El cálculo de la profundidad de perforación necesaria es uno de los métodos más esenciales en el campo del diseño de perforaciones. En este artículo, le ofreceremos una visión general de los distintos métodos disponibles en la literatura y analizaremos sus ventajas e inconvenientes.
Calcular la profundidad de perforación necesaria
Conceptualmente, el cálculo de la profundidad de perforación necesaria es relativamente sencillo. El proceso comienza con una configuración de campo de sondeo seleccionada y una estimación inicial de la profundidad de sondeo. A continuación, se calcula el perfil de temperatura correspondiente.
- Si las temperaturas medias del fluido se mantienen dentro de los umbrales de temperatura definidos, se considera que el campo de sondeo está correctamente dimensionado.
- Si las temperaturas superan estos límites, se incrementa la profundidad de perforación y se reevalúa el perfil de temperatura.
Este proceso se repite hasta que el sistema converge a una profundidad de perforación en la que las temperaturas se mantienen sistemáticamente dentro de los límites especificados.
Atención
En algunos casos, ninguna profundidad satisfará los requisitos de temperatura, independientemente de la profundidad a la que se llegue. Cuando esto ocurre, se devuelve un error. Esta situación, junto con las posibles soluciones, se tratará en detalle en un artículo posterior.
Volver a los cuadrantes del campo de perforación
En un artículo anterior se introdujo el concepto de cuadrantes de campos de sondeo. (Si no ha leído este artículo, puede encontrarlo en aquí.) Se afirmó que cada campo de sondeo que se encuentre puede clasificarse en cuatro cuadrantes en función de dos parámetros: si está limitado por la temperatura mínima o máxima del fluido y si esa limitación se produce en el primer o en el último año del periodo de simulación.
Al dimensionar la profundidad de perforación necesaria, no se sabe a priori qué cuadrante dará lugar al diseño más crítico. Se podría argumentar que se debería dimensionar el campo de sondeo una vez para cada cuadrante y luego tomar la mayor profundidad de sondeo como diseño crítico, lo que daría cuatro dimensionamientos por campo de sondeo. Sin embargo, Peere et al. (2021) describen que se puede conseguir la misma precisión utilizando sólo dos dimensionamientos.
Imagínese que dimensiona el campo de sondeo en el cuadrante 1 y, a continuación, lo dimensiona para el último año en función de la temperatura media máxima del fluido. Esto dará lugar a un perfil de temperatura en el que el penúltimo año supera ligeramente el umbral debido al desequilibrio, al igual que los años precedentes hasta el primer año. Así pues, el dimensionamiento del primer año (para la temperatura media máxima del fluido) siempre dará como resultado una profundidad necesaria mayor que el dimensionamiento del último año para ese campo de sondeo y esa carga concretos.
Del mismo modo, un campo de sondeo de este tipo nunca estará limitado por el cuadrante 3, porque cuando se dimensiona para la temperatura media mínima del fluido en el primer año de la simulación, la temperatura en el segundo año será aún más baja debido al desequilibrio. Por lo tanto, en este caso, el cuadrante 4 siempre dará lugar a un campo de sondeo de mayor tamaño que el cuadrante 3.
Debido al desequilibrio, al calcular la profundidad requerida sólo es necesario comprobar los cuadrantes 1 y 4 (en el caso de un campo de sondeo con predominio de extracción) o los cuadrantes 2 y 3 (en el caso de un campo de sondeo con predominio de inyección). La profundidad de perforación resultante es igual al máximo de estos dos valores.
Nota
Al tomar el mayor tamaño de campo de sondeo de los dos cuadrantes pertinentes, es importante comprobar siempre si no se supera la temperatura media máxima del fluido. Si se supera este umbral de temperatura, significa que no existe una solución viable para la configuración y la carga dadas. Esta situación y la forma de abordarla se tratarán con más detalle en un próximo artículo.
5 niveles diferentes
En la bibliografía se puede encontrar una amplia variedad de métodos de dimensionamiento de campos de sondeo, cada uno con su propio nivel de precisión, velocidad y complejidad. En su tesis doctoral, Ahmadfard introdujo un marco que clasifica estos métodos en cinco niveles distintos, que van desde simples reglas empíricas hasta detalladas simulaciones horarias.
A continuación se describe con más detalle cada uno de estos cinco niveles, ofreciéndole una visión general de los métodos disponibles y de cuándo puede ser apropiado utilizarlos.
Nivel 0 - regla general
El nivel más básico de dimensionamiento de perforaciones se basa en relaciones lineales sencillas entre la potencia térmica máxima y la longitud total de la perforación. Suelen denominarse reglas empíricas y suelen expresarse en forma de x W/m.
Aunque son muy fáciles de utilizar, estos métodos no tienen en cuenta muchos aspectos importantes del diseño, como la configuración del campo de perforación, la profundidad del pozo, las propiedades térmicas del suelo, el desequilibrio térmico y la resistencia térmica del pozo. Tampoco tienen en cuenta los efectos térmicos estacionales y a largo plazo.
Como no se basan en ninguna física subyacente, estas reglas empíricas pueden dar lugar a inexactitudes muy elevadas. Sobredimensionar o infradimensionar por un factor de hasta dos no es infrecuente. Por eso, este método debe evitarse para el dimensionamiento real y utilizarse sólo para las primeras estimaciones aproximadas.
(Encontrará más información en nuestro artículo sobre software de diseño de perforaciones).
Nivel 1 - carga constante
El primer nivel supone una carga constante en el campo de sondeo durante todo el periodo de simulación. Esta carga constante corresponde al desequilibrio térmico anual, distribuido uniformemente a lo largo de las 8760 horas de un año. Con este planteamiento, la interacción térmica entre perforaciones, descrita por las funciones g (como se explica en nuestro artículo aquí). Esto hace que el método sea mucho más preciso que la regla empírica, ya que permite comparar diferentes propiedades del suelo, configuraciones y profundidades.
Al visualizarlo, el perfil de temperatura resultante se asemejaría a la figura siguiente, donde se hace visible la curva característica de la función g.
Aunque este método representa bastante bien los efectos a largo plazo de la perforación, no tiene en cuenta las variaciones mensuales, los picos de carga ni el comportamiento durante el primer año de funcionamiento. Estos elementos se introducen en los métodos de nivel 2 y posteriores.
Nivel 2 - método de tres impulsos
El método de los tres impulsos, también conocido como método de dimensionamiento ASHRAE, es el enfoque más tradicional para calcular la profundidad de perforación necesaria. Se basa en el método de nivel 1 añadiendo dos pulsos de calor adicionales: uno para contabilizar el pico de potencia y otro para la energía intercambiada con el suelo durante el mes en el que se produce este pico.
Estos tres impulsos -que representan el desequilibrio, la carga mensual y la potencia máxima- captan colectivamente los efectos térmicos a largo y corto plazo del campo de sondeo, lo que da como resultado una estimación relativamente precisa de la profundidad de sondeo necesaria. En la figura siguiente se muestra una representación gráfica de este enfoque.
En la figura se aprecian claramente los tres impulsos diferenciados. En primer lugar, hay una tendencia a largo plazo de la temperatura similar a la producida por el método de nivel 1, que representa el efecto del desequilibrio anual. A continuación, aparece un descenso repentino debido a la energía intercambiada durante el mes crítico (carga mensual), seguido de un descenso aún más brusco de la temperatura del fluido provocado por el pico de extracción.
Este método no tiene en cuenta las variaciones mensuales del perfil de carga, un nivel de detalle que se introduce en el método de dimensionamiento de nivel 3.
Nota
Este método está implementado en el back-end de GHEtool, pero no está disponible directamente en GHEtool Cloud. Se considera menos preciso que el método de dimensionamiento de nivel 3, aunque sólo ofrece una ligera mejora en la velocidad de cálculo. Sin embargo, para aplicaciones que requieren millones de cálculos de dimensionamiento -como estudios paramétricos o procesos de optimización- el método de tres pulsos puede resultar ventajoso.
Nivel 3 - resolución mensual
El cálculo de la profundidad de sondeo necesaria con una resolución mensual es el método más habitual cuando se utiliza GHEtool Cloud, sobre todo en los casos en que sólo se dispone de datos limitados. Este método incluye los mismos elementos que los niveles anteriores -como las potencias máximas, la interacción del terreno a largo plazo y las propiedades del terreno-, pero también incorpora las variaciones mensuales del perfil de carga.
El resultado es una mayor precisión, ya que tiene en cuenta el almacenamiento estacional de energía térmica, lo que significa que la variación estacional de las temperaturas de la pared del pozo se refleja ahora en el dimensionamiento. Un perfil de temperatura típico calculado con este método muestra claramente esta fluctuación estacional.
Un parámetro importante en el método de nivel 3 es la duración del pico de potencia. Dependiendo del tipo de edificio y de su sistema de emisión, esta duración suele oscilar entre 6 y 12 horas, aunque también son posibles duraciones mayores. Esta suposición, sin embargo, ya no es necesaria cuando se pasa a un dimensionamiento de nivel 4.
Nota
Este método está totalmente implementado en GHEtool Cloud, ofreciendo un buen equilibrio entre precisión y eficiencia computacional, lo que lo convierte en el método preferido para la mayoría de las aplicaciones prácticas.
Nivel 4 - resolución horaria
El método más avanzado para calcular la profundidad de sondeo necesaria es el método de nivel 4. A diferencia del método de nivel 3, que trabaja con una resolución mensual, el método de nivel 4 utiliza datos de entrada horarios. La principal ventaja de este método es que ya no es necesaria la hipótesis final -relativa a la duración de la potencia máxima-, ya que esta información se extrae directamente del propio perfil horario. Cuando se dispone de datos horarios, el método de nivel 4 es el más preciso para determinar la profundidad de sondeo necesaria.
Nota
Como ya se comentó en el artículo sobre los efectos a corto plazo (que puedes encontrar aquí), los modelos actuales aún no incluyen la inercia térmica del fluido y de la lechada. Como resultado, las temperaturas del fluido calculadas (mostradas en los perfiles de temperatura de ejemplo) tienden a sobreestimar los valores reales, especialmente durante los picos repentinos.Actualmente colaboramos con la Universidad Católica de Lovaina para desarrollar un modelo más preciso que tenga en cuenta esta dinámica a corto plazo. Una vez implementado, el método de nivel 4 será aún más preciso y robusto para el diseño avanzado de campos de perforación.
Conclusión
En el artículo anterior se describen los distintos métodos disponibles para calcular la profundidad de perforación necesaria. Estos métodos van desde simples reglas empíricas hasta detalladas simulaciones horarias. En GHEtool Cloud se aplican los dos métodos más precisos, el cálculo mensual (nivel 3) y el cálculo horario (nivel 4), que ofrecen a los usuarios precisión y flexibilidad en función de los datos de entrada disponibles.
En un próximo artículo, veremos un ejemplo práctico que muestra cómo utilizar estos métodos en su propio proyecto. También explicaremos cómo interpretar el error de gradiente, un parámetro importante que ayuda a evaluar la fiabilidad de los resultados de dimensionamiento de los campos de sondeo.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.
- Peere, W., Picard, D., Cupeiro Figueroa, I., Boydens, W., y Helsen, L. (2021). Validated combined first and last year borefield sizing methodology. En Actas de la Conferencia Internacional sobre Simulación de Edificios 2021. Brujas (Bélgica), 1-3 de septiembre de 2021. https://doi.org/10.26868/25222708.2021.30180
- Ahmadfard, M. (2018). A Comprehensive Review of Vertical Ground Heat Exchangers Sizing Models With Suggested Improvements. Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal. https://publications.polymtl.ca/3034/