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Pozo Canadiense o Provenzal Fuente: www.ekopedia.org

La climatización geotérmica es un sistema de calefacción o refrigeración que se basa en la alta estabilidad térmica del suelo una vez que hemos profundizado algunos metros. Por lo tanto, es diferente de lo que se denomina energía geotérmica, en la que se utilizan las altas temperaturas que alcanza el subsuelo a grandes profundidades o en zonas con actividad magmática. El método más utilizado para aprovechar la climatización geotérmica es el pozo canadiense. El pozo canadiense, también llamado pozo provenzal es un sistema geotérmico de superficie. Este sistema sirve sobre todo como una climatización natural. Se basa en la simple constatación de que la temperatura del suelo a 1,60m de profundidad es más elevada que la temperatura ambiente en invierno y más baja en verano. Principio Utilizar la inercia térmica del suelo para pre-tratar el aire que ventila el edificio. El aire así obtenido es "mejor", más caliente en invierno y más frío en verano. La temperatura del suelo a 2m de profundidad ronda los 15º en verano y los 5º en invierno (esto puede variar sensiblemente en función del clima). Puesta en marcha Se hace circular el aire por un tubo enterrado a unos dos metros de profundidad, pues a mayor profundidad nos acercamos más a una temperatura constante de 10ºC (Ver la gráfica).

El flujo se mantiene fácilmente gracias a un ventilador. Los tubos no deben ser de gran diámetro para que se facilite el intercambio térmico (más o menos quince centímetros de diámetro). Desgraciadamente, este sistema todavía es infrautilizado, a pesar de que su coste de instalación sería marginal si fuese previsto durante la construcción de la casa. •

Técnica de fabricación

El dimensionado de la climatización geotérmica no se puede hacer sin una aproximación global a la ventilación de la casa.

Esquema del principio de un pozo canadiense combinado con una ventilación mecánica controlada con recuperación de calor por flujo contracorriente.

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Precaución

La parte activa de las tuberías no se colocará bajo la casa ni a lo largo de los cimientos, so pena de sufrir un "bombeo" del calor de la casa...y un efecto totalmente contraproducente e inverso a lo esperado (¡sería la casa la que calentaría -o refrescaría- el pozo!). Calidad del aire El objetivo es evitar poluciones que podrían resultar del sistema (olores, humedad, bacterias...) Aquí van algunas recomendaciones: • • • •

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En las regiones graníticas, se le debe dar una atención particular a la problemática del Radón. Utilizar para la entrada del pozo canadiense un material con bajas emisiones (de vapor, olor,...) como por ejemplo el aluminio, tôle... Proteged al menos la entrada mediante red fina, para evitar que entren animales (roedores, mosquitos...) Si se optara por un filtro (2-5mm), habrá que ocuparse de su mantenimiento regular al menos cada 4 meses. Lo práctico es que la filtración vaya de menos a más fino desde el exterior hacia el interior. Colocar la entrada a una altura suficiente (1,20m) para evitar que se aspire polvo, y lejos de fuentes de polución (calles, compost, etc.) La entrada debe ser accesible para su limpieza, y no debe ser puesta entre plantas verdes. Antes de la primera puesta en funcionamiento, se debe limpiar el tubo y controlar así el flujo y cualquier exceso de agua.

Elección de las tuberías Tipos de tuberías: •

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Policloruro de vinilo (PVC): el más barato, aunque no demasiado ecológico. Puede "finalmente" liberar vapores nocivos debidos al modo de fabricación. No se conocen estudios a día de hoy sobre este tema en referencia a los pozos canadienses. Baja conductividad térmica (a 23º) C; 0,12-0,25 ( W m-1 K-1 ) Polietileno (PE): el más ecológico de precio equivalente al del PVC; Conductividad Térmica (a 23º C) 0,33 ( W m-1 K-1 )

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Polipropileno (PP): ligeramente peor conductor térmico pero mucho más rígido que el PE, el escaso espesor del tubo de PP permite un buen intercambio térmico al tiempo que da una rigidez longitudinal elevada. Esto evita la creación de puntos bajos en los conductos, evitando el estancamiento de agua condensada. Baja conductividad térmica (a 23º C) 0,22 ( W m-1 K-1 ) Tubo estriado de protección de cables eléctricos (TPC): muy económico en pequeños diámetros. Estriado exteriormente pero liso internamente. Se pueden disponer en paralelo. De todos modos precaución: este tipo de tubo no ha sido diseñado originalmente para ser enterrado a gran profundidad por lo que puede dañarse al cabo del tiempo. Si es muy rugoso, al formar una capa de aire entre las dos paredes, es más bien un aislante que un conductor. Tubo de cemento o terracota: Utilizado para diámetros superiores a los 30cm. Las conexiones son difíciles de sellar. La capacidad de intercambio térmico es más importante (la conductividad del cemento es más elevada que la de los tubos de plástico, relativamente aislantes). El principal problema de este tipo de tubo (aparte de la construcción compleja), es que no garantiza una verdadera estanqueidad a no ser que se haya hecho con particular cuidado. El Radón del suelo puede por lo tanto infiltrarse en el tubo e ir a contaminar después la casa. Conductividad térmica (a 23º C) 1,047 ( W m-1 K-1 ) Tubo de hierro: Su rigidez, su resistencia mecánica y su conductividad térmica elevada hacen de este material una solución muy compatible con el pozo canadiense. Hay que cuidar que el revestimiento exterior del tubo resista a la corrosión (tipo zingage anti-corrosión), y la utilización de juntas de elastómeros que aseguren una estanqueidad excelente de las uniones. Es un material duradero. Conductividad térmica (a 23º C) 72

Consejos • •

El tubo debe tener una estabilidad suficiente como para resistir el enterramiento. Por ejemplo, escoger uno clase CR8 para el PVC. El PVC es una opción a descartar por la simple razón de que la craie contenida en el PVC impide el intercambio térmico. Las instalaciones con revestimiento de TPC son igualmente desaconsejables, porque el revestimiento no es perfectamente liso y constituye un nido para las bacterias (olores y posibilidad de enfermedades respiratorias). Con un bajo espesor (para el buen intercambio térmico), solo existe un tubo diseñado

específicamente para el pozo canadiense, el tubo de Polipro azul, con una capa interior bactericida (a base de sulfato de plata) patentada por la sociedad REHAU (premio a la innovación 2007 del Salón de las Energías de Lyon). La susodicha patente impone pagar el precio de la investigación para obtener un verdadero resultado. ¡Pero a 2m de profundidad, la garantía de un sistema profesional que no transforma la casa en un hervidero de bacterias al cabo de varios meses hace que valga la pena pagar diez veces el precio de una instalación chapucera! ¡¡¡Sin embargo, atención a estos aditivos, que son sospechosos de favorecer la resistencia bacteriana!!! ¡¡¡Todo lo contrario de lo que hace falta en un sistema de climatización geotérmica, que debe estar destinado a durar!!!(Directiva BPD Biocidal Product Directive). •

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La estanqueidad también es importante para evitar la infiltración de aguas subterráneas y la propagación de bacterias. Vigilar en particular los empalmes entre los distintos tubos y dar prioridad a las juntas mediante labios, tipo de saneamiento. No peguen las juntas para evitar el riesgo de ruptura dentro del remblai y sobre todo el riesgo de liberación de vapores nocivos debidos a los pegamentos. Los materiales utilizados no deben liberar vapores nocivos como por ejemplo podría ser el caso del PVC, en el caso de que se encuentre a temperaturas elevadas (>30ºC). El tubo será preferentemente liso en el interior para disminuir las pérdidas de flujo y mantenerse en régimen laminar. Por el lado exterior, son preferibles los tubos estriados por aumentar el intercambio térmico entre el suelo y el tubo. Nota correctiva: a menos que tengamos pequeños diámetros y velocidades, el régimen de flujo dentro de un tubo no será laminar. En el caso de un pozo canadiense no es esto lo que deseamos. El flujo no debe ser por lo tanto laminar. Un buen modo de hacerse una idea es calcular el número de Reynolds (número que permite caracterizar el régimen de flujo). Es importante saber que las transferencias térmicas son más elevadas con un flujo turbulento que con uno laminar. Por otra parte, las pérdidas de carga en régimen laminar son mayores que en régimen turbulento para un caudal dado. Por otro lado, a igual cantidad de flujo, para aumentar la superficie de intercambio térmico, es preferible emplear varios tubos de pequeño

diámetro que un solo tubo de gran diámetro. Los tubos deberán estar lo más separados posibles entre sí en la zanja. Ejemplo: Un tubo de 20cm de diámetro tiene una sección de 0,031 m 2 y una superficie de intercambio térmico de 0,63 m 2 por metro lineal. Para el mismo flujo y con la misma velocidad de flujo, harán falta 5 tubos de 9cm de diámetro. Estos 5 tubos presentarán una superficie de intercambio térmico de 1,41 m2 por metro lineal. O sea, más del doble que el tubo de 20cm de diámetro. Observaciones complementarias •

En las regiones sin radón, con periodos de heladas poco intensos, como en el caso de la Provenza, los tubos pueden ser de terracota, como en el pasado. Entonces se produce un intercambio entre el tubo y el aire circulante que reequilibra la higrometría del aire. Muy seco durante los periodos de gran frío, o de calor intenso, húmedo en otoño cuando el suelo todavía no está cargado de agua. Solo queda encontrar un proveedor de estos tubos a la antigua.

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Naturaleza del suelo: La experiencia ha mostrado que los suelos rocosos tienen una eficacia térmica mayor, lo que compensa la dificultad de la construcción, y que por lo tanto no nos deben hacer renunciar. Hay que saber también que el suelo por encima de los pozos se mantiene frío durante más tiempo durante la primavera, y que la zona no se debe utilizar como jardín de primeurs.

Evacuación del agua condensada Sobre todo en verano, según se enfría el aire, el agua puede condensarse. Conviene evacuar esas condensaciones. No obstante se observa raramente, ya que el aire se carga rápidamente de humedad. Finalmente, el pozo canadiense es un amortiguador de temperatura y humedad.

Algunas opciones: 1. Este sistema permite una estanqueidad perfecta desde la entrada del aire hasta el sistema de ventilación. Esta solución debe ser la prioritaria en las regiones con fuerte concentración de gas radón en el suelo (véase el capítulo Radón) o si vuestro suelo es muy húmedo (fuentes, aguas subterráneas,...).

2. En el caso de una casa sin sótano, los condensados pueden recogerse en un sumidero colocado al nivel del punto más bajo. Este sumidero permitirá igualmente la inspección visual del tubo y detectar eventuales problemas. 3. Otra solución para una casa sin sótano es colocar un tubo más profundo sobre un lecho de guijarros para permitir la infiltración de los condensados en el suelo. Detalle del sifón: El paso del aire tenderá a secar el sifón. Un sistema simple consiste en colocar un tubo en un recipiente lleno de agua. Una capacidad suficiente en función del flujo necesario evitará que el sifón se seque. El excedente puede evacuarse hacia las aguas residuales. En ese caso se debe colocar un segundo sifón para evitar que se aspiren malos olores. Sobre el Radón El radón es un gas radioactivo de origen natural. Proviene de la desintegración del uranio y el radio presentes en la corteza terrestre. Se presenta a lo largo y ancho de toda la superficie del planeta y proviene sobre todo de los subsuelos graníticos y volcánicos así como de ciertos materiales de construcción. El radón puede acumularse en los espacios cerrados, incluyendo las casas. Los medios para disminuir las concentraciones de radón en las casas son simples: • •

airear y ventilar las casas, los subsuelos y las canalizaciones sanitarias; mejorar la estanqueidad de los muros y de los pisos.

El radón puede ser insuflado dentro de la casa debido al pozo canadiense si el tubo, tomando el aire desde el exterior, no es estanco. Recomendaciones: Utilicen varias longitudes de vaina de protección para cables eléctricos (lisos por el interior) de diámetro 160 mm o 110 mm en longitudes de 25m para evitar las juntas. Se debe prestar especial atención al enterramiento del tubo por la tierra para evitar que se creen cavidades donde el radón puede acumularse.

Como medida de precaución, efectuar mediciones de radón a lo largo de varias semanas en la casa con la ayuda de un dosímetro que será analizado por un laboratorio (20-40€) Véase más abajo. Diferentes posibilidades de colocación de las tuberías Todas las configuraciones son posibles, pero hay que tener en cuenta que cuantos menos codos haya, menos pérdidas de carga tendremos, y de ese modo la potencia del ventilador también será reducida. La colocación de los tubos se hará en función del terreno. Recomendaciones: 1. Durante el diseño, evitar los codos y ángulos. 2. Una pendiente de al menos el 2% en el sentido de la aspiración para la evacuación de los condensados. 3. En caso de presencia de una fuerte concentración de radón en el suelo, solo será posible una solución estanca. 4. Guardad una distancia suficiente entre los distintos tubos (mínimo 80cm) Nota sobre las pérdidas de carga: Como se ha indicado arriba, los flujos turbulentos generan unos intercambios térmicos mejores en los tubos. Esta pérdida puede compensarse gracias a los vientos. Basta que la boca de aspiración se monte sobre un sistema rotatorio (como una veleta) que dirija la entrada del aire de cara a los vientos. Esto se hace con la ayuda de una aleta con forma de un ">" donde la abertura se encuentra hacia la punta. Utilizando el mismo sistema pero con la salida de espaldas al viento se obtiene una ayuda para la salida del aire viciado. Ambos pueden acumularse en el mismo sistema rotatorio: >>>>>> sentido del viento >>>>>> Entrada de aire fresco < Salida de aire viciado >>>>>> sentido del viento >>>>>> Dimensionado del pozo canadiense

Cálculos El cálculo de un pozo canadiense se hace en función de múltiples parámetros. Los principales son: 1. El volumen de la casa; 2. el flujo necesario en invierno y verano; 3. la elección del sistema de ventilación de la casa (VMC, aireación natural...); 4. la arquitectura (bioclimática, materiales, aislamiento, invernaderos...); 5. la naturaleza del suelo (arenoso, arcilloso, cercanía del nivel freático...); 6. el lugar disponible para el enterramiento de los tubos; 7. la localización geográfica; 8. presupuesto.

Hipótesis La idea de este artículo es darles las claves para que puedan deducir la solución ideal para vuestra configuración a partir del ejemplo aquí descrito. Se trata de un edificio: marco en madera bioclimática con materiales saludables. El aislamiento es de 18cm en granulado de corcho para los muros y de 24cm de lana de lino para el desván. La casa ha sido diseñada para aprovechar al máximo los aportes pasivos del sol. Un colector solar de 20 m 2 acoplado a una cisterna de 2000l para la hidro acumulación se hace cargo de la calefacción de la casa así como del agua caliente sanitaria. Esto se refuerza mediante una caldera de plaquetas. La "respiración" de los muros está garantizada por la elección de materiales transpirables como el Fermacell, pare-vapeur, corcho, OSB y revestimiento de alerce. Se ha prestado una atención particular a la estanqueidad del conjunto para evitar las pérdidas de energía. De este modo la elección ha recaído sobre la ventilación a doble flujo para asegurar un intercambio de aire y de humedad regulares y permanentes del conjunto de la casa y recuperar la energía expulsada por la ventilación. El volumen de la casa es de alrededor de 800 m 3 y el aire se renueva cada 3 ó 4 horas, siendo la necesidad de aporte de aire exterior de 240m3. Tres modos de funcionamiento 1. En invierno: El objetivo es caldear el aire antes de que entre en la casa. Para obtener el máximo intercambio térmico el aire deberá circular a una velocidad aproximada de 1 m/s.

2. En verano: El objetivo es refrescar al máximo la casa en los momentos de más calor. La casa bioclimática ha sido concebida para aprovechar al máximo el aporte pasivo del sol a través de las ventanas y crear por lo tanto zonas sombreadas que eviten un aporte calorífico importante durante el día (toldos, plantación al sur...). Los pozos canadienses acompañan a todas esas medidas. Para obtener el máximo de eficacia, el caudal de aire deberá ser más importante para renovar el conjunto de la casa cada 2 horas. 3. Entretiempo: La temperatura de confort está comprendida entre los 18 y los 22ºC y el sistema se desconectará en caso necesario mediante una derivación para no refrescar la casa cuando la temperatura exterior sea próxima a la temperatura de confort. Cálculos: El software GAEA (véase abajo) ha sido utilizado para optimizar la instalación, aquí van algunos resultados: Constantes: Volumen de la casa: 800m3 temperatura asignada temperatura de la derivación entre 18 y 25ºC 1 tubo de 50m en PE (polietileno) con un diámetro de 184mm (interno) a 1,9m de profundidad 5. para obtener la suma de las pérdidas de carga, hay que sumar las pérdidas de carga para cada elemento del circuito (véanse los gráficos del proveedor en función del caudal) 1. 2. 3. 4.

Caudal (m3/h)

Renovación del aire (?/h)

Perdidas de carga en Pa(Solamente para pozos canadienses)

Potencia del ventilador (Watt)

240

0,3

75,80

8,42

320

0,4

93,13

13,80

400

0,5

114,27

21,16

560

0,7

167,38

43,40

800

1

272,50

100,93

Esta tabla permite verificar que para un tubo de 50m de longitud con un diámetro de 184mm, con un caudal de 240 m 3/h la pérdida de carga es de solo 785,80 Pa. La potencia del ventilador es superior incluso cuando el caudal es importante.

Como podrán constatar, pasamos de 8,42 Watts a 100 Watts, con un caudal solo tres veces superior. T de salida T de salida Caldeamiento Refrigeración Horas de Caudal min (invierno) máx. (verano) del aire del aire funcionamiento (m3/h) por T de por T de (Kwh/a) (Kwh/a) (hs/año) entrada (-12,7) entrada (31,7) 240

1830

258

4607

1,7

17,9

320

2226

340,9

4648

0,3

19,2

400

2560

401,8

4683

-0,9

20,3

560

3119

484,1

4754

-2,6

22

800

3848

548,3

4930

-4,4

24

En función del caudal, el caldeamiento o la refrigeración del aire, permitirá conseguir un ahorro energético mayor o menor. Pero este aporte energético se hará en detrimento de la potencia del ventilador, como subraya la tabla precedente. Se hace necesario encontrar el punto medio entre una inversión más importante y un aporte energético algo menor. Dando por hecho que el ventilador dispone de dos velocidades, por mi parte, elegiría un flujo de 240 m 3/h para el invierno y otro de 400 m3/h para el verano. El software permite igualmente simular otras soluciones diferentes para escoger entre los intercambiadores así como simular los aspectos económicos de vuestra instalación. Una vez más la naturaleza nos muestra que todos los elementos de los que tenemos necesidad para nuestro bienestar están al alcance de la mano. Alternativas Existen otros sistemas muy similares al del pozo canadiense: El túnel de guijarros El principio consiste en insuflar aire caliente en un túnel de guijarros enterrado profundamente para obtener un desfase de 3 a 4 meses, ya que la onda de calor se desplaza lentamente en el suelo, alrededor de unos 0,8m por mes. Este procedimiento es muy económico, y fácil de realizar. No obstante hay que tener la precaución de verificar que la realización de la zanja no pone en peligro la

estructura ni los cimientos. Una realización es fácilmente posible poniendo el túnel bajo el patio. 1. Funcionamiento en primavera y verano: Almacenaje y climatización. •

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a) Almacenaje: los días (incluso los nublados) tienen una alta insolación, lo que permite empujar el aire caliente en la parte alta de una veranda, e insuflarlo almacenándolo a profundidad bajo el patio o la casa. b) climatización: en verano, cuando hace demasiado calor, la ventilación de flujo simple se utiliza directamente para climatizar la casa con el aire nocturno, más fresco.

1. Funcionamiento en otoño e invierno: liberación y calentamiento directo. • •

a) Calentamiento directo: la veranda permite calentar la casa en los días soleados o ligeramente nublados por insuflación directa b) liberación del calor almacenado: se utiliza en los días fríos y nublados, se insufla el aire de la veranda en los guijarros para refrescarlos.

La utilización de guijarros 40/80 permite aumentar considerablemente la superficie de intercambio comparada con la de un pozo canadiense que no es más que un tubo liso. Pozo canadiense con intercambiador agua-aire Tubos rellenos de un líquido con anticongelante adoptan la temperatura del suelo, y calientan o enfrían el aire entrante. ¡Atención, esto no es una bomba de calor, no hay un ciclo de compresión/descompresión! El mayor inconveniente de este sistema es el bajo rendimiento COP