar el buen ajuste y el bajo error
cuadrático acumulado.
Se debe destacar que el valor relativamente alto obtenido para λ puede deberse a la acuífera presente a los 19 m de
profundidad que promueve una disipación rápida del calor inyectado. Por otro lado, la baja resistividad térmica Rb
puede atribuirse a que el conducto por el que circula el fluido calo portador esta en contacto directo con el subsuelo a
diferencia de los sistemas convencionales en los que existe un material de relleno que incorpora una resistencia térmica
adicional.
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Tabla 2.- Resultados de la evaluación.
Intervalo (h)
0 - 209
3 - 209
6 - 209
ORIGIN Slope
ORIGIN 2PCF
Figura 6.- Aplicación del método de la
pendiente para la determinación de λ
λ
Rb
slope (W/K m) (K/W/m)
2.0678 2.9695 0.0424
2.0118 3.0522 0.0474
2.0075 3.0587 0.0477
2.07184 2.9637 0.0420
2.9637 0.0420
ECAc.
11.027
13.427
13.705
10.943
10.943
Figura 7.- evolución temporal de temperatura media del fluido
experimental (curva azul) y calculada a partir del modelo (curva
roja)
CONCLUSIONES.
1.- Se presentan los resultados del primer ensayo de respuesta térmica realizado en Argentina a un intercambiador de
calor vertical de pozo.
2.- El valor de λ y Rb obtenidos indican buenas posibilidades para utilizar este tipo de sistemas como sumidero de calor
en bombas de calor acopladas al subsuelo.
3.- Dadas las características de nuestro intercambiador, la resistensia térmica a la transferencia de calor al subsuelo
resulta baja lo que permite un alta densidad de potencia de inyección (70 W/m) comparada con la de 50 W/m usada
normalmente.
REFERENCIAS
ASHRAE (1998), Operating Experiences with Commercial Vertical Borehole Groundloop Heat Pump
Installation, Vol. 1, N°8.
Austin III, W. A., (1998), Development of an In Situ System for Measuring Ground Thermal Properties. Tesis de
Maestría, Oklahoma State University.
Busso A., Reuss M., Müller J., Sograri N. (2000), Almacenamiento Subterráneo de Energía Térmica: Resultados de un
Ensayo de Respuesta Térmica del Subsuelo. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 4, Nº 1.
Helltröom G. (1991) Ground Heat Storage – Thermal Analyses of Duct Storage Systems, Dep. of Mathematics,
University of Lund, Sweeden.
IEA (1995), Implementing Agreement on Energy Conservation Through Energy Storage, Annex 8,4th.