ES2279702B1 - Panel y colector geotermicos. - Google Patents
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Abstract
Panel y colector geotérmicos. Panel (100) de intercambio de calor para colectores geotérmicos, el cual comprende un serpentín (120) y un bloque conductor térmico (130) que aloja al menos una parte de dicho serpentín. Dicho bloque comprende al menos dos perfiles provistos de medios de acoplamiento mutuo, los cuales están dispuestos a modo de entrantes y salientes que se encajan a presión. El acoplamiento entre dos perfiles adyacentes define el alojamiento para al menos un tramo del serpentín. Las caras del bloque conductor térmico están recubiertas por un recubrimiento elástico (150) capaz de compensar las contracciones que podrían reducir el contacto del bloque con el terreno.
Description
Panel y colector geotérmicos.
La presente invención se refiere a un panel de
intercambio de calor para colectores geotérmicos, que comprende un
serpentín y un bloque conductor térmico que aloja al menos una
parte de dicho serpentín, y a un colector geotérmico que comprende
un intercambiador de calor.
Es conocida la utilización de colectores de
energía geotérmica que funcionan en combinación con bombas de calor
semejantes a las empleadas en los aparatos de climatización
convencional. Las bombas de calor geotérmico se diferencian de las
bombas de calor atmosférico, empleadas en la climatización
convencional, en que intercambian calor con el terreno en lugar de
con el aire. El colector geotérmico proporciona el intercambio de
calor con el terreno.
En general, una bomba de calor es una máquina
que absorbe calor de una fuente térmica y lo entrega a un sumidero
térmico que está a una temperatura superior. Dependiendo de cuál
sea la fuente y cuál sea el sumidero, una bomba de calor puede
proporcionar tanto calefacción como refrigeración.
Las bombas de calor atmosférico convencionales
ofrecen un rendimiento (energía suministrada/energía absorbida)
relativamente bajo tanto en su aspecto de calefactores como en su
aspecto de refrigeradores. En efecto, en invierno la bomba ha de
absorber calor de un aire que está a una temperatura muy baja,
próxima a los 0ºC, y en verano ha de ceder calor a un aire que ya
está muy caliente, a más de 30ºC. En ambos casos el consumo de
energía necesario para el funcionamiento de la bomba de calor es
elevado.
Las bombas de calor geotérmico tienen un
rendimiento potencial mucho más alto porque disponen de una fuente
térmica o de un sumidero térmico, el terreno, que está a una
temperatura prácticamente constante, al menos a partir de una
cierta profundidad. En efecto, en la zona mediterránea a partir de
2 ó 3 metros de profundidad el terreno se mantiene a una temperatura
de unos 15ºC, con poca diferencia entre el verano y el invierno. En
verano, como la temperatura del terreno en realidad es más baja que
la del aire, el rendimiento como refrigerador de una bomba de calor
geotérmico puede llegar a ser extraordinariamente alto, ya que el
terreno actúa como sumidero térmico.
Un colector geotérmico comprende un
intercambiador de calor con el terreno que puede adoptar distintas
formas y puede ser instalado en diferentes disposiciones. El
intercambiador incluye un conducto por el que circula un fluido que
entra en el colector a una temperatura y sale de él a otra
temperatura. En invierno, la temperatura de salida del
intercambiador es más alta que la de entrada, y este aumento de
temperatura se aprovecha para proporcionar calefacción. En verano,
la temperatura de salida del intercambiador es más baja que la de
entrada, y esta disminución de temperatura se aprovecha para
proporcionar refrigeración.
Para mejorar el intercambio de calor,
normalmente el conducto del intercambiador tiene forma de
serpentín. Naturalmente una bomba de calor geotérmico será más
eficiente cuanto mayor sea el intercambio de calor entre el
intercambiador y el terreno circundante, y este intercambio de calor
será más elevado cuanto mayor sea la superficie del intercambiador
y cuanto mayor sea el flujo de calor entre el terreno y el
intercambiador.
Se han propuesto varias disposiciones para el
intercambiador de calor de un colector geotérmico. Al principio el
intercambiador consistía en un serpentín o conducto enterrado
horizontalmente. Este sistema es frágil y proporciona poca
superficie de intercambio térmico con el terreno. Para intentar
superar estos inconvenientes se rodeó el serpentín con un bloque
conductor térmico fundido sobre él, pero un bloque así es de
fabricación complicada, pesado y de difícil transporte y manejo.
Además, en caso de avería, un bloque de este tipo no se puede
reparar.
Por otra parte, como el desarrollo de colectores
geotérmicos se producía principalmente en países nórdicos, y dado
que en estos países la temperatura del terreno se estabiliza sólo a
partir de una profundidad bastante grande, se probó la alternativa
de enterrar verticalmente el conducto de intercambio en un pozo, en
algunos casos con algún otro dispositivo de intercambio, normalmente
cilíndrico, rodeando el conducto en el fondo o a lo largo del pozo;
con estos sistemas a menudo es necesario excavar pozos de más de
100 metros de profundidad.
En cualquier caso, enterrar horizontalmente el
intercambiador de calor bajo una gran superficie de terreno es
impracticable en zonas muy edificadas o donde el suelo es caro, y
enterrar verticalmente el intercambiador a lo largo de una gran
profundidad exige la construcción de un pozo, operación que
requiere una gran especialización y es complicada y costo-
sa.
sa.
Por otro lado, la intensidad del flujo de calor
entre el intercambiador y el terreno depende de la conductividad
térmica del intercambiador y de la conducción de calor entre éste y
el terreno. Dicha conducción puede verse obstaculizada por la
aparición de bolsas de aire que actúan como aislantes térmicos
entre el intercambiador y el terreno. Dichas bolsas de aire tienden
a formarse a poca profundidad, a causa de las contracciones y
dilataciones térmicas del terreno, las cuales pueden dejar huecos
entre éste y el intercambiador.
Un objetivo de la presente invención es el de
proporcionar un intercambiador de calor para colectores geotérmicos
que sea de fácil montaje e instalación, y que no requiera la
ejecución de una obra complicada.
De acuerdo con un aspecto de la invención, el
bloque conductor térmico comprende al menos dos perfiles provistos
de medios de acoplamiento mutuo. Dicho bloque es, pues, de montaje
sencillo.
Preferiblemente, al menos un tramo del serpentín
queda situado entre dos perfiles adyacentes. Para ello, al menos
algunos perfiles presentan, en la zona de acoplamiento con otro
perfil, al menos un alojamiento cóncavo para al menos un tramo del
serpentín.
En una realización, al menos algunos perfiles
presentan, en la zona de acoplamiento con otro perfil, al menos un
saliente destinado a encajar a presión en al menos un
correspondiente entrante de un perfil adyacente.
Ventajosamente, al menos algunos perfiles
comprenden en un lado un primer alojamiento cóncavo y en el lado
opuesto un segundo alojamiento cóncavo.
En una realización, al menos algunos perfiles
presentan, asociados a los extremos del segundo alojamiento, dos
salientes, y al menos algunos perfiles presentan, asociados a los
extremos del primer alojamiento, dos entrantes destinados a recibir
a presión los salientes de un perfil adyacente.
Ventajosamente, cuando se acoplan dos perfiles,
una extensión situada entre el segundo alojamiento y los salientes
de un perfil se superpone a una extensión situada entre el primer
alojamiento y los entrantes del otro perfil, de manera dichos
alojamientos primero y segundo definen conjuntamente el alojamiento
de al menos un tramo del serpentín en el bloque conductor
térmico.
Preferiblemente, al menos en algunos perfiles,
entre cada entrante y el primer alojamiento hay un resalte, y entre
cada saliente y el segundo alojamiento hay un rebaje, de manera
que, cuando se acoplan dos perfiles, los entrantes de un perfil
reciben a los salientes del otro perfil y los rebajes de éste acogen
los resaltes de aquél.
Para aligerar el bloque conductor térmico, al
menos un perfil está provisto de una oquedad.
En una realización, al menos una cara del bloque
conductor térmico está recubierta por un recubrimiento elástico
capaz de compensar las contracciones que podrían reducir el
contacto del bloque con el terreno.
Para evitar fugas y pérdidas de carga, el
serpentín está formado de una sola pieza.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, un
intercambiador de calor de un colector geotérmico comprende al
menos un panel como los descritos en este apartado.
A continuación se describirán, a título de
ejemplo no limitativo, varias realizaciones de la invención,
haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
la figura 1 es una vista en perspectiva de un
intercambiador de calor de una realización;
la figura 2 es un detalle seccionado del
intercambiador de la figura 1;
la figura 3 es una vista axial de un elemento
del intercambiador de la figura 1;
la figura 4 es una vista axial esquemática de un
detalle de una realización;
la figura 5 es una vista axial esquemática de un
recubrimiento del intercambiador;
y la figura 6 es una vista axial esquemática de
un intercambiador de calor de una realización.
En la figura 1 se ve una realización de un
intercambiador de calor en forma de panel 100 para un colector
geotérmico. Como se aprecia en la figura 2, el panel 100 comprende
un serpentín 120 provisto de sendos extremos 121 que sobresalen del
panel, uno de entrada de un fluido de intercambio térmico y otro de
salida.
El serpentín 120 está alojado en su mayor parte
en un bloque conductor térmico 130 que comprende una pluralidad de
perfiles 131 que se acoplan entre sí para formar el bloque 130. Un
lado del perfil 131 presenta un primer arco cóncavo 132 y,
asociados a los extremos de dicho primer arco 132, sendos entrantes
134. El lado opuesto del perfil 131 presenta un segundo arco
cóncavo 135 y, en los extremos de dicho segundo arco 135, sendos
salientes 136. Entre cada entrante 134 y el primer arco 132 hay un
resalte 133, y entre cada saliente 136 y el segundo arco 135 hay un
rebaje 137.
La disposición de estos elementos es tal que los
salientes 136 de un perfil encajan a presión en los entrantes 134
de otro perfil y, al acoplar de este modo dos perfiles adyacentes,
los rebajes 137 de uno acogen a los resaltes 133 del otro, de
manera que el primer arco 132 de un perfil y el segundo arco 135 del
otro perfil definen conjuntamente un alojamiento para un tramo recto
del serpentín 120. Para facilitar el montaje dicho alojamiento
presenta una cierta holgura, y sobre los tramos rectos del
serpentín se puede extender una grasa térmica que, además de
facilitar ulteriormente el montaje, asegure un buen contacto
térmico entre el serpentín 120 y el bloque 130. Cada par de tramos
rectos del serpentín están unidos por un tramo curvo 123 que queda
fuera de los perfiles 131, como se aprecia en la figura 2.
Entre el primer arco 132 y el segundo arco 135,
el perfil 131 está provisto de una oquedad 139 para reducir el peso
del bloque 130.
En la figura 6 se representa una realización en
la que los perfiles 131, en lugar de oquedad, presentan entre sus
lados cóncavos un nervio 138.
En sus extremos correspondientes a los extremos
axiales de los perfiles 131, el panel 100 está provisto de sendas
tapas prismáticas 145 que encierran los tramos curvos 123 del
serpentín 120. Una de las tapas 145, además, deja salir los dos
extremos 121 del serpentín 120.
El panel 100 está provisto, en las dos caras del
bloque 130, de un recubrimiento 150 que sirve para proteger el
bloque 130 de la corrosión, y también para compensar las
contracciones que podrían reducir el contacto del bloque con el
terreno y las dilataciones que podrían agrietarlo.
Por estar ensamblado a base de los perfiles 131,
el bloque 130 presenta en un lado una de las concavidades 135 y en
el otro lado uno de los arcos 132; tanto el uno como la otra se
rellenan con un cordón 148 que sirve para compensar las mencionadas
contracciones y dilataciones cuando actúan por dichos lados. Como
se aprecia en la figura 2, los dos perfiles de los extremos del
bloque son un poco más largos que el resto de perfiles, a fin de
sustentar, al menos por un lado, los extremos 121 del serpentín.
Además, dichos dos perfiles podrían tener una forma diferente a la
del resto de perfiles, aunque también podrían ser todos idénticos,
sin diferencia de longitud.
Como se aprecia en la figura 4, en lugar de por
un cordón los lados del bloque 130 pueden estar cubiertos por una
tapa axial 149 de un material suficientemente elástico, de manera
que dicha tapa 149 quede sujeta a presión al bloque 130. La tapa
axial 149 puede sujetar a su vez el recubrimiento 150 sobre las
caras del bloque 130, aunque también es factible adherir dicho
recubrimiento mediante un adhesivo adecuado.
En la figura 5 se representa otra forma de
disponer el recubrimiento 150 sobre el bloque 130, que consiste en
rodear dicho bloque con una sola hoja 150 de recubrimiento y unir
entre sí los bordes de dicha hoja mediante una soldadura 151. Un
recubrimiento de este tipo también cubre los lados del bloque 130,
que de este modo no necesitan cordón ni tapa axial.
El serpentín 120 está formado en una sola pieza
de un material adecuado, como los que se emplean en los tubos para
suelo radiante, por ejemplo PEX resistente a los rayos
ultravioleta. Al ser de una sola pieza, el serpentín 120 evita las
posibles fugas de fluido y las pérdidas de carga producidas en las
uniones, manteniendo así la presión de trabajo del fluido.
Los perfiles 131 son de un material resistente,
ligero y con buena conductividad térmica, como por ejemplo
aluminio. Las oquedades 139 o los nervios 138 contribuyen a la
ligereza del panel 100.
El recubrimiento 150 es de un material
resistente y elástico, como por ejemplo EPDM. La tapa axial 149 es
de un material suficientemente elástico pero relativamente rígido,
y puede ser por ejemplo de plástico o de metal.
Preferiblemente los paneles 100 salen montados
de fábrica, dado que por su forma, tamaño y peso son fáciles de
transportar, y el montaje en fábrica es más eficiente que en la
obra. De todos modos, en caso de necesidad los paneles 100 también
pueden montarse sin dificultad en la propia obra, a base de encajar
entre sí los perfiles 131 dejando el serpentín 120 alojado entre
ellos.
También es preferible enterrar verticalmente los
paneles 100, ya que en la excavación de una zanja vertical
(estrecha) hay que remover menos tierra que si la zanja es
horizontal (a lo ancho). Además, un panel en posición horizontal
hay que enterrarlo a más profundidad para que tanto la cara
superior del panel, que "mira hacia el cielo", como su cara
inferior, que "mira hacia el abismo", intercambien el mismo
flujo de calor con el terreno. Enterrado verticalmente, el
intercambio de calor de las caras del panel se homogeneiza a menos
profundidad.
Un colector geotérmico puede comprender uno o
varios paneles 100 conectados en paralelo al circuito de la bomba
de calor.
El panel 100, u otro panel de acuerdo con la
invención, es particularmente ventajoso para ser utilizado en zonas
templadas, como el arco mediterráneo, puesto que en estas zonas la
temperatura del terreno a poca profundidad es relativamente alta,
y, enterrados a poca profundidad, son necesarios menos paneles
(menos superficie de intercambio) para obtener un rendimiento
elevado.
Aunque en la presente memoria sólo se han
representado y descrito realizaciones particulares de la invención,
el experto en la materia sabrá introducir modificaciones y
sustituir unas características técnicas por otras equivalentes,
dependiendo de los requisitos de cada caso, sin separarse del
ámbito de protección definido por las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, los perfiles del bloque conductor
térmico, en lugar de estar provistos de encajes adecuados para
acoplarse ejerciendo una presión lateral sobre los perfiles,
podrían estar provistos de encajes adecuados para acoplarse a base
de deslizar axialmente un perfil sobre el otro.
O, por ejemplo, el bloque conductor térmico
podría comprender dos perfiles, que rodearían el serpentín a modo
de "bocadillo"; en este caso cada perfil constituye una cara
del bloque. En su lado interior, que es el lado contrario al de la
cara del bloque, cada perfil presenta en sección una pluralidad de
semicircunferencias que, al acoplarse ambos perfiles, forman unos
cilindros longitudinales. Algunos de dichos cilindros alojan las
partes rectas del serpentín; los cilindros adyacentes a estos están
vacíos y equivalen a las oquedades 139 del panel 100 de la
realización anterior.
Claims (12)
1. Panel (100) de intercambio de calor para
colectores geotérmicos, que comprende un serpentín (120) y un
bloque conductor térmico (130) que aloja al menos una parte de
dicho serpentín, caracterizado por el hecho de que el bloque
conductor térmico comprende al menos dos perfiles (131) provistos de
medios de acoplamiento mutuo (133, 134, 136, 137).
2. Panel según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que al menos un tramo del
serpentín (120) queda situado entre dos perfiles (131)
adyacentes.
3. Panel según la reivindicación 1 ó la
reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que al menos
un perfil (131) presenta, en la zona de acoplamiento con otro
perfil, al menos un alojamiento cóncavo (132, 135) para al menos un
tramo del serpentín (120).
4. Panel según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que al menos algunos perfiles (131) presentan, en la zona de
acoplamiento con otro perfil, al menos un saliente (136) destinado a
encajar a presión en al menos un correspondiente entrante (134) de
un perfil adyacente.
5. Panel según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que al menos algunos perfiles (131) comprenden en un lado un primer
alojamiento cóncavo (132) y en el lado opuesto un segundo
alojamiento cóncavo (135).
6. Panel según la reivindicación 5,
caracterizado por el hecho de que al menos algunos perfiles
(131) presentan, asociados a los extremos del segundo alojamiento
(135), dos salientes (136), y al menos algunos perfiles (131)
presentan, asociados a los extremos del primer alojamiento (132),
dos entrantes (134) destinados a recibir a presión los salientes
(136) de un perfil adyacente.
7. Panel según la reivindicación 6,
caracterizado por el hecho de que, cuando se acoplan dos
perfiles (131), una extensión situada entre el segundo alojamiento
(135) y los salientes (136) de un perfil se superpone a una
extensión situada entre el primer alojamiento (132) y los entrantes
(134) del otro perfil, de manera dichos alojamientos primero y
segundo definen conjuntamente el alojamiento de al menos un tramo
del serpentín (120) en el bloque conductor térmico (130).
8. Panel según la reivindicación 7,
caracterizado por el hecho de que, al menos en algunos
perfiles (131), entre cada entrante (134) y el primer alojamiento
(132) hay un resalte (133), y entre cada saliente (136) y el
segundo alojamiento (135) hay un rebaje (137), de manera que, cuando
se acoplan dos perfiles, los entrantes (134) de un perfil reciben a
los salientes (136) del otro perfil y los rebajes (137) de éste
acogen los resaltes (133) de aquél.
9. Panel según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que al menos un perfil (131) está provisto de una oquedad
(139).
10. Panel según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que al menos una cara del bloque conductor térmico (130) está
recubierta por un recubrimiento elástico (150).
11. Panel según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el serpentín (120) está formado de una sola pieza.
12. Colector geotérmico que comprende un
intercambiador de calor, caracterizado por el hecho de que
dicho intercambiador de calor comprende al menos un panel (100)
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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