Guía Técnica. Diseño de sistemas de bomba de calor geotérmica

Diseño del
intercambiador
de calor enterrado
En el diseño de los intercambiadores de calor enterrados
intervienen múltiples factores que hacen factibles
distintas variantes de diseño para un mismo sistema. De
la habilidad del proyectista depende buscar aquella configuración
que sea más adecuada a las características
del proyecto a realizar y que permita obtener el máximo
rendimiento de la instalación al menor coste posible.
Existen en el mercado varios programas comerciales
de diseño de intercambiadores de calor enterrados. En
esta guía se va a desarrollar la metodología de diseño
de la Internacional Ground Source Heat Pump Association
(IGSHPA), metodología válida para una primera
aproximación al diseño de sistemas geotérmicos.
El método IGSHPA para el diseño de intercambiadores
enterrados está basado en la teoría de la fuente de calor
en forma de una línea infinita (Kelvin Line Source
Theory) desarrollado por Ingersoll y Plass. Según esta
teoría un intercambiador de calor que cede calor al suelo
se comporta como una fuente de calor con un espesor
pequeño y una longitud infinita, y por tanto sólo cede
calor en el sentido radial.
Es un método de cálculo estático que asume que el sistema
funciona durante un tiempo determinado a una carga
constante y con el suelo a la temperatura más desfavorable,
es decir, el mes de enero para calefacción y el mes de
julio para refrigeración, y con una temperatura de agua
fija. Durante los restantes meses, la temperatura del aire
será más moderada, y por lo tanto la carga calorífica o
frigorífica será menor. Además el suelo no estará tan frío
(en inverno) o tan caliente (en verano), lo que hará que
la temperatura del agua sea más moderada y el sistema
funcionará con un mayor rendimiento.
5.1 Procedimiento de diseño de un
intercambiador enterrado
5.1.1 Elección de la bomba de calor
Las especificaciones de la bomba de calor fijan varios
parámetros de diseño del intercambiador de calor enterrado,
ya que nos determinan el calor intercambiado
con el suelo y el caudal circulante por el intercambiador
de calor, además de fijar el rendimiento del sistema
(Coefficient of Performance COP) de acuerdo con sus
curvas características de potencia-temperatura.
El COP de una bomba de calor representa la relación entre
la capacidad térmica de la misma (Q) y la potencia
eléctrica consumida para suministrarla (W). Su definición
para los modos de calefacción y refrigeración es la
siguiente, así como la relación entre el calor absorbido
o inyectado al terreno.
COPcalefacción = Q calefacción
Wcalefacción (4)
Q absorbido = Qcalefacción − Wcalefacción
(5)
COP refrigeración = Q refrigeración
W refrigeración (6)
Qinyectado = Q refrigeración + Wrefrigeración
La selección de la bomba de calor se realiza a partir
de un cálculo de cargas térmicas de acuerdo a las exigencias
de diseño y dimensionado especificadas en el
Reglamento de Instalaciones Térmicas.
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