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.
Estado de la técnica anterior
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.
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.
Descripción de la invención
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.
Breve descripción de los dibujos
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.
Descripción de realizaciones preferidas
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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