estado de la t
estado de la t é é cnica e investigaci cnica e investigaci ó ó n n en Alemania
en Alemania
15 de Octubre 2008
15 de Octubre 2008 · · Madrid, Españ Madrid, Espa ñ a a
Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach
Director del Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia
Dipl.-Ing. Isabel M. Wagner, Dipl.-Ing. Frithjof Clauss, Dipl.-Ing. Thomas Waberseck Asistentes cientificos del Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia
Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia Technische Universität Darmstadt
Petersenstr. 13
64287 Darmstadt, Alemania
Fijo: (+49) 61 51 – 16 21 49 Fax: (+49) 61 51 – 16 66 83
E-Mail: [email protected]
Internet: www.geotechnik.tu-darmstadt.de
Distribuci
Distribució ó n del personal del Instituto y Laboratorio n del personal del Instituto y Laboratorio
pagados por el Estado pagados mediante proyectos
soporte mediante industria, ministerios de investigación etc.
12 asistentes cient
12 asistentes cientí íficos ficos 11 administrativos
11 administrativos 3 aprendices 3 aprendices 1 profesor
1 profesor
3 asistentes cient
3 asistentes cientí íficos ficos 8,5 administrativos
8,5 administrativos
Consumo de energ
Consumo de energ í í a en Alemania en el 2006 a en Alemania en el 2006
industria 27%
movilidad 29%
edificios
(sector residencial, comercio, servicio)
44%
industria
industria movilidad movilidad residencias residencias
comercio comercio
pé p érdida rdida
I I
N N V V E E S S T T I I G G A A C C I I Ó Ó N N
Consumo de energ
Consumo de energ í í a primaria en Alemania 2007 a primaria en Alemania 2007
10%
10%
Distribuci
Distribució ó n del consumo de energí n del consumo de energ ía en el a en el sector residencial en Alemania
sector residencial en Alemania
iluminación 1%
cocina 4%
otros 7%
calefacción 77%
agua caliente
11%
La utilizaci
La utilizaci ó ó n t n t é é rmica del suelo rmica del suelo
La utilización térmica del suelo ocurre de dos maneras:
fuente de calor y de frío
- sustracción de calor (para calentar el edificio) - suministro de calor (para enfriar el edificio) condición: suficiente regeneración térmica del suelo
almacenador térmico temporal
Utilizaci
Utilizaci ó ó n t n t é é rmica del suelo rmica del suelo
Def.: El almacenador térmico temporal es una zona del suelo equipada con varios intercambiadores de calor. El cuerpo puede reservar energía térmica con el objeto de calentar y enfriar por la inercia termodinámica del suelo.
funcionamiento en invierno funcionamiento en veranocalefacción techos fríos
edificio
bomba de calor
almacenador térmico temporal
suministro de calor
verano
sustracción de calor
invierno
suministro de calor
verano
temperatura del almacenador térmico
tiempo
Sistemas geot
Sistemas geot é é rmicos rmicos
− uso térmico del agua subterránea con pozos
− colectores geotérmicos
− sondas geotérmicas
− sondas geotérmicas de evaporación directa (CO
2)
− pilotes energéticos
− sondas geotérmicas usadas en zonas de mejora del suelo (p.ej. Jet-Grouting)
cabeza de la sonda
sonda CO2
CO2
115 mm
25 mm
Beispiel:
Doppel-U-Sonde 25 x 2,3 mm
Verfüllrohr Bohrlochwand Verfüllmaterial
Abstandhalter
Sondas geot
Sondas geot é é rmicas rmicas - - estructura estructura
relleno
tubo para relleno
separador
sonda de U doble 25 x 2,3mm
ejemplo:
agujero de perforación
sonda de U doble
sonda de U singular sonda coaxial sonda coaxial
compleja
distribución como almacenador térmico
distribución para
sustracción de calor o frío
Sondas geot
Sondas geot é é rmicas rmicas – – distribuci distribuci ó ó n n
almacenador térmico
uso directo de calor o frío
relación superficie/volumen minimizar maximizar
geometría compacta extendida
gran corriente del agua subterránea
negativo positivo
Sondas geot
Sondas geoté érmicas rmicas
- - ejemplo proyecto cient ejemplo proyecto cient í í fico QuaWiDiS fico QuaWiDiS - -
Desarrollo de un mejor sistema de servicio en invierno QuaWiDiS para zonas de circulación de personas mediante geotermia
intercambiadores de calor (sondas geotérmicas)
almacenador de calor
sistema de medida tubos en la placa del andén
Temperatura de la sonda Temperatura de la placa Temperatura del aire Temperatura [°C]
Tubos t
Tubos t é é rmicos (Heat Pipes) rmicos (Heat Pipes)
• p.ej. gas carbónico como medio de transporte de calor
• sistemas cerrados a presión
• tubos de cobre recubiertos
con plástico (protección
contra la corrosión)
Principio de una sonda de evaporaci
Principio de una sonda de evaporaci ó ó n directa n directa
q
q q
q condensador
zona adiabática
evaporador
Ventajas:
Ventajas:
• renuncia de una bomba de circulación
• altas coeficientes de rendimiento
• muy económicas
• casi no mantenimiento
• sondas „automáticas“ por el cambio de la phase
Desventajas:
Desventajas:
• inversiones más altas
• más complicadas por la technología
• no pueden ser usados para suministro de energía (non reversibles)
Sondas de evaporaci
Sondas de evaporació ó n directa n directa
La funci
La funci ó ó n doble de un pilote energ n doble de un pilote energ é é tico tico
intercambiadores de calor
pilote
energético
armadura
pilotes energéticos
función térmica
función resistente
La funci
La funci ó ó n doble de un pilote energ n doble de un pilote energ é é tico tico
intercambiadores de calor
pilote
energético
armadura
- intercambiadores de calor son montados en la zona del suelo - transferencia de energía
mediante el fluido circulando en los intercambiadores de calor
pilotes energéticos
instalación de los intercambiadores de calor a la armadura
Fabricaci
Fabricaci ó ó n de un pilote energ n de un pilote energ é é tico tico
- - pilote in pilote in - - situ situ - -
Fabricaci
Fabricaci ó ó n de un pilote energ n de un pilote energ é é tico tico
- - pilote prefabricado pilote prefabricado - -
− pilotes de hormigón armado de sección completa
− pilotes de hormigón
armado de sección hueca
− pilotes de acero
Factores para dimensionar Factores para dimensionar
− VDI 4640 (guía Alemana)
− estudio con elementos finitos (p.ej.: FEFLOW) para simular las condiciones lo más real posible - incluida la corriente de agua subterránea
− estudio mediante otros programas comerciales (p.e.: EED - Earth Energy Designer)
− guías de las provincias de Alemania
− además dentro de poco tiempo será publicada la norma
DIN „Geothermiesonden“ (sondas geotérmicas)
Investigaci
Investigaci ó ó n geot n geot é é rmica rmica
Partes principales de la investigación geotérmica:
• ensayos de laboratorio
• ensayos in-situ
• los ensayos de laboratorio ofrecen informacion sobre las propiedades de una muestra.
No consideran todos los factores influyentes.
• el ensayo in-situ “Geothermal Response Test” ofrece los parametros necesarios para el dimensionamiento (conductividad térmica λλλλ y factor de resistencia del agujero R
b).
Considera la mayoría de los factores influyentes como agua corriente,
materiales del relleno y de la sonda etc.
• Calorimetro para medir la capacidad térmica
• “Darmstadt thermal conductivity testing device”
(media poroso y solido)
• “Thermoscanner” para medir la conductividad térmica (media solido, roca)
Investigaci
Investigaci ó ó n geot n geot é é rmica (laboratorio) rmica (laboratorio)
Geothermal Response Test Geothermal Response Test
− GRT: aparato portátil para ensayos in-situ
− simulación de la marcha de la sonda
− análisis de la capacidad que ofrece el suelo para recoger energía
− instalación de una sonda geotérmica que puede ser reutilizada en la
construcción final (edificio…)
− marcha durante aprox. 48 horas
para resultados reales
λ ⋅π⋅ ⋅
&
eff
= Q
4 H k
Análisis: „linesource theory“
(fuente de línea) de KELVIN
Evaluación de la conductividad térmica effeciva λλλλ
eff[W/(m · K)] del suelo
Proyecto de investigaci
Proyecto de investigació ón n
- - Desarollo del GRT - Desarollo del GRT -
flujo de calor [W]
H longitud de la sonda [m]
k inclinación de la curva
(temperatura sobre log tiempo)
&
Q
media temperatura del fluido [°C]
hora
Proyecto de investigaci
Proyecto de investigació ón n - - Desarollo del GRT Desarollo del GRT - -
Los procedimientos nuevos son examinados mediante investigaciones de campo y estudios numéricos
reducción del tiempo de ensayo reducción de los costos
uso económico para proyectos pequeños
Temperatura
Dimensionamiento mediante VDI 4640 Dimensionamiento mediante VDI 4640
VDI 4640 consta de 4 partes sobre la utilización térmica del suelo:
1. fundamentos, permisos, aspectos ambientales 2. sistemas geotérmicos
3. almacenamiento de energía en el subsuelo 4. utilizaciones directas
publicado por el „Verein Deutscher Ingenieure“ (VDI)
(asociación de ingenieros Alemanes)
Dimensionar mediante VDI 4640 Dimensionar mediante VDI 4640
VDI 4640 ofrece informacion sobre:
− sistemas geotérmicos diferentes (colectores, sondas…)
− instalación de los sistemas
− dimensionamiento de los sistemas
− bomba de calor
− formas de almacenamientos térmicos
− valores para estimar las propiedades de suelos como conductividad y
capacidad térmica
Dimensionar mediante VDI 4640 Dimensionar mediante VDI 4640
valores para estimar la conductividad y la capacidad térmica:
suelo conductividad térmica [W/(m ⋅⋅⋅⋅ K)]
capacidad volumétrica [J/(m³ ⋅⋅⋅⋅ K)]
valores típicos
grava seca 0,4 – 0,5 0,4 1,4 – 1,6
grava húmeda aprox. 1,8 1,8 aprox. 2,4
arena seca 0,3 – 0,8 0,4 1,3 – 1,6
arena húmeda 1,7 – 5,0 2,4 2,2 – 2,9
arcilla seca 0,4 – 1,0 0,5 1,5 – 1,6
arcilla húmeda 0,9 – 2,3 1,7 1,6 – 3,4
Proyectos con pilotes energ
Proyectos con pilotes energé é ticos ticos
- - ejemplos, Frankfurt am Main - ejemplos, Frankfurt am Main -
refrigeración y calentamiento geotérmico de edificios
Proyectos con pilotes energ
Proyectos con pilotes energé é ticos ticos
- - ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main - ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main -
pilotes de cimentación:
262 pilotes D
max= 1,86 m L
max= 27 m
pantalla de pilotes secantes armados:
130 pilotes, D = 1,5 m, L ≤ 38 m
marcha en invierno: 2.350 MWh
marcha en verano: 2.410 MWh
max. potencia: 913 kW
Proyectos con pilotes energ
Proyectos con pilotes energ é é ticos ticos
- - ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main - ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main -
Distribución de la temperatura despues de operar en invierno
0 50 100 150 200 250
-50 0 50 100 150 200 250
8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 16.5 17.5 [°C]
Distribución de la temperatura despues de operar en verano
0 50 100 150 200 250
-50 0 50 100 150 200
250 [°C]
15.5 16.5 17.5 18.5 19.5 20.5 21.5 22.5 23.5 24.5 25.5 26.5
