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Los pozos intercambiadores de calor (Ground Source Heat Pump, GSHP) y las estructuras termoactivas (como pilas de energía, muros de energía, losas de energía, entre otras) utilizan la diferencia de temperatura entre el suelo y el ambiente para el calentamiento o enfriamiento de edificios, por lo cual representan una alternativa para reducir el impacto ambiental de la creciente demanda de energía para el acondicionamiento de espacios (Brandl, 2006). El diseño de estas estructuras requiere la correcta determinación de las propiedades térmicas del suelo, como la conductividad térmica λ, su temperatura inalterada y la resistencia térmica del intercambiador de calor Rb (Gehlin, 2002). Estas propiedades pueden obtenerse mediante pruebas de laboratorio o ensayos in situ. El procedimiento estándar para medir estos parámetros in situ es el ensayo de respuesta térmica (Thermal Response Test, TRT), el cual, permite obtener valores efectivos de las propiedades térmicas en condiciones reales de campo, eliminando los problemas de extracción, transporte y manejo de muestras inalteradas, asociados a las pruebas de laboratorio. En este trabajo se exponen las principales características de un aparato TRT móvil diseñado y puesto en marcha en el Instituto de Ingeniería, así como los resultados de las primeras pruebas ejecutadas dentro de la zona metropolitana del Valle de México.

Equipo

Figura 1. a) Equipo

Equema representativo del circuito interno de funcionamiento

Figura 1. b) Esquema representativo del circuito interno de funcionamiento


El ensayo TRT consiste en hacer circular un fluido portador de calor dentro de una tubería en bucle incrustada en el suelo. Durante el periodo de prueba se monitorean las temperaturas de entrada y salida del circuito. Posteriormente, los datos medidos se ajustan a un modelo de transferencia de calor, como el modelo de fuente lineal infinita (Ingersoll y Plass, 1948) o el modelo transitorio de Loveridge et al. (2014). En 2020, como parte de un proyecto de investigación a cargo de la Dra. Norma Patricia López Acosta del Instituto de Ingeniería, se diseñó, construyó e implementó un equipo móvil que contiene todos los elementos necesarios para la ejecución de ensayos TRT (Fig.1).

Las actividades generales para llevar a cabo una prueba de respuesta térmica se indican en la Figura 2 (para mayor información, consultar Rivera-Martínez, 2021).
El buen funcionamiento del equipo móvil TRT-IIUNAM se comprobó mediante la ejecución exitosa de dos pruebas en campo. La primera prueba TRT se efectuó al poniente de la CDMX en la primera pila de energía construida en el país de 80 cm de diámetro y 15.5 m de longitud. La segunda prueba TRT se realizó en un pozo en el subsuelo del norponiente del Estado de México, de 15 cm de diámetro y 20 metros de profundidad. La ubicación de los sitios de prueba se ilustra en la Figura 3. Las zonas de estudio se seleccionaron con base en la disponibilidad de espacio y las características estratigráficas del sitio. 

Actividades para ensayo TRT

Figura 2. Actividades para la realización de un ensayo TRT​



TRT ejecutado en una pila de energía


La estratigrafía de la zona de estudio está compuesta principalmente por arenas limosas con grava y fragmentos de roca andesítica. En la Tabla 1 se presentan las características principales de la prueba efectuada en una pila de energía (ubicación en la Figura 3).
La Figura 4a presenta las temperaturas de entrada y de salida registradas en la prueba. Durante el TRT se recomienda que el flujo de agua sea turbulento y que tanto el caudal como la potencia suministrada al sistema sean constantes, como se obtuvo al realizar la prueba (Figura 4b). El análisis de resultados indica que la conductividad térmica del suelo del sitio es λ = 1.63 Wm-1 °C-1 y la resistencia térmica de la pila es Rb=0.090 m°CW-1. Estos valores son similares a los reportados en la literatura para pilas de energía (Loveridge et al., 2013) y arenas no saturadas (Dalla Santa et al., 2020).


Diámetro

0.80m

Longitud

15.5m

No. Bucles

4

Duración de la prueba

60 horas

Método de análisis

Funciones G (Loveridge et al., 2014)


Tabla 1. Características principales de la prueba ejecutada en una pila de energía

Figura 3. Ubicación de los sitios de las primeras pruebas ejecutadas con el equipo móvil TRT-IIUNAM
Figura 3. Ubicación de los sitios de las primeras pruebas ejecutadas con el equipo móvil TRT-IIUNAM


Temperaturas de entrada y de salida del fluido durante la prueba TRT,

Figura 4. a) Temperaturas de entrada y de salida del fluido durante la prueba TRT

Variación de la potencia y la tasa de flujo
Figura 4. b) Variación de la potencia y la tasa de flujo​



 
TRT ejecutado en un pozo intercambiador de calor de prueba


La zona de estudio (Figura 3) se compone principalmente de arenas limosas y gravas. En la Tabla 2 se presentan las características principales de la prueba TRT efectuada en el pozo intercambiador de calor. Como complemento al TRT in situ, se extrajeron ocho muestras inalteradas de suelo. Las muestras se utilizaron para medir la conductividad térmica λ en laboratorio con el método de la aguja térmica, mediante el equipo KD2 Pro. Este equipo es capaz de medir adicionalmente la capacidad calorífica volumétrica ccv y la difusividad térmica D de los suelos.
En la Figura 5 se presenta el perfil estratigráfico con la temperatura del sitio de prueba, el contenido de agua, así como las propiedades térmicas medidas en laboratorio y campo con el ensayo de respuesta térmica TRT-IIUNAM. Los resultados de las pruebas indican que el suelo ensayado tiene una conductividad térmica baja.



Diámetro

0.15m

Longitud

20m

No. Bucles

1

Duración de la prueba

160 horas

Método de análisis

Modelo de fuente lineal infinita
(Ingersoll y Plass, 1948)


Tabla 2. Características principales de la prueba ejecutada en un pozo de prueba​



​Por otra parte, la conductividad térmica medida en las pruebas de laboratorio resultó inferior a la obtenida con el ensayo TRT in situ. Esta discrepancia se ha reportado previamente en estudios internacionales (Low et al., 2015) y se asocia a efectos de escala. Los resultados obtenidos en esta investigación aportan gran conocimiento de las propiedades térmicas de los suelos nacionales y representa un recurso invaluable para la implementación de estructuras termoactivas en nuestro país.



Perfil estratigráfico con la temperatura del sitio de prueba, el contenido de agua, así como las propiedades térmicas medidas en laboratorio y campo

Figura 5. Perfil estratigráfico con la temperatura del sitio de prueba, el contenido de agua, así como las propiedades térmicas medidas en laboratorio y campo

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Referencias

​Brandl, H. (2006). Energy foundations and other thermo-active ground structures. Géotechnique, 56, 81-122.

Dalla Santa, G.; Galgaro, A.; Sassi, R.; Cultrera, M.; Scotton, P.; Mueller, J.; Bertermann, D.; Mendrinos, D.; Pasquali, R.; Perego, R. et al. (2020). An updated ground thermal properties database for GSHP applications. Geothermics, 85, 101758.

Gehlin, S. (2002). Thermal Response Test. Method Development and Evaluation. Luleå University of Technology, Sweden. 191.

Ingersoll, L. R. y Plass, H. J. (1948). Theory of the Ground Pipe Heat Source for the Heat Pump. ASHVE Transactions, 54, 339-348.

Loveridge, F.; Powrie, W. y Smith, P. (2013). A review of the design and construction aspects for bored thermal piles. Ground Engineering, 2011–2014.

Loveridge, F.; Powrie, W. y Nicholson, D. (2014). Comparison of two different models for pile thermal response test interpretation. Acta Geotechnica, 9(3), 367–384.

Low, J. E.; Loveridge, F. A.; Powrie, W. y Nicholson D. (2015). A comparison of laboratory and in situ methods to determine soil thermal conductivity for energy foundations and other ground heat exchanger applications. Acta Geotechnica, 10(2), 209-218.

Rivera-Martínez A. M. (2021). Diseño e implementación de un equipo de respuesta térmica (TRT) para la determinación de las propiedades térmicas de los suelos. 

Tesis de Maestría. Universidad Nacional Autónoma de México, México.