Novasinergia 2022 5(1), 83-99. https://doi.org/10.37135/ns.01.09.06 http://novasinergia.unach.edu.ec
Artículo de Investigación
Evaluación del potencial geotérmico inverso y solar para reducir el
consumo energético de una instalación hospitalaria en Panamá
Evaluation of reverse geothermal and solar potential to reduce the energy
consumption of a hospital facility in Panama
María Him Moya 1 , Angienely Humphries1, Pedro Fuentes1, Miguel Chen Austin1,2, *
1 Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Panamá, Ciudad de Panamá, Panamá; 0819-07289;
maria.him1@utp.ac.pa; angienely.humphries@utp.ac.pa; pedro.fuentes1@utp.ac.pa
2 Centro de Estudios Multidisciplinarios en Ciencias, Ingeniería y Tecnología (CEMCIT-AIP), Ciudad de Panamá, Panamá; 0819-
07289
*Correspondencia: miguel.chen@utp.ac.pa
Citación: Him, M., Humphries,
A., Fuentes, P., & Chen, M.,
(2022). Evaluación del potencial
geotérmico inverso y solar para
reducir el gasto energético de una
instalación hospitalaria en
Panamá. Novasinergia. 5(1). 83-99.
https://doi.org/10.37135/ns.01.09.
06
Recibido: 25 septiembre 2021
Aceptado: 29 enero 2022
Publicado: 31 enero 2022
Novasinergia
ISSN: 2631-2654
Resumen: Uno de los principales problemas que afecta al medio ambiente
es el alto consumo de fuentes fósiles el cual se ha buscado mitigar a través
de la utilización de fuentes renovables de energía. Entre los grandes
consumidores energéticos se encuentran las edificaciones hospitalarias
dado su funcionamiento de manera ininterrumpida. Esta investigación
busca reducir el consumo energético de una instalación hospitalaria en la
ciudad de Panamá. mediante la evaluación del potencial geotérmico
inverso y solar de la zona. Para lograr este objetivo se modeló la edificación
usando el software DesignBuilder, se dimensionó un intercambiador de
calor basado en la simulación realizada, se analizó de forma teórica la
temperatura del suelo para conocer los días de operatividad del sistema
geotérmico y se calculó el número de paneles fotovoltaicos a utilizar. Se
promediaron ahorros de 47.83% en gastos por refrigeración lo que llevaría
a una reducción de 9.29% de la demanda eléctrica mensual, concluyendo
que es un porcentaje significativo de ahorro para este tipo de edificaciones
de comprobarse y aplicarse de manera práctica las hipótesis presentadas.
Además, sienta las bases para llevar las edificaciones hospitalarias a un
consumo de energía casi nulo.
Palabras clave: Ahorro energético, consumo energético, energía
geotérmica, hospital, paneles fotovoltaicos.
Copyright: 2022 derechos
otorgados por los autores a
Novasinergia.
Este es un artículo de acceso
abierto distribuido bajo los
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Attribution (CC BY NC).
(http://creativecommons.org/lice
nses/by/4.0/).
Abstract: One of the main problems affecting the environment is the high
consumption of fossil fuels, which has been mitigated by using renewable energy
sources. Hospital buildings stand among the major energy consumers due to their
uninterrupted operation. This research seeks to reduce the energy consumption of
a hospital facility in Panama City by evaluating the inverse geothermal and solar
potential of the area. To achieve this objective, the building was modeled using
DesignBuilder software, a heat exchanger was sized based on the simulation, the
ground temperature was analyzed theoretically to determine the days of operation
of the geothermal system, and the number of photovoltaic panels to be used was
calculated. Savings of 47.83% in cooling costs were averaged, which would lead
to a reduction of 9.29% of the monthly electricity demand, concluding that this is
a significant percentage of savings for this type of building if the hypotheses
presented are verified and applied in a practical manner. It also lays the
groundwork for bringing hospital buildings to near-zero energy consumption.
Keywords: Energy consumption, energy savings, geothermal energy, hospital,
photovoltaic panels.
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1. Introducción
Se pronostica para el año 2030 un alza de 57% en el consumo de energía primaria
mundial de seguir la tendencia actual de aumento en el consumo eléctrico y en el costo del
petróleo y gas natural, lo que presenta la necesidad de reducir el consumo energético,
destacando el sector hospitalario entre los tipos de edificaciones con mayor consumo dado
su funcionamiento continuo los 365 días del año, 24 horas al día. Es por ello por lo que la
integración de nuevas fuentes energéticas en los hospitales para reducir su gasto eléctrico,
de calefacción y refrigeración tiene alta importancia, destacando el caso de Panamá que, a
la fecha de esta investigación, no presenta reportes en el área mencionada.
Entre estas nuevas fuentes de energía, el estudio se enfocará en el uso de la energía
geotérmica en combinación con la energía solar fotovoltaica. La energía geotérmica es “una
energía limpia y renovable que aprovecha el calor del subsuelo para climatizar y obtener
agua caliente sanitaria de forma ecológica”. Esta fuente también se puede aprovechar para
la climatización de edificaciones donde esta “cede o extrae calor de la tierra, según se
requiera obtener refrigeración o calefacción, a través de un conjunto de colectores
enterrados en el subsuelo por las que circula una solución líquida” (Tokman, 2008).
Poniendo a Panamá en el contexto de su potencial geotérmico, el reporte “Geotermia en
Panamá: un análisis de necesidades”, menciona que primeramente en el país existe una gran
necesidad de nuevas evaluaciones técnicas para medir de forma concluyente el potencial
para la energía geotérmica en el istmo, siendo la más reciente estimación del año 2006,
realizada por West Japan Engineering Consultants, mostrando como resultados 24 MW
posibles en el área de Barú – Cerro Colorado y 18 MW en el área del Valle de Antón, con
100 °C a 140 °C en profundidades de 600 a 1000 m (ETESA, 2010). Por lo que se observa la
posibilidad de la implementación de energía geotérmica, clasificada “de media entalpía”
que permitiría aplicaciones como la generación de electricidad y el aprovechamiento del
calor de forma directa en sistemas de calefacción industriales o urbanos (Grupo Visiona,
2013). Todo esto apunta a la posibilidad del desarrollo de edificaciones sostenibles de bajo
consumo en el país.
Por otro lado, la energía solar fotovoltaica se define como “la transformación directa de la
radiación solar en electricidad a través de los paneles fotovoltaicos. En estos, la radiación
solar excita los electrones de un dispositivo semiconductor generando una pequeña
diferencia de potencial”(Grupo Ibal, 2019). A su vez el sistema fotovoltaico descrito en este
estudio estará constituido de paneles fotovoltaicos de materiales de alta eficiencia, como es
el caso más común la utilización de silicio monocristalino, este material suele ser más caro
que las celdas policristalinas, pero permite un mayor rendimiento debido a la alta
sensibilidad y la captación solar, incluso en climas adversos, niebla o tormenta y cuando se
busque aumentar la producción y aprovechar el espacio de utilidad para su colocación
(Elvis, Soto, & Dixon, 2005). A pesar de que hasta el momento la energía solar fotovoltaica
ocupe el 2.15% dentro de la matriz energética panameña, es un sistema de producción de
energía limpia que va en aumento (ETESA, 2018) ya que la radiación solar promedio por día
en Panamá es de 4.8 kWh/m2, siendo la región más favorecida el sur de Chiriquí donde el
promedio por día está situado en los 5.4 kWh/m2 (Secretaría Nacional de Energía, 2015).
Según datos de (Autoridad Nacional de los Servicios Públicos, 2018) Panamá cuenta con 241
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instalaciones de generación solar de las cuales, la provincia de Panamá Oeste ocupa el
primer lugar en el interior del país con 23%, seguida de Coclé con 10%, Chiriquí con 7%,
Veraguas con 5%, Colón con 4%, Herrera con 2% y Los Santos con 2%, mientras que la
provincia de Panamá, a nivel nacional, concentra la mayor cantidad de sistemas
fotovoltaicos de autoconsumo instalados con un 47%. Adicionalmente se han realizado
estudios en instalaciones hospitalarias a nivel internacional donde se destacan que al
instalar sistemas solares fotovoltaicos se evita la emisión al medioambiente de 44 toneladas
de gases de CO2, la institución hospitalaria estima un ahorro anual de 8376 dólares gracias
al 18.8% de ahorro energético producido (Jiménez, Leal, & Garzón, 2016).
Las medidas mencionadas en conjunto a otros elementos pueden contribuir con otras
estrategias como lo son las edificaciones a energía neta cero (NZEB por sus siglas en inglés),
las cuales se entienden como: un edificio que tiene un rendimiento energético muy alto, la
casi nula o muy baja cantidad de energía requerida debe ser cubierta en una medida muy
significativa por energía de fuentes renovables, incluyendo la energía de fuentes renovables
producida en el lugar o en las cercanías. Esto no quiere decir que la edificación no consuma
energía, sino que esta consume prácticamente lo mismo que produce (Teba, 2020). Estas
edificaciones serían un eslabón más en la cadena que lleve a Panamá a una reducción
considerable de sus emisiones de gases invernadero, a la vez de contribuir al mejoramiento
de los servicios de la red eléctrica. Para llegar a esto se puede iniciar incidiendo directamente
sobre las fuentes de consumo energético, por ende, muchas empresas aplican a la
certificación Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED por sus siglas en inglés) para
alcanzar este objetivo, así se presenta en un estudio cuya finalidad radica en la promoción
de la salud pública direccionándola hacia la sostenibilidad, seguridad y sistemas de control,
además de los pasos seguidos para la obtención de la certificación, obteniendo como
resultado la categoría plata de la certificación para un hospital de 106000 m², con capacidad
para 200 camas, cumpliendo con los criterios establecidos en la certificación: sostenibilidad
del sitio, eficiencia en el manejo del agua, energía y atmósfera, materiales y recursos, calidad
del ambiente interior e innovación (Uribe & Arboleda, 2015). También, es destacable el caso
de una tesis realizada en España donde se buscó una alternativa renovable de
abastecimiento energético en un hospital, tomando en consideración el clima de la zona y
los recursos con los que se cuentan en esa área, evaluando así la energía solar térmica,
biomasa, geotermia y mini eólica, resultando como más factible el abastecimiento de caldera
por biomasa forestal, ya que se cubre más de un 95% de la demanda en energía térmica de
la instalación (Valdés, 2018). Igualmente se presenta el caso de un hospital en Massachusetts,
uno de los hospitales más importantes de Estados Unidos, ubicado específicamente en
Boston con una extensión 30905.50 m2, en donde su gasto de energía más significativo se da
en el sistema de climatización. Como resultado se obtuvo que, de aplicarse la estrategia
propuesta, las instalaciones del MGH (Massachusetts General Hospital) podrían ahorrar
hasta un 60% de los costes de climatización al año, lo que representaría un ahorro de 1218626
dólares al año.
Como otro ejemplo sobre las medidas de ahorro en edificaciones hospitalarias, en un estudio
se muestra que con la implementación de medidas activas y pasivas de ahorro energético
en edificaciones de menos de 5000 m2 se pueden obtener ahorros de hasta 8.60 kWh/m2 por
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año y 6.88 kWh/m2 en construcciones de más de 5000 m2, representado ahorros en costos de
6192.00 y 37152.00 euros al año, respectivamente (Zyvith et al., 2018).
La implementación de este tipo de acciones ha llevado al estudio de la viabilidad de
construcción de edificios NZEB, específicamente en las ciudades de Guatemala, Costa Rica,
Cuba, El Salvador, Puerto Rico, Nicaragua, Panamá, Belice, San Pedro Sula y Acajutla,
aplicando el prototipo experimental construido en la Universidad Centroamericana José
Simeón Cañas en El Salvador para encontrar el balance óptimo de energía neta cero anual
en estas ubicaciones mediante simulaciones energéticas. Esto obtuvo como resultado entre
10 a 28 modelos optimizados que indicaron que si la edificación prototipo se colocara en
estas ciudades se necesitarían entre 25 a 27 paneles solares para poder ser considerados
como NZEB (Hernández, Lemus, Solano, & Martínez, 2020).
Conociendo entonces el alto consumo de energía generado por las instalaciones
hospitalarias y las distintas formas en las que se puede disminuir, el objetivo principal de
esta investigación es evaluar la aplicación de un mecanismo que pueda reducir el consumo
por refrigeración de la instalación mediante un sistema geotérmico inverso del tipo aire-
tierra. Adicional a esto, se implementarán paneles fotovoltaicos para contribuir al ahorro
energético. Estos métodos en conjunto, a mediano o largo plazo, pueden aportar al
mejoramiento del sistema hospitalario, además de complementar y/o brindar información
relevante sobre técnicas de ahorro energético en el país y sentar las bases para llevar las
edificaciones hospitalarias a ser NZEB.
2. Metodología
En la figura 1 se observa la ruta de metodología que se siguió para el desarrollo del
estudio.
Figura 1: Diagrama metodológico del estudio presentado.
2.1. Descripción del caso de estudio
El caso de estudio corresponde a la policlínica Dr. Carlos N. Brin ubicada en el
corregimiento de San Francisco, Distrito de Panamá, adyacente al Parque Recreativo Omar
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Torrijos, con coordenadas específicas 8°59’45’’N 79°30’50’’W, orientado desde su entrada a
45° respecto al norte, mostrado en la figura 2.
Figura 2: Mapeo y áreas aledañas a la edificación hospitalaria del caso de estudio (Google Earth, 2021). Se aprecia el área
abierta en la parte trasera con árboles, la cual beneficia a la edificación, y el área delantera totalmente pavimentada.
Obtenidos los planos originales en la Dirección Nacional de Infraestructura y Servicios de
Apoyo (DINISA), de la Caja de Seguro Social (CSS), se realizó un modelo de la estructura
hospitalaria en el software DesignBuilder, una plataforma especializada en simulaciones
energéticas de edificios, fabricada por la compañía británica Stroud, de la cual se empleó en
esta investigación la versión 6. La instalación cuenta con dos plantas con una superficie total
de 4622.56 m2 como se describe en la tabla 1 y una altura de 9 m, apoyada sobre una
superficie de concreto. Se observa una vista general de la edificación en la figura 3.
Tabla 1: Superficies de planta de la edificación.
Superficies por planta (m2)
Planta baja
2285.63
Planta alta
2336.93
Total
4622.56
Figura 3: Vista general de la edificación seleccionada para estudio modelada en el software DesignBuilder.
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Dado que no se presentan datos oficiales del consumo eléctrico y térmico de las áreas de la
policlínica, se realizó una estimación mediante herramientas bibliográficas como se muestra
en la tabla 2, una vez definido esto se procede a realizar la simulación.
Tabla 2: Consumo eléctrico en la edificación hospitalaria correspondiente a luminarias y equipos.
Planta
Equipos y otros
(W/m2)
Planta inferior
680993.0
Planta superior
239871.6
2.2. Modelado de la temperatura del suelo
Para conocer las propiedades del suelo en Panamá, para el cual se ha establecido
como tipo general una combinación de arenisca y caliza, los informes (Autoridad Nacional
de Ambiente, 2011; Escalante & Villalba, 2018) detallan los tipos y propiedades térmicas de
este como lo muestra la tabla 3.
Tabla 3: Propiedades físicas y térmicas generales del suelo en Panamá.
Propiedad
Símbolo
Valor
Unidad
Conductividad térmica
λ
4.7
W/mK
Capacidad térmica volumétrica
ρCP
2.80
MJ/m3K
Siguiendo lo planteado en la investigación (Belatrache, Bentouba, & Bourouis, 2017), la
ecuación (1) permite el cálculo de la difusividad térmica, la cual a su vez se emplea en el en
el cálculo de la temperatura del suelo, realizado mediante la ecuación (2).
α= λ
ρCP (1)
T󰇛z,t󰇜=Tsup+ As󰇧e-zπ
365αcos 󰇩2π
365 󰇛t-t0󰇜-z
2365
πα󰇪󰇨 (2)
En la que Tsup es la temperatura anual promedio en °C, AS la amplitud de la variación de la
temperatura superficial de suelo en °C, z representa la profundidad desde la superficie del
suelo en m, t corresponde al día al año analizado y t0 al día más caliente del año. Dado que
AS es un criterio puramente experimental y los datos sobre este no se encuentran en la
literatura, para los propósitos de esta investigación se varía el valor según el caso que se
analiza. Obteniendo los valores de Tsup, t y t0 de la simulación realizada y variando los
valores de z y AS se conocen entonces las diversas temperaturas que teóricamente el suelo
sería capaz de proporcionarle al sistema geotérmico.
2.3. Evaluación del intercambiador de calor aire – suelo
Se escogió el diseño de un intercambiador de calor aire – suelo, como se muestra en
la figura 4, por la simplicidad del sistema al ser este sin retorno y los requerimientos
energéticos en su funcionamiento son prácticamente nulos.
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Figura 4: Esquemático del intercambiador de calor aire – tierra para sistema de climatización del hospital.
Se consideran dos casos de estudio: para el caso uno, se calcula la longitud total de la tubería
del sistema según las ecuaciones de convección forzada interna asumiendo un valor en la
temperatura interior del recinto de 25.5°C y en el suelo de 25°C (Cengel, Yunus A.; Ghajar,
2011). Se asumió que la transferencia de calor entre la tubería y el suelo se da de manera
ideal, calculando el flujo másico, simbolizado como 󰇗, según la ecuación (3).
m󰇗=achVol1ρ
3600 (3)
Para obtener el coeficiente de transferencia de calor (h) como se muestra en la ecuación (4),
se requiere el cálculo del número Reynolds (Re) con la ecuación (5) y el número local de
Nusselt (Nu), este último se puede obtener de la conocida ecuación de Dittus-Boelter,
mostrada en la ecuación (6). Para el número de Prandtl se mantiene un valor fijo de 0.7 para
el aire y en cuanto al número de Reynolds se establece un rango descrito en: flujos internos
Re < 2000, flujo laminar si 4 < Re < 2000, zona de transición para valores entre 2000 < Re <
4000 y flujo turbulento si Re > 4000. Se conoce también que el flujo laminar es un flujo
generalmente experimental.
h= Nud
k (4)
Re= ρvd
μ (5)
Nu=0.023Re0.8Pr
1
3 (6)
La longitud horizontal total requerida se calcula según la ecuación (7), la cual incorpora el
cálculo del área superficial de transferencia de calor.
L=-m󰇗cp
πdh 󰇡ln 󰇻Te-Ts
Ti-Ts󰇻󰇢 (7)
Dentro de estas ecuaciones se reemplazan los datos mostrados en la tabla 4.
Tabla 4: Datos considerados para el cálculo del intercambiador de calor aire-tierra
Datos
Símbolo
Valor
Unidad
Tasa de renovamiento del aire interior
ach
0.5238
1/h
Calor específico
cp
1007
J/kgK
Temperatura de salida
Te
25.5
°C
Temperatura de entrada
Ti
27.2
°C
Volumen de planta baja
Vol1
10285.3
m3
Densidad
ρ
1.184
kg/m3
Diámetro del tubo
d
0.08
m
Temperatura del suelo
Ts
25
°C
Conductividad térmica
k
0.02

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Continuación tabla 4: Datos considerados para el cálculo del intercambiador de calor aire-tierra
Datos
Símbolo
Valor
Unidad
Viscosidad dinámica
μ
1.86x10-5
 
Número de Prandtl
Pr
0.7
-
Velocidad promedio del aire
v
2
m/s
una vez obtenida la longitud de tubería como se muestra en el caso 1, en el caso 2, se varía
el valor de AS y por tanto, el valor de la temperatura interna del recinto, con lo que se
conocerá las temperaturas de confort que el sistema podría proveer, tomando en cuenta que
el confort térmico es la condición en la que se expresa satisfacción con el ambiente térmico
y que este depende de características del recinto como la temperatura, humedad relativa,
presión de vapor del aire, velocidad del aire y las características de los ocupantes (Secretaría
Nacional de Energía, 2016), por lo que su evaluación es subjetiva y para esta investigación
se toman en cuenta los puntos presentados en la tabla 4.
2.4. Cálculo de la generación fotovoltaica
La instalación hospitalaria en estudio cuenta con tres secciones de techo de cuatro
aguas, que en conjunto tienen un área total de 1848.33 m2 tomando en cuenta la inclinación.
Para conocer la electricidad generada por los paneles se parte de la ecuación (8) que permite
obtener la potencia instalada de los paneles y aplicar este dato en la ecuación (9), referente
a la electricidad generada por día.
  (8)
 
  (9)
En donde  es la potencia instalada en kW, N es el número de paneles fotovoltaicos y
es la potencia nominal del panel.  es la electricidad generada por día en kWh,  es la
irradiación solar diaria sobre el módulo en kWh/m2,  es la irradiación solar para
condiciones de ensayo estándar (1 kW/m2) y  es el factor de corrección del rendimiento
del sistema, que según (Zomer, Urbanetz, & Rüther, 2011) se recomienda que sea 0.85.
3. Resultados
Consumo total del edificio
Los resultados obtenidos luego de realizada la simulación en el software
DesignBuilder se detallan en las figuras a continuación. En la figura 5 se observa el consumo
energético hospitalario por categorías en equipos de consumo como equipos hospitalarios,
iluminación y aire acondicionado. Los resultados posicionan a los equipos médicos con el
mayor gasto, debido a la alta demanda que tienen estos en los rangos de operatividad en las
horas ocupadas de la instalación.
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Figura 5: Consumo eléctrico hospitalario anual, basado en calendario enero – diciembre.
En la figura 6 se observa la tasa de calor mensual para las distintas superficies de la
edificación desde el punto de vista del aire interior de este. Entre las pérdidas de calor para
valores negativos y las ganancias para positivos, a través de las diferentes superficies de la
estructura, se destacan los vidrios y paredes tomando en consideración las diferentes
fuentes de calor presentadas en la figura 7, en las distintas áreas a través del tiempo con
datos tomados de la simulación en DesignBuilder.
Figura 6: Tasa de calor mensual, partiendo del mes de enero.
Novasinergia 2022, 5(1), 83-99 92
El mayor consumo de energía térmica para las unidades mencionadas en la figura 7, son los
equipos médicos, seguido de los equipos de oficina, pero bastante inferiores a los ya
mencionados, desde el punto de vista de aire interior del recinto.
Figura 7: Consumo de energía térmica por categoría de equipo, partiendo del mes de enero.
La figura 8 representa las temperaturas de confort para el aire interior y la temperatura de
bulbo seco en el aire exterior mensualmente, como datos de la simulación en DesignBuilder,
siendo la diferencia de temperatura de hasta 3 °C en el mes más cálido.
Figura 8: Temperaturas del aire en el interior del recinto y del aire exterior, basado en calendario anual enero –
diciembre.
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Temperatura del suelo
De los gráficos mostrados en la figura 9 y figura 10, se observa la alta sensibilidad del
sistema a la amplitud térmica a lo largo del año, tomando como punto de inicio el día
primero de enero. Se aprecia que a mayor amplitud (AS) se obtiene un mejor rango de
operatividad.
Figura 9: Valores calculados de la temperatura del suelo a diferentes profundidades con una amplitud = 1.
Figura 10: Valores calculados de la temperatura del suelo a diferentes profundidades con una amplitud = 2.
Sistema geotérmico
El modelo arroja para el caso 1 una longitud total de tubería de 564.68 m, establecidas en un
arreglo de 14 tramos de 35 m horizontal con una separación de 2 m entre cada tramo y 30
codos tipo estándar a 90 grados para las uniones de los tramos, como lo muestra la figura
11.
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Figura 11: Diagrama representativo del dimensionamiento del intercambiador de calor aire – suelo.
Tomando en consideración esta longitud en conjunto con distintas amplitudes, todas a una
profundidad de 5 m y valores de confort entre 26.1°C y 27 °C (Secretaría Nacional de
Energía, 2016), se obtuvo como resultados del caso 2 el gráfico mostrado en la figura 12, en
el que la zona verde indica el periodo máximo de operatividad del sistema, y la tabla 5, que
muestra la temperatura interior de confort que recibiría la edificación.
Tabla 5: Temperaturas de funcionamiento y días de operación del sistema geotérmico.
Amplitud térmica (AS)
1
1.5
2
2.5
3
Temperatura de suelo (°C)
26.76 – 26.99
26.34 – 26.99
25.50 – 26.99
25.08 – 26.98
24.66 – 26.99
Confort alcanzado (°C)
26.98 – 27.09
26.78 – 27.09
26.38 – 27.09
26.18 – 27.08
25.97 – 27.08
Operación anual (días)
130
157
169
171
173
Figura 12: Temperaturas calculadas a 5 m de profundidad en función de diversos valores de amplitud.
Novasinergia 2022, 5(1), 83-99 95
Generación fotovoltaica
Para un área total de techo de 1848.33 m2 se estima la utilización de 911 paneles
fotovoltaicos del modelo utilizado en (Chen, Chung-Camargo, & Mora, 2021) lo que resulta
en una potencia instalada de 409.7 kW
Tomando en cuenta el ahorro que representa el sistema geotérmico para el consumo
eléctrico total, se obtiene que anualmente los paneles solares pueden cubrir hasta 9.29% de
la demanda, como se muestra en la tabla 6.
Tabla 6: Porcentaje de la generación eléctrica mensual y anual cubierta por los paneles fotovoltaicos.
Mes
Potencia generada por
los paneles (kWh)
Consumo total
mensual (kWh)
Razón cubierta por los
paneles (%)
Enero
54472.77
686273.42
7.94
Febrero
50666.19
618383.27
8.19
Marzo
60219.21
685752.81
8.78
Abril
50335.33
667646.22
7.54
Mayo
46821.29
691161.23
6.77
Junio
48231.78
417679.15
11.55
Julio
48552.19
431863.60
11.24
Agosto
48694.98
431778.85
11.28
Septiembre
46493.92
417770.82
11.13
Octubre
48144.72
431879.03
11.15
Noviembre
42373.90
491854.16
8.62
Diciembre
50345.78
688272.40
7.31
Anual
595352.06
6660314.96
9.29
4. Discusión
4.1. Temperatura del suelo
Dentro de las curvas generadas a partir de la ecuación (2) se encuentra el parámetro
de amplitud térmica el cual como se mencionó es medido de forma experimental. Por lo
tanto, el enfoque de los resultados obtenidos al no contar con estos datos para la región de
estudio fue el de comprobar la sensibilidad del sistema a la amplitud térmica y mostrar el
grado necesario para que el sistema geotérmico sea viable de aplicar. De esta manera, los
gráficos mostrados en las figuras 9 y 10 reflejan los valores obtenidos de temperatura del
suelo a distintas profundidades, reflejando que a medida que aumenta la profundidad, los
valores de la temperatura se estabilizan. Esto comprueba lo postulado por Argot en su
primera ley: “La amplitud de las oscilaciones de temperatura del suelo disminuye
geométricamente cuando la profundidad aumenta aritméticamente”, por lo que a una
profundidad mayor que sobrepasa la llamada cota isotérmica del suelo, que es la
profundidad en la que no se registran variaciones de temperatura, el aumento de la
temperatura es bajo, promediado en estudios en 1°C por cada 33 m (Universidad Nacional
de La Plata, 2017).
Los gráficos obtenidos muestran que una profundidad de 5 m es aceptable para iterar las
variaciones del sistema geotérmico analizado en el caso 2, dado que lo que se busca son
valores de temperatura que permitan un intercambio favorable entre aire y suelo.
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4.2. Sistema geotérmico
Para amplitudes bajas se observa que el intercambio de calor es prácticamente nulo
por lo que el sistema es factible para amplitudes térmicas mayores de 2.5, dado que no solo
sería capaz de funcionar durante la mayor parte del segundo semestre como se muestra en
la figura 12 (del día 152 del año que corresponde al primero de junio hasta el día 325, que
corresponde al veintiuno de noviembre), sino que a medida que crece la amplitud las
variaciones de temperatura son mayores por lo que tendríamos mejores temperaturas de
confort en el recinto.
Adicionalmente, considerando los días que el sistema se encargaría de la refrigeración de la
edificación dentro de los gastos por enfriamiento actuales de la misma, estos datos
derivados de la simulación realizada en DesignBuilder como se muestra en la figura 7, la
implementación de geotermia inversa significaría un ahorro del 47.83% en gastos lo que a
su vez representa una disminución en el consumo energético.
Se pueden contrastar estos resultados con los publicados por (Belatrache et al., 2017), donde
se reporta una longitud total de tubería de 45 m la cual es una cifra 90% más pequeña que
la obtenida en el caso 1. Para comprender esta diferencia se analizan primeramente las
temperaturas del aire, dado que el estudio de comparación se realizó en un medio árido
donde hay meses que registran altas temperaturas de hasta 46 °C y a su vez temperaturas
muy bajas de hasta 3.8 °C, lo que indica fluctuaciones continuas que diferencian las
temperaturas aire – suelo en hasta 20.7 °C en el mes más eficiente, lo que por consiguiente
acorta el largo necesario de tubería.
Otro parámetro para considerar es el punto de diseño seleccionado, el informe reporta
temperaturas interiores de 33 °C, lo cual no sería conveniente en el caso de Panamá dado
que ya no se registrarían temperaturas de confort; al mantener temperaturas interiores más
altas se requiere menor longitud de tubería, esto resultado de la alta diferencia de
temperaturas, donde la caída de temperatura es muy rápida y tiende a estabilizarse a
mayores longitudes, lo que sería poco ventajoso en el caso de comparación.
4.3. Generación fotovoltaica
El sistema geotérmico representa un ahorro considerable en refrigeración por lo que
facilita una cobertura más amplia del sistema fotovoltaico el cual aprovechando al máximo
el área del techo se puede obtener hasta un 11.55% en los meses que el gasto de refrigeración
es menor en cuanto el consumo energético y un ahorro mínimo en de 6.77% en el mes más
caliente o en el periodo que el gasto de refrigeración no es cubierto por el sistema geotérmico
(Tabla 7). Este ahorro pudiese incrementarse a futuro disponiendo de un área cercana a la
edificación para colocar más paneles fotovoltaicos que contribuyan al sistema. Además,
estos datos son comparables con otro estudio realizado en Ciudad de Panamá para las
mismas condiciones meteorológicas, en términos de kWh/m2/año donde (Chen et al., 2021)
presentan una generación de 214 kWh/m2/año para una residencia, lo que resulta menor a
lo que puede generar la instalación hospitalaria Dr. Carlos N. Brin (322.1 kWh/m2/año). Es
una diferencia aceptable entre ambos valores dada la comparación entre una residencia y
un hospital.
5. Conclusiones
En la evaluación del potencial del sistema geotérmico inverso, la temperatura del suelo es
un parámetro crítico que se debe conocer en detalle, considerando su valor a diferentes
profundidades y su variación a lo largo del año en la zona de estudio. Estos últimos detalles
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fueron una limitante en el estudio presentado; sin embargo, el análisis térmico permitió su
identificación e importancia. En este sentido, de lograr niveles adecuados en este parámetro
crucial, la energía geotérmica puede generar ahorros significativos para edificaciones, en
cuanto a la demanda de acondicionamiento de aire; aunque en este trabajo no se consideró,
los gráficos muestran oportunidades adicionales en el uso para calefacción y agua caliente
sanitaria en algunos meses del año. El análisis económico de implementar dicho sistema
tampoco fue abordado en este trabajo.
De igual manera, la generación fotovoltaica estimada, presentó un aporte considerable al
consumo eléctrico de la edificación, mostrando su potencial de implementación,
considerando que el uso de energía solar en el país ha crecido exponencialmente en los
últimos años, en busca de alcanzar las metas energéticas. Vemos que su aplicación en
hospitales contribuiría a la reducción de costos en energía; rubro que tiene una tendencia al
alza, por lo que todo ahorro puede considerarse importante. Es de suma importancia la
actualización de datos referentes a las entidades gubernamentales, como auditorías
energéticas y de inmuebles, puesto que para este trabajo se realizaron estimaciones
idealizadas respecto al consumo eléctrico y el número de equipos con los que cuenta el
hospital al no conocerse estadísticas oficiales de dichas cifras. Finalmente, siendo que en
Panamá no existen datos concluyentes sobre el potencial geotérmico, los resultados de esta
investigación deben corroborarse con evaluaciones en campo. Por eso este trabajo espera
sentar bases para futuras investigaciones que expandirían la matriz energética del país, de
considerar este sistema viable.
Contribución de los autores
En concordancia con la taxonomía establecida internacionalmente para la asignación
de créditos a autores de artículos científicos (https://casrai.org/credit/ ). Los autores declaran
sus contribuciones en la siguiente matriz:
Him, M.
Humphries, A.
Fuentes, P.
Chen, A.
Conceptualización
Análisis formal
Investigación
Metodología
Recursos
Validación
Redacción-revisión y edición
Conflicto de Interés
Los autores declaran que no existen conflictos de interés de naturaleza alguna con la
presente investigación.
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Agradecimientos
A los arquitectos de la sección DINISA de la Caja de Seguro Social, por su diligencia
para facilitar los planos oficiales de la instalación analizada. Los autores agradecen a la
Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Panamá por su
colaboración. Esta investigación fue financiada por la Institución Panameña secretaria
nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación (SENACYT) https://www.senacyt.gob.pa/,
bajo el proyecto con código FID18-056 y del Sistema Nacional de Investigación (SNI).
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