Energía geotérmica solar: Proyecto de arquitectura en desarrollo.
He publicado artículos referidos a este tema.
La energía geotérmica solar, se refiere a la propiedad que tiene la capa externa terrestre de almacenar energía, debida al calentamiento solar diario.
Esta inercia térmica de la capa terrestre le permite mantener un valor aproximadamente constante de temperatura a una profundidad de unos 3 a 5 metros.
Este concepto es utilizado desde los años 50 en USA y Europa. Hay equipos que transfieren energía eficientemente destinados a calefacción y refrigeración en viviendas ubicadas a nivel del suelo.
El concepto es evitar en lo posible transferir esa energía de un punto a otro , con la consecuente pérdida en el proceso.
Si directamente fundamos la vivienda enterrada, o semienterrada, evitamos la transferencia de energía artificial y las temperaturas tratan de equilibrarse naturalmente por conducción térmica y hasta por convección.
Un inconveniente es fundar a determinada profundidad, por el costo. Pero también es posible incorporar el concepto de superficie de transferencia.
Lo que se pretende es aumentar la superficie de contacto directa en la que se mueven los habitantes de la vivienda, por medio de generar rugosidades o quiebres de las superficies planas generando una superficie mayor a la plana original.
La figura muestra una superficie plana correspondiente a la planta de la vivienda, S que es el piso de la misma.
El hecho de generar quiebres de distinto tipo aumenta la superficie en un factor k >1.
Los tubos o colmenas como superficie conductiva.
La otra figura muestra una posibilidad que debe evaluarse tecnica y económicamente. Consiste en generar irregularidades sistemáticas en la superficie de contacto de la vivienda, que aumentan notablemente la transferencia térmica.
La figura muestra un curvado del piso que aumenta la superficie de contacto con la tierra. A la vez, se muestra una disposición tipo colmena, que aumenta más aún la superficie respecto a la curva.
Los habitantes de la vivienda no se dan cuenta de ello, viviendo en una superficie plana, con orificios que conectan a la superficie terrestre.
Sistema de ventilación
Un sistema de este tipo exige un estudio detallado de ventilación de tipo mecánica o tal vez combinada con ventilación natural por convección.
El hecho de que los cuerpos humanos despiden humedad entre otras cosas , hace necesario renovar el aire periódicamente.
Es necesario aclarar que hablo en términos correctos desde el punto de vista de la salud humana. Es sabido que en las viviendas normales a nivel de la tierra, muchas veces no se aplica el
concepto de ventilación de locales.
Energía, ecología, sistema económico
En mis artículos sobre economía he indicado que una de las variables importantes del sistema económico es la energía, que no es solo un tema de economistas , sino de ingeniería. En este caso, el problema de arquitectura pasa a ser un problema de ingeniería. El hecho de evitar consumir energía para calefacción y refrigeración , es uno de los puntos importantes a la hora de buscar nuevas fuentes de energía.
Ello implica aplicar nuevos conceptos en diseño de arquitectura donde la transferencia de energía sea una variable central.
Al definir las necesidades reales del humano, incluyo la de energía para calefacción y refrigeración. Esta energía es importante en el conjunto de necesidades diarias de la persona. Por ello , tratar de disminuir la cantidad necesaria por medio de aislación térmica, o como en este caso, utilizando directamente la temperatura interna de la tierra sin aplicar energía, es un gran objetivo.
Tipos constructivos
Los tipos constructivos para el aprovechamiento de la energía geotérmica son dos.
Uno consiste en enterrar tubos en forma horizontal a poca profundidad del suelo ( 1,5 metros o algo más) . Los tubos están conectados a un sistema de bombeo que permite mover agua para transferir calorías de un punto a otro. ( del interior de la vivienda a la tierra).
El otro sistema consiste en enterrar tubos en forma vertical, generando una "U", lo que permite que el agua se envíe y regrese por el otro lado. Este sistema se efectúa con perforaciones especiales a profundidades de 100 a 150 metros.
Pese a sus problemas de ejecución ( se requiere empresas especializadas en ello), es más sencillo, ocupando poca superficie, al tener que insertarse dos tubos solamente en forma vertical.
Esto tiene como aplicación la transferencia de calorías de un punto a otro, siendo que las viviendas están construídas a nivel.
No es el problema de la construcción enterrada, que es lo que vengo proponiendo.
Almacenamiento de energía
Es posible almacenar energía en la tierra, la que se comporta como un "termo" aislante.
A cierta profundidad, es posible almacenar frío , o mejor dicho, un líquido a baja temperatura. Generalmente se almacena agua a baja temperatura.
a partir de los 100 metros y más la temperatura interior de la tierra comienza a subir, con cada avance en profundidad. Por ello es apto para mantener elementos con temperatura elevada ( del orden de 40 o 60 ª C .
Para estos almacenamientos es necesario contar con depósitos de líquidos construídos a esa profundidad.
En Alemania es usada esta posibilidad desde hace tiempo. El calor intenso de los veranos se capta en tuberías bajo las calzadas. Luego se inyecta a profundidades de unos 100 metros. Allí se mantiene ese calor hasta el invierno. Luego se bombea cuando se lo requiere.
De igual manera con el frío del invierno, enfrían agua y la inyectan a profundidades menores. ( hasta unos 20 o 30 metros es aproximadamente constante la temperatura a 15 ºC)
Desde los 30 metros en adelante la temperatura sube en una forma más o menos lineal. A 100 metros la temperatura es de unos 30 grados permanentes.
Referencia:
pdf: propiedades térmicas de los suelos para el dimensionado y diseño subterráneo mejorando la eficiencia energética de sistemas geotérmicos en climatización.
messib.eu/assets/files/docs/GEOENER_areaI_Cuevas et al.pdf
Fundamento teórico
De la ley del calor de Fourier
en régimen permanente se expresa por :
DeltaQ/Deltat= -kADeltaT/DeltaX
donde Delta es un incremento de la variable energía para un incremento de la variable tiempo.
A su vez, hay un incremento constante de temperatura (T) para un incremento constante de longitud.
k depende del material en este caso : tierra
A es el área expuesta por donde se transmite calor.
Este es el valor que se propone modificar. Se puede ver en la expresión anterior que cuando A aumenta, también lo hace el incremento de energía en la unidad de tiempo ( es decir, se transmite más calor en la misma unidad de tiempo).
(ver esquema de figura adjunto).
Architectural concept to be developed.
Geothermal ground layer: Project development architecture.
I have published articles on this topic.
Geothermal energy solar refers to the property of the outer land of storing energy due to solar heating daily.
The thermal inertia of the earth's crust allows you to maintain an approximately constant value of temperature at a depth of about 3-5 meters.
This concept is used since the 50s in USA and Europe. There are teams that efficiently transfer energy for heating and cooling in homes located at ground level.
The concept is to avoid, if possible, transfer the energy from one point to another, with a consequent loss in the process.
If housing founded directly buried or half buried, avoid artificial energy transfer and temperatures naturally try to equilibrate up by thermal conduction and convection.
One drawback is found at a certain depth, for the cost. But it is also possible to incorporate the concept of transfer surface.
The aim is to increase the contact surface directly moving the inhabitants of the housing, by means of generating rough or smooth surfaces breaks generating a flat surface larger than the original.
The figure shows a flat surface corresponding to the floor of the housing S is the floor of the same.
The figure shows a curved floor, which increases the contact surface with the ground. In turn, such an arrangement is shown hive, which further increases the surface relative to the curve.
The inhabitants of the house do not perceive it, living in a flat surface, with holes that connect to the earth's surface.
Ventilation system
A system of this kind requires a detailed study of mechanical ventilation type or maybe combined with natural ventilation by convection.
The fact that human bodies give off moisture among other things, makes it necessary to renew the air periodically.
Needless to say I speak in correct terms from the point of view of human health. It is known that in normal dwellings at land, often does not apply the concept of local ventilation.
Energy, ecology, economic system
In my articles on economics have indicated that one of the important variables of the economic system is energy, it's not just a matter of economists but engineering. In this case, the problem becomes architectural engineering problem. Avoiding energy consumption for heating and cooling, is one of the important points when looking for new sources of energy.
This includes applying new concepts in architectural design where the energy transfer is a central variable.
By defining the real needs of human, I include the energy for heating and cooling. This energy is important in the assembly of a person's daily needs. Therefore, try to decrease the required amount through thermal insulation, or as in this case, directly using the internal temperature of the earth without applying power, is a great goal.
construction types
The types of construction for geothermal energy utilization are two.
One of them is to bury tubes horizontally in shallow soil (1.5 meters or more). The tubes are connected to a pumping system that allows water to transfer calories move from one point to another. (Inside the house to the ground).
The other system consists of pipes buried vertically, creating a "U", which allows water and sent back by the other side. This system is effected with special holes to depths of 100 to 150 meters.
Despite its implementation problems (requires companies that specialize in it), is simpler, occupying small area, to having only two tubes inserted vertically.
This application is the transfer of calories from one point to another, the homes are being built at.
There is the problem of buried construction, which is what I am proposing.
Energy Storage
It is possible to store energy in the earth, which acts as a "thermos" insulator.
At a certain depth, you can store cold, or rather, a liquid at low temperature. Generally water is stored at low temperature.
From the 100 meters and the temperature inside the earth begins to rise, with every advance in depth. Therefore it is suitable to maintain high temperature elements (of the order of 40 to 60 º C.
For these storages are needed fluid reservoirs built at that depth.
In Germany it is used this possibility for some time. The intense heat of summer is captured in pipes under driveways. Then injected at depths of about 100 meters. There remains that heat up the winter. Then pumped when required.
Similarly with the cold of winter, cool water and inject at depths less. (Up to about 20 or 30 meters is approximately constant temperature at 15 ° C)
From 30 meters below the temperature rises more or less linearly. At 100 meters the temperature is about 30 degrees permanent.
reference:
pdf: thermal properties of soils for dimensioning and underground design improving energy efficiency geothermal HVAC systems.
messib.eu / assets / files / docs / GEOENER_areaI_Cuevas et al.pdf
theoretical Foundations
From Fourier heat law
steady state is expressed by:
DeltaQ / deltaT = -kADeltaT/DeltaX
where Delta is a variable power increment for an increase of the time variable.
In turn, there is a steady increase in temperature (T) for a constant increase in length.
k depends on the material in this case earth
A is the surface area through which heat is transmitted.
This is the value that it intends to amend. One can see from the above expression that if A increases, so does the energy increase per unit time (i.e., more heat is transmitted in the same time unit).
(see attached diagram).
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