ES2246476T3 - Instalacion de fuente termica o de disipador termico con acoplamiento termico a la tierra. - Google Patents
Instalacion de fuente termica o de disipador termico con acoplamiento termico a la tierra.Info
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Abstract
Instalación de fuente térmica o de disipador térmico con acoplamiento térmico a la tierra para la obtención cerca de la superficie de energía térmica procedente del suelo o para la introducción cerca de la superficie de energía térmica al suelo, comprendiendo la instalación al menos una sonda de tierra (1) dispuesta en el suelo (3), siendo posible introducir en el suelo (3) o extraer del suelo (3) energía térmica mediante un fluido de transporte de calor que pasa por la sonda de tierra (1), comprendiendo cada sonda de tierra (1) un tubo de sonda (2) metálico, estanco respecto al suelo (3) circundante, compuesto por varios segmentos (20) de tubo de hincado hincados en el suelo (3), y estando dispuesto en el tubo de sonda (2) para la alimentación o la evacuación del fluido de transporte de calor, o bien un tubo de inmersión (26) abierto por su extremo inferior, o bien un bucle de tubo (29) que se extiende en forma de U, y estando el primer segmento (20) de tubo hincado del tubo de sonda (2),que avanza, realizado o unido de forma estanca en su extremo delantero (21) con una punta de sonda.
Description
Instalación de fuente térmica o de disipador
térmico con acoplamiento térmico a la tierra.
La presente invención se refiere a una
instalación de fuente térmica o de disipador térmico con
acoplamiento térmico a la tierra para la obtención cerca de la
superficie de energía térmica procedente del suelo o para la
introducción cerca de la superficie de energía térmica al suelo,
comprendiendo la instalación al menos una sonda de tierra dispuesta
en el suelo, siendo posible introducir en el suelo o extraer del
suelo energía térmica mediante un fluido de transporte de calor que
pasa por la sonda de tierra, comprendiendo cada sonda de tierra un
tubo de sonda metálico, estanco respecto al suelo circundante,
compuesto por varios segmentos de tubo de hincado hincados en el
suelo, y estando dispuesto en el tubo de sonda para la alimentación
o la evacuación del fluido de transporte de calor, o bien un tubo de
inmersión abierto por su extremo inferior, o bien, un bucle de tubo
que se extiende en forma de U.
Por la práctica se conocen instalaciones en
distintas variantes para los fines de uso mencionados al principio.
Estas soluciones conocidas pueden reunirse, sustancialmente, en tres
grupos distintos.
Un primer grupo de instalaciones según el estado
conocido de la técnica trabaja con un circuito abierto con una
conexión de agua subterránea de un conductor de agua subterránea, su
enfriamiento o calentamiento en una bomba térmica u otro grupo y su
reintroducción en el conductor de agua subterránea. Esta obtención
de calor procedente del agua subterránea o la introducción de calor
al agua subterránea, sin embargo, sólo es posible si existe un
conductor de agua subterránea adecuado y si la calidad del agua
subterránea es suficiente. Además, se requiere una autorización
oficial para la conexión y la reintroducción de agua subterránea,
que se concede sólo si se cumplen determinados requisitos.
Asimismo, ya se conocen colectores superficiales
que habitualmente están configurados como intercambiadores térmicos
de registro tubular, dispuestos horizontalmente, y que están
colocados a una profundidad de aprox. 1 m o algo más en el suelo.
Estos colectores superficiales requieren extensos trabajos de
tierra, por lo que su instalación resulta cara y, además, según las
circunstancias locales, frecuentemente no se pueden aplicar.
Finalmente, se conocen sondas de tierra para
realizar instalaciones de fuente térmica. Estas sondas de tierra
conocidas se componen de un bucle de tubo sencillo o doble,
incorporado en una perforación realizada verticalmente en el suelo.
Generalmente, la profundidad de la perforación es inferior a 100 m,
pero también puede ser superior. En el caso de un suelo de arena, la
realización de las perforaciones se realiza, generalmente, como
perforaciones con limpieza por inundación. En caso de un suelo
sólido, se usa generalmente el llamado procedimiento de perforación
tipo bomba mamut con un "martillo dentro del agujero". Este
procedimiento de perforación requiere la facilitación de un
compresor de aire de dos niveles con una presión de trabajo de hasta
24 bares y una potencia de propulsión de 200 kW y más. En el caso de
roca suelta se perfora con una tubería de protección que en la
práctica tiene un diámetro típico de, por ejemplo, 152 mm. En la
roca sólida, se sigue perforando con un diámetro típico de, por
ejemplo, 128 mm, hasta que se haya alcanzado la profundidad final
necesaria. En la perforación acabada de la tierra debe introducirse
el bucle de tubo preconfeccionado. A continuación, el espacio que
queda entre el bucle de tubo y la pared del taladro de tierra debe
llenarse con un material de relleno, en la práctica generalmente
bentonita, es decir una mezcla de cemento y arcilla, avanzando desde
abajo hasta arriba. De esta manera, se consigue un cierre fiable y
duradero entre sí de capas que llevan agua y el contacto térmico
necesario entre el bucle de tubo y el suelo. Obviamente, la
realización de una instalación de este tipo es muy complicada y, por
tanto, cara. Además, este tipo de instalaciones están sujetas a
autorización, de forma que por la solicitud y la tramitación
correspondiente de las autorizaciones se producen gastos e
inversiones de tiempo adicionales. Además, según se puede observar
en la práctica, las autoridades competentes frecuentemente tratan
este tipo de solicitudes de forma restrictiva y con una cautela
excesiva con vistas a posibles contaminaciones del agua subterránea
en caso de
fugas.
fugas.
Por el documento DE7936659U1 se conoce un
dispositivo para introducir intercambiadores térmicos en forma de
barras en el suelo. Para los intercambiadores térmicos empleados
para ello, preferentemente, está previsto que tengan forma de sondas
de núcleo de hincado que se componen de piezas parciales enroscadas
entre sí mediante piezas de rosca cónicas. Un inconveniente consiste
en que las uniones roscadas, al igual que las uniones soldadas
conocidas por la práctica, entre las piezas parciales son sensibles
durante el hincado tendiendo a la formación de grietas y las faltas
de estanqueidad resultantes. El tallado de roscas, la soldadura
directa e indirecta conducen todos de forma desventajosa a
alteraciones locales de la estructura y la dureza en el material de
las piezas parciales de tubo de sonda y, por tanto, a puntos débiles
potenciales de los que tarde o temprano pueden partir grietas o
roturas.
Por lo tanto, la presente invención tiene el
objetivo de proporcionar una instalación del tipo mencionado al
principio, en la que se eviten los inconvenientes descritos
anteriormente y que, especialmente, pueda realizarse de forma
económica, que sea especialmente segura con vistas a posibles
perjuicios para el medio ambiente, que tenga una vida útil muy larga
y que presente un buen grado de eficacia.
Este objetivo se consigue según la invención con
una instalación del tipo mencionado al principio, que se caracteriza
porque
- -
- cada segmento de tubo de hincado se compone de hierro fundido dúctil,
- -
- los segmentos de tubo de hincado están configurados de tal forma que se pueden enchufar unos en otros por sus extremos y
- -
- cada segmento de tubo de hincado presenta en uno de sus extremos un contorno exterior que finaliza cónicamente y, en su otro extremo, un manguito realizado con un hombro de tope y con un contorno interior cónico, estando dimensionados su diámetro y su ángulo cónico de tal forma que con el hincado de los segmentos de tubo de hincado pueda realizarse una unión no positiva y estanca entre los segmentos de tubo de hincado.
Según la invención, en primer lugar, está
previsto que cada segmento de tubo de hincado se componga de hierro
fundido dúctil. La diferencia esencial entre el hierro fundido
dúctil y la fundición gris convencional consiste en que el grafito
contenido en el hierro fundido dúctil está presente en forma de
grafito esferoidal, por lo que cambian las características
mecánicas; en particular, aumentan la resistencia y la tenacidad.
Las características químicas del hierro fundido dúctil frente a la
fundición gris también mejoran, en especial, la resistencia a la
corrosión con picadura. La fabricación de los segmentos de tubo de
hincado es posible, por ejemplo, como fundición centrifugada,
empleando prácticamente el 100% de material reciclado, es decir,
chatarra de acero, lo que resulta ventajoso tanto a nivel económico
como a nivel ecológico. Mediante un acabado especial realizado
después de la fundición, los segmentos de tubo de hincado de hierro
fundido dúctil se vuelven tan resistentes que pueden hincarse en el
suelo con fuerzas de percusión considerables sin sufrir daños. Para
seguir facilitando la fabricación de los tubos de sonda, según la
invención está previsto que los segmentos de tubo de hincado estén
configurados de tal forma que puedan enchufarse unos dentro de otros
por sus extremos. No se requieren complicadas uniones atornilladas o
por soldadura directa o indirecta entre los segmentos de tubo de
hincado sucesivos, que resultan muy difíciles de realizar y de
comprobar en la obra. De este modo, se facilita el mecanizado de los
extremos de los segmentos de tubo de hincado durante su fabricación
y se reduce el trabajo y el peligro de errores de trabajo en la obra
en el lugar del hincado de los segmentos de tubo de hincado en el
suelo. Según la invención, además está previsto que cada segmento de
tubo de hincado presente en uno de sus extremos un contorno exterior
que finalice de forma cónica y, en su otro extremo, un manguito con
un contorno interior cónico correspondiente, siendo dimensionados
sus ángulos cónicos de tal forma que sólo mediante el hincado de los
segmentos de tubo de hincado pueda realizase una unión no positiva y
estanca duradera entre los segmentos de tubo de hincado. Esta
configuración de los segmentos de tubo de hincado hace que tan sólo
por el procedimiento de hincado se alcance la estanqueidad y la
unión no positiva deseadas entre los distintos segmentos de tubo de
hincado. No se precisan medios de estanqueización especiales. El
manguito está provisto respectivamente de un hombro y, en
combinación con la parte enchufada del otro segmento, está realizado
de tal forma que el segmento enchufado, después de un ensanchamiento
definido del manguito, se apoye sobre dicho hombro transmitiendo a
continuación los impulsos de hincado sin que el manguito pueda ser
solicitado de forma inadmisible en la dirección de otro
ensanchamiento. Con el grosor adecuado de los impulsos o golpes de
hincado para hincar los segmentos de tubo de hincado se consigue que
en la zona de unión de dos segmentos de tubo de hincado resulte una
soldadura por fricción entre ellos que garantice la estanqueidad y
la unión no positiva deseadas durante unos tiempos de empleo muy
largos del tubo de sonda. Dado que no hace falta ninguna separación
posterior sin destrucción entre los distintos segmentos de tubo de
hincado, esta soldadura fija por fricción no constituye ningún
inconveniente técnico.
Puesto que los tubos de sonda se componen
respectivamente de varios segmentos de tubo de hincado hincados en
el suelo, queda garantizada una realización especialmente económica
de la instalación. Esta gran rentabilidad se consigue especialmente,
porque el hincado de los segmentos de tubo de hincado para la
formación del tubo de sonda mediante dispositivos apropiados,
especialmente mediante un martillo hidráulico usual en el mercado,
requiere una inversión de tiempo y un gasto técnico sensiblemente
menor, en particular, un gasto energético al menos el 80% menor que
la realización de una perforación de tierra. Los segmentos de tubo
de hincado, evidentemente, están configurados de tal forma que
durante el hincado en el suelo puedan absorber sin sufrir daños las
fuerzas de percusión que se producen durante ello. De manera
ventajosa, el tubo de sonda es estanco con respecto al suelo
circundante tan sólo por su hincado, de forma que es prácticamente
imposible que el fluido de transporte de calor salga del tubo de
sonda al suelo, toda vez que los segmentos de tubo de hincado que
forman el tubo de sonda presentan una pared relativamente gruesa
debido a la estabilidad mecánica necesaria. Por ello, la
estanqueidad se mantiene incluso durante períodos de muchas décadas,
conforme a la esperanza de vida útil de los tubos de sonda.
Con la instalación según la invención se consigue
un alto grado de eficacia, porque cada tubo de sonda, después de su
hincado en el suelo, se encuentra en un contacto fijo e íntimo con
el suelo circundante, sin que sea necesario introducir medios de
relleno o de contacto especiales en la zona del contorno exterior
del tubo de sonda. De este modo, sin medidas especiales, queda
garantizado ya una buena transmisión térmica del suelo al tubo de
sonda o viceversa. Dado que el tubo de sonda mismo es metálico,
tiene una termoconductividad muy elevada, de forma que, en general,
existe una resistencia muy baja en la termoconductividad del suelo
al fluido de transporte de calor que circula por el interior del
tubo de sonda, o en la dirección contraria.
La instalación puede usarse tanto como fuente
térmica para fines de calefacción como también como disipador
térmico para fines de refrigeración. Para fines de refrigeración, la
instalación o bien se puede emplear en el nivel de temperatura
natural, o bien, intercalando una bomba térmica en funcionamiento
inverso, es decir, un grupo de refrigeración. En una bomba térmica
invertible es posible incluso opcionalmente, alternativamente un
funcionamiento de calefacción o de refrigeración. Esta aplicación
resulta especialmente ventajosa en regiones más meridionales y
calientes del mundo o en regiones con un clima continental
típico.
Según otra variante, la invención propone que,
preferentemente, el contorno exterior que finaliza cónicamente de
cada segmento de tubo de hincado esté previsto en su extremo
delantero y que el manguito de cada segmento de tubo de hincado,
realizado con el hombro de tope, esté previsto en su extremo
trasero. Con esta realización se consigue la resistencia más baja al
movimiento de los segmentos de tubo de hincado durante su hincado en
la tierra.
Otra aportación a una alta rentabilidad se
consigue gracias a que para la alimentación o la evacuación del
fluido de transporte de calor se requiere sólo un tubo de inmersión
abierto por su extremo inferior, siendo preferentemente el diámetro
exterior del tubo de inmersión menor que el diámetro interior del
tubo de sonda y siendo la longitud del tubo de inmersión ligeramente
menor que la longitud del tubo de sonda. La segunda mitad del
trayecto de circulación del fluido de transporte de calor se
extiende entonces por la parte del interior del tubo de sonda que no
es ocupada por el tubo de inmersión. Por esta construcción resulta
una menor resistencia hidráulica de la sonda de tierra, lo cual es
de suma importancia para la práctica. La introducción de un material
de relleno no es necesaria en este caso.
Alternativamente, existe la posibilidad de que en
el tubo de sonda, en lugar del tubo de inmersión, para la
alimentación y la evacuación del fluido de transporte de calor, esté
dispuesto un bucle de tubo de extensión en forma de U, estando
previsto además preferentemente que su longitud hasta el arco de U
sea ligeramente menor que la longitud del tubo de sonda y que la
parte no ocupada por el bucle de tubo del interior del tubo de sonda
esté rellena con un material de relleno termoconductivo. Esta
configuración de la instalación según la invención ofrece la ventaja
de una seguridad especialmente elevada contra la penetración del
fluido de transporte de calor al suelo en el entorno del tubo de
sonda, porque aquí, para que el fluido de transporte de calor pueda
llegar al suelo, debe existir una falta de estanqueidad tanto en el
bucle de tubo como en el tubo de sonda. Por otro lado, esta
seguridad elevada se obtiene a cambio de un grado de eficacia algo
menor, porque en este caso existen en total unas resistencias algo
mayores en la transmisión térmica del suelo al fluido de transporte
de calor y viceversa.
Para conseguir el mayor avance posible durante el
hincado de los segmentos de tubo de hincado en el suelo con fuerzas
de hincado lo más bajas posible, de manera conveniente, el primer
segmento del tubo de hincado del tubo de sonda, que avanza, está
realizado o unido de forma estanca en su extremo delantero con una
punta de sonda. Si la punta de sonda está unida de forma estanca con
el segmento de tubo de hincado, esta unión se realiza
convenientemente de la manera descrita anteriormente, mediante zonas
de unión cónicas y su soldadura por fricción mediante golpes de
hincado.
Además, según la invención está previsto que el
último segmento de tubo de hincado del tubo de sonda esté unido, en
su extremo trasero, de forma estanca con una tapa de conexión
colocada después del hincado, en la que están dispuestas una
conexión de conducto de avance y una conexión de conducto de retorno
para el fluido de transporte de calor. La tapa de conexión facilita
las conexiones necesarias para el avance y el retorno del fluido de
transporte de calor. Debido a que la tapa ha de colocarse
posteriormente, no estorba durante el hincado de los segmentos de
tubo de hincado. Dado que por esta razón, la tapa no tiene que
absorber fuerzas de hincado, puede estar realizada de forma ligera y
para la aplicación y la estanqueización de la tapa en el último
segmento de tubo de hincado basta con técnicas de unión
convencionales. En una instalación de obtención de calor resulta
ventajoso hacer pasar el avance del fluido de transporte de calor
por el tubo de inmersión. Entonces, la salida del fluido de la sonda
de tierra se produce por la tapa donde la temperatura del fluido ha
superado ya de forma segura el límite de helada, de modo que en la
tapa no puede producirse ningún efecto de reventón por la formación
de hielo, un problema que se conoce por la técnica de frío.
Otra contribución a un gasto de fabricación
ventajosamente bajo consiste en que el tubo de inmersión o el bucle
de tubo está sujeto sólo en o dentro de la tapa de conexión. Aquí,
no hacen falta medios de soporte complicados y de difícil acceso en
el transcurso del tubo de sonda mismo. Para la función de la sonda
de tierra y para su grado de eficacia, tampoco es de importancia, si
el tubo de inmersión o el bucle de tubo se extiende de forma
exactamente centrada por el tubo de sonda, o si se aproxima más o
menos a la pared del tubo de sonda. Puesto que el tubo de inmersión
o el bucle de tubo está sujeto en o dentro de la tapa de conexión,
durante el hincado de los segmentos de tubo de hincado todavía no se
encuentra en éstos, de forma que el tubo de inmersión o el bucle de
tubo no pueden estorbar ni sufrir daños tampoco durante esta fase de
trabajo. El tubo de inmersión o el bucle de tubo sólo se introduce
en el tubo de sonda, cuando éste se ha hincado completamente en el
suelo, con la longitud prevista.
Para evitar perturbaciones del transporte de
calor por la sonda de tierra y por las demás partes de la
instalación a consecuencia de burbujas de aire, está previsto que el
tubo de inmersión o el bucle de tubo presente en su extremo superior
un taladro de purga de aire o una válvula de purga de aire. A través
del taladro o de la válvula puede salir aire del tubo de inmersión o
del bucle de tubo, en el punto más alto del tubo de sonda, y
evacuarse junto con el fluido de transporte de calor que retorna. La
separación definitiva del aire se realiza convenientemente de la
manera conocida, mediante un dispositivo de purga de aire automático
en la parte más alta del dispositivo.
Preferentemente, el tubo de inmersión o el bucle
de tubo se compone de plástico, preferentemente de polietileno (PE)
o de polipropileno (PP). De esta manera, gracias al material se
consigue ya un buen valor de aislamiento térmico que mantiene
reducido un intercambio térmico indeseable entre el fluido de
transporte de calor que avanza y el que retorna dentro del tubo de
sonda. Además, de esta manera, el tubo de inmersión resulta
relativamente ligero, de forma que, en combinación con su subida en
el fluido de transporte de calor, prácticamente no somete la tapa de
conexión a fuerzas de tracción. Para seguir reduciendo aún más el
cortocircuito térmico que ya de por sí es bajo, sobre el tubo de
inmersión puede estar aplicado adicionalmente un aislamiento, por
ejemplo, en forma de un tubo ondulado colocado de plástico, estando
relleno el espacio intermedio entre el tubo de inmersión y el tubo
ondulado, de manera conveniente, también con el fluido.
Además, según la invención está previsto que el
tubo de sonda esté hincado en el suelo, o bien, en dirección
vertical, o bien, en una dirección de extensión oblicua,
preferentemente entre 15º y 75º, con respecto a la dirección que se
extiende en la dirección vertical. La dirección de hincado
correspondiente depende de las circunstancias del lugar. Si está
disponible una superficie suficiente, resulta preferible una
dirección de hincado oblicuo, porque de esta manera se consigue una
mayor superficie de recepción de calor en la superficie de la
tierra. De este modo, la cantidad de energía térmica necesaria, por
ejemplo para calentar un edificio de viviendas, puede obtenerse con
una menor cantidad de tubos de sonda desde el suelo. Como ya se ha
mencionado al principio, la presente invención se refiere, entre
otras, a una instalación para la obtención cerca de la superficie de
geotermia, tratándose de una geotermia originada por la irradiación
solar. Por esta razón, resulta ventajoso que el tubo de sonda se
extienda oblicuamente respecto a la dirección vertical, porque,
entonces, la superficie del área de recepción de la sonda de tierra,
proyectada sobre la superficie de la tierra, es más grande que en
caso de una extensión puramente vertical del tubo de sonda. Una
extensión oblicua del tubo de sonda o una disposición de tubos de
sonda es posible sin problemas con la técnica de hincado y,
especialmente, resulta mucho más sencilla que la realización de
perforaciones de extensión oblicua, especialmente si el ángulo
respecto a la dirección vertical es relativamente grande, por
ejemplo, superior a 45º.
Si el suelo está tan sólido que el hincado de los
segmentos de tubo de hincado puede causar problemas,
excepcionalmente puede estar previsto que el tubo de sonda esté
hincado en una perforación realizada previamente en el suelo, cuya
profundidad sea como máximo igual a la longitud del tubo de sonda y
cuyo diámetro sea inferior al diámetro exterior del tubo de sonda.
Por tanto, la perforación está rellena completamente por el tubo de
sonda, por lo que el buen contacto de termoconductividad entre el
suelo y el tubo de sonda se consigue también aquí. Al mismo tiempo,
queda facilitado sensiblemente el hincado.
Para que los distintos segmentos de tubo de
hincado del tubo de sonda puedan hincarse en el suelo sin sufrir
daños, para conseguir la estabilidad necesaria para ello,
preferentemente, está previsto que el grosor de pared de cada
segmento de tubo de hincado, salvo la zona de sus dos extremos, se
sitúe entre 10 y 20% del diámetro exterior del segmento de tubo de
hincado. Por consiguiente, los segmentos de tubo de hincado
presentan una pared muy gruesa en relación con su diámetro, lo cual,
sin embargo, no resulta desventajoso para la transición térmica
desde el suelo al fluido de transporte de calor en el interior del
tubo de sonda o viceversa, gracias a la elevada termoconductividad
del metal del que se componen los segmentos de tubo de hincado.
Según una realización concreta, muy apropiada
para la mayoría de los casos de aplicación que surgen en la
práctica, cada segmento de tubo de hincado presenta, salvo en la
zona de sus dos extremos, un diámetro exterior comprendido entre
aprox. 80 y 200 mm y un grosor de pared entre aprox. 7 y 12 mm. Con
las dimensiones indicadas, los segmentos de tubo de hincado se
pueden hincar en el suelo aún con un esfuerzo relativamente bajo y,
por tanto, con máquinas relativamente ligeras, de modo que, incluso
en zonas edificadas, este tipo de segmentos de tubo de hincado
pueden hincarse sin problemas en el suelo, sin que se produzcan
peligros para los edificios situados en el entorno.
Además, según una configuración concreta está
previsto que la longitud de cada segmento de tubo de hincado se
sitúa entre aprox. 4 y 6 m, preferentemente aprox. 5 m, y la
longitud total del tubo de sonda entre aprox. 10 y 50 m, si lo
permiten las condiciones del suelo. Con estas dimensiones de los
segmentos de tubo de hincado, los distintos segmentos pueden ser
manejados aún por dos manos de obra y dispositivos de manejo
usuales, lo que facilita los trabajos in situ en el lugar
donde los segmentos de tubo de hincado han de hincarse en el suelo.
En cuanto al personal basta con dos personas, a saber, un conductor
para una grúa con martillo hidráulico y una persona para acercar los
segmentos de tubo de hincado y para prestar ayuda al colocar cada
nuevo segmento de tubo de hincado. Con la longitud total preferible
indicada del tubo de sonda, en la práctica, en la mayoría de los
casos cabe esperar que el hincado de los segmentos de tubo de
hincado del tubo de sonda sea posible aún sin problemas y con una
velocidad de hincado relativamente alta. Generalmente, el hincado de
los segmentos de tubo de hincado queda facilitado, si éstos se
introducen en el suelo no de forma vertical, sino de forma oblicua,
como ya se ha descrito anterior-
mente.
mente.
Por razones ecológicas, preferentemente, el
fluido de transporte de calor es agua pura, especialmente sin
adición de anticongelante y, especialmente, bajo una presión del
orden de aprox. 10 bares. De esta manera, se descarta generalmente
cualquier peligro para el agua subterránea y el medio ambiente en
general, pudiendo obtenerse más fácilmente las autorizaciones de
parte de las autoridades o pudiendo prescindir incluso totalmente de
ellas.
Alternativamente, existe la posibilidad de que el
fluido de transporte de calor sea dióxido de carbono, especialmente
bajo una presión del orden de aprox. 100 bares y más. De esta forma,
se pueden usar sondas de tierra según los llamados procedimientos
"heat-pipe", tanto más que la construcción de
los tubos de sonda permite resistir una presión interna tan alta sin
sufrir daños. En los tubos de sonda, además, no es ningún problema
proveerlos en su extremo superior con una tapa resistente a la
presión, especialmente por soldadura. Asimismo, existe la
posibilidad de optimizar el procedimiento de tubo de calor eligiendo
un ángulo de hincado favorable del tubo de sonda y mejorarlo
sensiblemente, especialmente respecto a las perforaciones verticales
usuales hasta ahora.
Como se ha mencionado anteriormente, la fundición
dúctil del que se componen preferentemente los segmentos de tubo de
hincado es mucho más resistente a la corrosión que la fundición gris
habitual. Para proteger el tubo de sonda aún de forma más fuerte
contra las faltas de estanqueidad incluso en caso de largos tiempos
de servicio durante varias décadas, adicionalmente, cada segmento de
tubo de hincado puede estar provisto en su superficie exterior y/o
interior, con una capa de protección anticorrosiva. Si en el suelo
existe agua que contiene sal, por ejemplo, cerca de las costas, el
tubo de sonda puede protegerse eficazmente contra la corrosión,
mediante un ánodo de corriente ajena.
La capa de protección anticorrosiva puede estar
formada, por ejemplo, por un zincado o por una funda de plástico,
preferentemente de poliuretano (PU), teniendo que ser el material
estanco a la difusión de oxígeno.
Otra contribución a evitar daños por corrosión
consiste en que para el entubado del resto de la instalación, así
como su conexión con un dispositivo de calefacción o de
refrigeración, se usan tuberías estancas a la difusión de oxígeno.
De esta manera, se reduce la introducción de oxígeno al fluido de
transporte de calor, que pueda fomentar la corrosión de los
segmentos de tubo de hincado.
A continuación, se describen ejemplos de
realización de la invención, con la ayuda de un dibujo. Las figuras
del dibujo muestran:
la figura 1 una instalación de obtención de calor
con un tubo de sonda individual, en su estado hincado verticalmente
en el suelo, en un corte vertical esquematizado,
la figura 2 un detalle de un tubo de sonda
modificado, en corte longitudinal, y
la figura 3 una instalación de obtención de calor
con dos tubos de sonda hincados oblicuamente en el suelo, en un
corte vertical esquematizado.
Según el ejemplo de realización representado en
la figura 1, la sonda de tierra 1 se compone de un tubo de sonda 2
compuesto por varios segmentos 20 de tubo de hincado. Para realiza
la sonda de tierra 1, en una fosa de obra 30 relativamente pequeña,
preparada previamente, en primer lugar, se hinca en el suelo 3
sucesivamente la cantidad necesaria de segmentos 20 de tubo de
hincado, por ejemplo, mediante un martillo hidráulico montado en un
brazo de excavadora o en una cureña. En primer lugar, el segmento 20
de tubo de hincado, inferior en el dibujo, se provee de una punta 23
de sonda para lograr un hincado lo más sencillo y rápido y con la
menor resistencia posible en el suelo 3. La punta 23 de sonda está
unida aquí de forma estanca con el extremo 21 delantero del segmento
20 inferior de tubo de hincado. Cuando el primer segmento 20 de tubo
de hincado está hincado aproximadamente por completo en el suelo 3,
se aplica un segundo segmento 20 de tubo de hincado, después de lo
cual el segundo y el segundo segmento 20 de tubo de hincado se
siguen hincando juntos en el suelo 3.
Por los golpes de hincado ejercidos por el
martillo hidráulico, los segmentos 20 de tubo de hincado se unen de
forma no positiva y de forma estanca entre sí y con la punta 23 de
sonda. Para este fin, el extremo delantero 21 de cada segmento 20 de
tubo de hincado está configurado con un contorno exterior 21'
cónico. En el extremo trasero de cada segmento 20 de tubo de hincado
y en el lado trasero de la punta 23 de sonda está previsto un
manguito 22 correspondiente con un contorno interior 22' ó 23'
cónico adecuado. Los ángulos cónicos del contorno exterior 21' y del
contorno interior 22' o 23' están elegidos y coordinados entre sí de
tal forma que durante el hincado de los segmentos 20 de tubo de
hincado se produzca la unión no positiva y estanca deseada, tan sólo
por los golpes o impulsos de hincado, siendo generada por estos
golpes o impulsos en la zona de unión una soldadura por fricción.
Cada manguito 22 está provisto en su parte inferior de un hombro
22'' ó 23'' y, en combinación con el extremo delantero 21,
enchufado, del otro segmento 20, está configurado de tal forma que
el extremo enchufado 21 del segmento 20, después de un
ensanchamiento definido del manguito 22, se apoye sobre el hombro
22'' ó 23'' transmitiendo a continuación los impulsos de hincado,
sin que el manguito 22 sea solicitado de manera inadmisible en la
dirección de ensanchamiento.
Los segmentos 20 de tubo de hincado y la punta 23
de sonda se componen, preferentemente, de hierro fundido dúctil que
es especialmente sólido y al mismo tiempo tenaz, de modo que pueda
absorber los golpes de hincado sin sufrir daños y que permita la
soldadura por fricción deseada durante el hincado de los segmentos
20 de tubo de hincado en su zona de unión. Al alcanzar la longitud
total necesaria del tubo de sonda 2, que en la práctica se sitúa,
por ejemplo, entre aprox. 10 y 50 m, finaliza el hincado de los
segmentos 20 de tubo de hincado. Sobre el extremo superior del
segmento 20 superior de tubo de hincado se coloca de forma estanca
una tapa de conexión 24 y se asegura con al menos un tornillo de
fijación 24'. La tapa de conexión 24 posee una conexión de conducto
de avance 25 y una conexión de conducto de retorno 27 para un fluido
de transporte de calor. El fluido de transporte de calor es, en el
caso más simple, agua, mezclada en caso de necesidad con un
anticongelante, habitualmente alcohol. Con la conexión de conducto
de avance 25 está unido un tubo de inmersión 26 que está sujeto
solamente en la tapa de conexión 24, extendiéndose por lo demás
libremente por el interior 28 hueco del tubo de sonda 2. La longitud
de dicho tubo de inmersión 26 es sólo ligeramente más pequeña que la
longitud del tubo de sonda 2.
Durante el funcionamiento de la sonda de tierra 1
como parte de un dispositivo de calefacción, circula un fluido de
transporte de calor frío por la conexión de conducto de avance 25 al
tubo de inmersión 26 y a través de éste hasta la zona final inferior
del tubo de sonda 2. En el extremo inferior 26' del tubo de
inmersión 26, el fluido de transporte de calor sale del tubo de
inmersión 26 circulando ahora desde abajo hacia arriba por la zona
del interior 28 del tubo de sonda 2 que no es ocupada por el tubo de
inmersión 26. En su camino a lo largo de la pared del tubo de sonda
2 desde abajo hacia arriba, el fluido de transporte de calor absorbe
energía térmica del suelo 3 circundante, durante lo cual el fluido
de transporte de calor se calienta con respecto a su temperatura
original. El fluido de transporte de calor calentado sale del tubo
de sonda 2 por la conexión de conducto de retorno 27 lateral,
prevista en la tapa de conexión 24. El conducto de retorno conectado
a la conexión 27 conduce, en el caso de la instalación de obtención
de calor supuesta en este caso, habitualmente hacia una bomba
térmica en la que se extrae la geotermia contenida y transportada en
el fluido de transporte de calor y se aprovecha para fines de
calefacción, por ejemplo, para la calefacción de un edificio o un
calentador de agua. Entonces, el fluido de transporte de calor que
sale de la bomba de calor y que ahora tiene una menor temperatura,
se vuelve a conducir hacia la conexión de conducto de avance 25 y, a
través del tubo de inmersión 26, al interior 28 del tubo de sonda 2.
Por tanto, aquí existe un circuito cerrado del fluido de transporte
de calor.
Resulta especialmente ventajoso un funcionamiento
por intervalos del dispositivo de calefacción y de la bomba térmica
pertenecientes, porque entonces el fluido de transporte de calor
puede absorber durante su tiempo de permanencia en el tubo de sonda
2 una cantidad de energía térmica relativamente grande del suelo y
experimentar un aumento de temperatura relativamente grande, lo cual
resulta favorable para el grado de eficacia de la bomba térmica.
Aquí, se nota positivamente el alto contenido de fluido de la sonda
de tierra, que en la práctica puede ascender, por ejemplo, a aprox.
10 l/m. Por tanto, resultan unos tiempos típicos de entre aprox. 30
y 60 minutos para una recirculación completa del fluido de
transporte de calor.
El tubo de sonda 2, gracias a su grosor de
material relativamente grande, necesario para el hincado en el suelo
3, es absolutamente estanco durante tiempos de uso muy largos del
orden de muchas décadas, quedando excluido prácticamente la salida
de fluido de transporte de calor del tubo de sonda 2 al suelo 3.
Después del hincado en el suelo 3, el tubo de sonda 2 queda
empotrado íntimamente dentro de éste, de modo que, en combinación
con la buena termoconductividad de la pared metálica del tubo de
sonda 2 se consigue un alto grado de eficacia en la transmisión de
calor del suelo 3 al fluido de transporte térmico en el interior 28
hueco del tubo de sonda 2 y en la dirección contraria.
El conducto de avance y el conducto de retorno
para el fluido de transporte de calor se disponen convenientemente
también en el suelo 3, en cuyo caso, resulta ventajosa una
disposición por debajo del límite de helada, por ejemplo, a una
profundidad de aprox. 1 m o más si fuese necesario.
Para la conducción del fluido de transporte de
calor, según la figura 2, alternativamente, puede emplearse también
un bucle de tubo 29 situado en forma de U en el tubo de sonda 2. En
este caso, el arco en U 29' se encuentra convenientemente cerca del
extremo inferior del tubo de sonda 2. El fluido de transporte de
calor permanece encerrado durante todo su trayecto por el tubo de
sonda 2 en el bucle de tubo 29 y no entra en contacto directo con el
tubo de sonda 2. Por ello, para los fines de la termoconducción, el
espacio del interior 28 del tubo de sonda, alrededor del bucle de
tubo 29, está relleno con un material de relleno termoconductivo,
por ejemplo agua, que aquí es entonces un líquido sustancialmente
estancado.
Según la necesidad de energía, una instalación de
obtención de calor puede comprender uno o varios tubos de sonda 2.
En caso de usar varios tubos de sonda 2 o sondas de tierra 1, tal
como está representado esquemáticamente en la figura 3, éstos pueden
conectarse ventajosamente en serie por su baja resistencia
hidráulica, siendo discrecional la longitud de los distintos tubos
de sonda 2. De esta forma, la instalación resulta sensiblemente más
económica y se suprime una compensación hidráulica que siempre va
unida con pérdidas de energía. En caso de necesidad, sin embargo,
evidentemente también es posible una conexión en paralelo o un
circuito mixto de un mayor número de tubos de sonda 2.
La distancia entre varias sondas de tierra 1 en
una instalación con varias sondas de tierra 1 depende de la zona de
recepción de cada sonda de tierra 1, dependiendo el tamaño de la
zona de recepción de la termoconductividad del suelo 3 en cada caso
individual. Asimismo, en lugar de verticalmente, como está
representado en la figura 1 del dibujo, los tubos de sonda 2 pueden
hincarse en el suelo 3 también en una dirección oblicua, tal como se
muestra en la figura 3. Esto resulta ventajoso en muchos casos de
aplicación, porque entonces por cada tubo de sonda 2 puede lograrse
una mayor superficie de recepción para la energía térmica irradiada
al suelo 3 por el sol a través de la superficie terrestre. Entonces,
a medida que crece la desviación de la dirección de la sonda de la
vertical, esto permite que se reduzca la distancia de las sondas. De
esta forma, para una cantidad de energía predeterminada, necesaria,
los extremos superiores de las sondad 2 pueden disponerse en una
menor superficie total, ahorrando espacio y gastos de
instalación.
Claims (17)
1. Instalación de fuente térmica o de disipador
térmico con acoplamiento térmico a la tierra para la obtención cerca
de la superficie de energía térmica procedente del suelo o para la
introducción cerca de la superficie de energía térmica al suelo,
comprendiendo la instalación al menos una sonda de tierra (1)
dispuesta en el suelo (3), siendo posible introducir en el suelo (3)
o extraer del suelo (3) energía térmica mediante un fluido de
transporte de calor que pasa por la sonda de tierra (1),
comprendiendo cada sonda de tierra (1) un tubo de sonda (2)
metálico, estanco respecto al suelo (3) circundante, compuesto por
varios segmentos (20) de tubo de hincado hincados en el suelo (3), y
estando dispuesto en el tubo de sonda (2) para la alimentación o la
evacuación del fluido de transporte de calor, o bien un tubo de
inmersión (26) abierto por su extremo inferior, o bien un bucle de
tubo (29) que se extiende en forma de U, y estando el primer
segmento (20) de tubo hincado del tubo de sonda (2), que avanza,
realizado o unido de forma estanca en su extremo delantero (21) con
una punta de sonda (23), caracterizada porque
- -
- cada segmento (20) de tubo de hincado se compone de hierro fundido dúctil,
- -
- los segmentos (20) de tubo de hincado están configurados de tal forma que se pueden enchufar unos en otros por sus extremos (21, 22) y
- -
- cada segmento (20) de tubo de hincado presenta en uno de sus extremos (21) un contorno exterior (21') que finaliza cónicamente y, en su otro extremo, un manguito (22) realizado con un hombro de tope (22'') y con un contorno interior (22') cónico, estando dimensionados su diámetro y su ángulo cónico de tal forma que con el hincado de los segmentos (20) de tubo de hincado pueda realizarse una unión no positiva y estanca entre los segmentos (20) de tubo de hincado.
2. Instalación según la reivindicación 1,
caracterizada porque el contorno exterior (21') que finaliza
cónicamente de cada segmento (20) de tubo de hincado está previsto
en su extremo delantero (21) y el manguito (22) de cada segmento
(20) de tubo de hincado, realizado con el hombro de tope (22''),
está previsto en su extremo trasero.
3. Instalación según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizada porque el diámetro exterior del tubo de
inmersión (26) es menor que el diámetro interior del tubo de sonda
(2) y porque la longitud del tubo de inmersión (26) es ligeramente
menor que la longitud del tubo de sonda (2).
4. Instalación según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizada porque la longitud del bucle de tubo (29) que
se extiende en forma de U, hasta su arco de U, es ligeramente menor
que la longitud del tubo de sonda (2) y porque la parte del interior
(28) del tubo de sonda (2), no ocupado por el bucle de tubo (29),
está relleno con un material de relleno termoconductivo.
5. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el último segmento (20) de
tubo de hincado del tubo de sonda (2) está unido, en su extremo
trasero, de forma estanca con una tapa de conexión (24) colocada
después del hincado, en la que están dispuestas una conexión de
conducto de avance (25) y una conexión de conducto de retorno (27)
para el fluido de transporte de calor.
6. Instalación según la reivindicación 5,
caracterizada porque el tubo de inmersión (26) o el bucle de
tubo (29) está sujeto sólo en o dentro de la tapa de conexión
(24).
7. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el tubo de inmersión (26) o
el bucle de tubo (29) presenta en su extremo superior un taladro de
purga de aire (29) o una válvula de purga de aire.
8. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el tubo de inmersión (26) o
el bucle de tubo (29) se compone de plástico, preferentemente de
polietileno (PE) o de polipropileno (PP).
9. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el tubo de sonda (2) está
hincado en el suelo (3), o bien en la dirección vertical, o bien en
una dirección de extensión oblicua, preferentemente entre 15º y 75º,
con respecto a la dirección que se extiende en la dirección
vertical.
10. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el tubo de sonda (2) está
hincado en una perforación realizada previamente en el suelo (3),
cuya profundidad es como máximo igual a la longitud del tubo de
sonda (2) y cuyo diámetro es inferior al diámetro exterior del tubo
de sonda (2).
11. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el grosor de pared de cada
segmento (20) de tubo de hincado, salvo la zona de sus dos extremos
(21, 22), asciende a entre 10 y 20% del diámetro exterior del
segmento (20) de tubo de hincado.
12. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque cada segmento (20) de tubo
de hincado presenta, salvo en la zona de sus dos extremos (21, 22),
un diámetro exterior comprendido entre aprox. 80 y 200 mm y un
grosor de pared entre aprox. 7 y 12 mm.
13. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque la longitud de cada segmento
(20) de tubo de hincado asciende a entre aprox. 4 y 6 m,
preferentemente aprox. 5 m, y la longitud total del tubo de sonda
(2) entre aprox. 10 y 50 m, si lo permiten las condiciones del suelo
también más.
14. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque el fluido de transporte de
calor es agua, especialmente sin adición de anticongelante y,
especialmente, bajo una presión del orden de hasta aprox. 10
bares.
15. Instalación según una de las reivindicaciones
1 a 13, caracterizada porque el fluido de transporte de calor
es dióxido de carbono, especialmente bajo una presión del orden de
aprox. 100 bares y más.
16. Instalación según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizada porque cada segmento (20) de tubo
de hincado está provisto en su superficie exterior y/o interior, con
una capa de protección anticorrosiva.
17. Instalación según la reivindicación 16,
caracterizada porque la capa de protección anticorrosiva está
formada por un zincado o por una funda de plástico, preferentemente
de poliuretano (PU).
Applications Claiming Priority (2)
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