Modelamiento numérico de un intercambiador de calor aire tierra para el enfriamiento de una vivienda unifamiliar en la ciudad de Villavicencio
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Perdomo Gutierrez, Estefania
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Universidad Santo Tomás
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El uso de sistemas de enfriamiento, como los aires acondicionados, se ha intensificado en los últimos años. Esta tendencia, impulsada por la demanda de confort térmico en climas cálidos y tropicales, ha generado un aumento en el consumo de energía y de las emisiones de gases de efecto invernadero. Además, los sistemas de enfriamiento tradicionales suelen utilizar refrigerantes que, a pesar de las regulaciones existentes, todavía tienen un impacto negativo en el medio ambiente.
Colombia se destaca por tener una de las matrices de generación eléctrica más limpias a nivel mundial, con un 68% de su energía proveniente de fuentes renovables, de las cuales la energía hidráulica representa la mayor contribución. Sin embargo, la dependencia de la energía hidráulica limita la generación debido a sequías que afectan los embalses, lo que aumenta el uso de la generación térmica para suplir la demanda. Los sistemas de enfriamiento convencionales representan el 48% del consumo eléctrico mensual promedio de 157 kWh de los hogares colombianos, incrementando las emisiones de gases de efecto invernadero y los costos energéticos. Esto resalta la necesidad de implementar alternativas de enfriamiento más eficientes y sostenibles, que reduzcan tanto las emisiones de gases de efecto invernadero como los costos energéticos.
Como alternativa a las fuentes energéticas tradicionales y con el fin de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, se ha incrementado el uso de energías renovables como la solar, eólica, hidráulica y geotérmica a nivel mundial; y que al diversificar las fuentes de energía en el país, se reduce la dependencia de los combustibles fósiles proporcionando sostenibilidad energética. En particular, la energía geotérmica es una alternativa sostenible en aplicaciones de enfriamiento. Los intercambiadores de calor aire tierra (ICTA), son una tecnología que aprovecha el calor natural de la tierra para reducir la temperatura del aire exterior que circula en un conjunto de ductos enterrados en el suelo, disminuyendo significativamente el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con los sistemas de enfriamiento tradicionales.
La implementación de un ICTA en la ciudad de Villavicencio puede ser una alternativa a la alta contaminación ambiental, producto del uso desmesurado para la refrigeración de espacios habitados. Particularmente, este trabajo se centra en el estudio numérico de un ICTA para una vivienda unifamiliar con el fin de obtener el comportamiento del sistema bajo las condiciones climáticas y las configuraciones geométricas a las que estaría sometido, las cuales se simularon en el software de dinámica de fluidos computacional Ansys fluent y se determinó que la configuración en serpentín con una longitud de 30 m y una tubería en PVC de 6” disminuye la temperatura del aire que se dispersaría en la vivienda, usando la menor cantidad de recursos y obteniendo las menores perdidas de presión.
Abstract
The use of cooling systems, such as air conditioners, has intensified in recent years. This trend, driven by the demand for thermal comfort in hot and tropical climates, has led to an increase in energy consumption and greenhouse gas emissions. In addition, traditional cooling systems often use refrigerants that, despite existing regulations, still have a negative impact on the environment.
Colombia stands out for having one of the cleanest electricity generation matrices worldwide, with 68% of its energy coming from renewable sources, of which hydropower represents the largest contribution. However, the dependence on hydropower limits generation due to droughts that affect reservoirs, which increases the use of thermal generation to meet demand. Conventional cooling systems account for 48% of the average monthly electricity consumption of 157 kWh of Colombian households, increasing greenhouse gas emissions and energy costs. This highlights the need to implement more efficient and sustainable cooling alternatives that reduce both greenhouse gas emissions and energy costs.
As an alternative to traditional energy sources and in order to mitigate greenhouse gas emissions, the use of renewable energies such as solar, wind, hydraulic and geothermal has increased worldwide; and by diversifying energy sources in the country, dependence on fossil fuels is reduced, providing energy sustainability. In particular, geothermal energy is a sustainable alternative in cooling applications. Air- to-ground heat exchangers (ICTA) are a technology that takes advantage of the natural heat of the earth to reduce the temperature of the outside air that circulates in a set of ducts buried in the ground, significantly reducing energy consumption and greenhouse gas emissions compared to traditional cooling systems.
The implementation of an ICTA in the city of Villavicencio can be an alternative to the high environmental pollution caused by the excessive use of air conditioning for cooling inhabited spaces. In particular, this work focuses on the numerical study of an ICTA for a single-family home in order to obtain the behavior of the system under the climatic conditions and geometric configurations to which it would be subjected, which were simulated in the computational fluid dynamics software Ansys fluent and it was determined that the coil configuration with a length of 30 m and a 6” PVC pipe reduces the temperature of the air that would be dispersed in the home, using the least amount of resources and obtaining the lowest pressure losses.
Idioma
spa
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Citación
Perdomo Gutiérrez, E. (2024). Modelamiento numérico de un intercambiador de calor aire tierra para el enfriamiento de una vivienda unifamiliar en la ciudad de Villavicencio. [Trabajo de grado, Universidad Santo Tomás]. Repositorio Instituional.
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