En este artículo presentamos la nueva función de GHEtool Cloud: trabajar con caudales variables. Obtenga más información sobre este importante cambio, por qué es importante, las ventajas que ofrece y cómo puede cambiar potencialmente la forma de diseñar los campos de sondeo en el futuro.
Un pequeño resumen de física
Para comprender las ventajas de trabajar con un caudal variable, primero recapitularemos algunos de los contenidos anteriores de esta base de conocimientos, a saber, la resistencia térmica efectiva del pozo, el número de Reynolds y las propiedades variables del fluido.
Resistencia térmica efectiva de la perforación
La resistencia térmica efectiva de la perforación es uno de los parámetros más importantes en el diseño de perforaciones geotérmicas, ya que nos indica la facilidad con la que se puede transferir calor del fluido al suelo. Desde el punto de vista del diseño, siempre se desea que esta resistencia sea lo más pequeña posible para lograr el diseño más eficiente. Encontrará más información sobre esta resistencia en este artículo.
Esta resistencia es una combinación de múltiples criterios de diseño, como la lechada, el diámetro de la perforación y el tipo de intercambiador de calor utilizado, y se muestra en el siguiente dibujo.
Aunque todas estas resistencias desempeñan un papel importante en la resistencia de la perforación, hay que hacer una distinción importante. Tanto la resistencia de la tubería como la de la lechada son constantes y se determinan durante la fase de diseño, ya que son conductivas por naturaleza. Esto significa que una vez seleccionada una configuración de tubería y una conductividad térmica de la lechada determinadas, estas resistencias son constantes y ya no cambiarán a lo largo del periodo de simulación.
La situación es diferente para la resistencia de la tubería de fluido. Como esta resistencia es convectiva, depende de las propiedades del fluido a través del número de Reynolds.
Número de Reynolds
El número de Reynolds, que se trata con más detalle en este artículo es un número adimensional que proporciona información sobre el régimen de flujo del fluido, si es laminar, turbulento o se encuentra en alguna zona de transición. Se muestra a continuación.
Dependiendo del régimen de flujo, la resistencia convectiva y, por tanto, también la resistencia térmica efectiva de la perforación serán diferentes. Cuando el flujo es laminar, la transferencia de calor es más deficiente, aunque la caída de presión es menor, mientras que en el flujo turbulento la transferencia de calor es mucho mejor.
El número de Reynolds se define como sigue $$Re=\frac{\rho D \dot{V}}{\mu}$$ donde:
- $\rho$ es la densidad del fluido [kg/m³].
- $D$ es el diámetro del tubo [m].
- $\dot{V}$ es la velocidad del fluido en el interior de la tubería [m/s].
- $\mu$ la viscosidad dinámica del fluido [pa s].
Además del diámetro del tubo, todos los parámetros de la ecuación anterior varían a lo largo del periodo de simulación, lo que provoca que cambien el número de Reynolds, la transferencia de calor por convección y, en última instancia, la resistencia térmica efectiva de la perforación. Sin embargo, históricamente se suponía que este número de Reynolds y las resistencias correspondientes eran constantes.
Esto se debió probablemente al hecho de que los campos de sondeo geotérmicos se dimensionaron originalmente para su uso con bombas de calor geotérmicas para la calefacción de espacios en edificios, lo que significa que sólo se consideraron relevantes la resistencia del sondeo y el correspondiente número de Reynolds al final de la simulación.
Con GHEtool pretendemos aumentar la precisión del diseño de los campos de perforación, por lo que poco antes del verano de 2025 decidimos eliminar esta suposición en dos pasos:
- Implementar propiedades de fluido variables, implementado el 27/05/2025
- Aplicar caudales variables, publicado hoy
Propiedades variables de los fluidos
El primer paso hacia un diseño más preciso consistió en hacer variables las propiedades del fluido, a saber, la densidad y la viscosidad dinámica, en función de la temperatura del fluido. En el gráfico siguiente se muestra la dependencia del número de Reynolds para dos mezclas de monopropilenglicol a diferentes temperaturas.
Cuando se está extrayendo calor, las temperaturas suelen rondar entre 0 y 5 °C, mientras que en plena estación o durante la inyección de calor pueden ser entre 10 y 20 °C más altas. Esta diferencia de temperatura tiene un efecto significativo en el número de Reynolds de la simulación, la transferencia de calor por convección, la resistencia de la perforación y, en última instancia, el diseño.
En nuestro ejemplo anterior, mostramos que esta mejora por sí sola puede tener un impacto significativo en el diseño de campos de sondeo con una alta demanda de refrigeración e inyección de calor. Dado que el número de Reynolds se calcula ahora con mayor precisión también para la inyección de calor, las temperaturas máximas del fluido suelen ser más bajas, lo que permite diseñar campos de sondeo geotérmicos más viables. El ejemplo completo puede consultarse en nuestro artículo sobre este tema.
Caudales variables
Además de las propiedades del fluido dependientes de la temperatura, hay otro parámetro en el número de Reynolds que varía con el tiempo, a saber, la velocidad del fluido.
Históricamente, se ha supuesto que se utiliza un caudal constante a través del campo de sondeo, igual en todos los meses y tanto en calefacción como en refrigeración. Pero, ¿es esto exacto? Veamos, por ejemplo, el perfil de la demanda horaria de un edificio de oficinas.
En este perfil, se puede ver claramente que el pico de potencia de refrigeración es casi el doble que el pico de potencia de calefacción. ¿Es realmente el caudal el mismo en ambos casos? Imaginemos que calentamos este edificio con una bomba de calor modulante, como se explica en este artículo). Estas bombas de calor suelen tener también un caudal modulante, lo que significa que incluso en calefacción y refrigeración el caudal probablemente no será el mismo.
Si queremos mejorar la precisión de nuestras simulaciones, es importante eliminar la suposición de un caudal constante y, al mismo tiempo, garantizar que la simulación siga siendo tan rápida y fácil de usar como antes. Esto puede lograrse analizando una de las ecuaciones centrales de la transferencia de calor.
Una ecuación importante
Una de las fórmulas clave en la transferencia de calor es la siguiente: $$\dot{Q}=\dot{m}\cdot C_p \cdot \Delta T$$ donde:
- $\dot{Q}$ es la potencia inyectada o extraída del yacimiento [kW].
- $\dot{m}$ es el caudal másico a través de todo el campo de perforación [kg/s].
- $C_p$ es la capacidad calorífica específica del fluido [kJ/(kgK)].
- $\Delta T$ es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del campo de sondeo [°C].
En esta ecuación, $\dot{Q}$ es conocida, ya que la demanda de calentamiento y enfriamiento o de extracción e inyección es una entrada del software. Además, con la aplicación de las propiedades de los fluidos en función de la temperatura, $C_ptambién se conoce. Lo que queda son el caudal másico y la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida.
Si nos fijamos en la fórmula anterior, ambas son intercambiables. O bien se fija un caudal constante y la diferencia de temperatura aumenta o disminuye en función de la carga, o bien se fija la diferencia de temperatura como constante, lo que en la práctica da lugar a un caudal variable.
Debe quedar claro que históricamente se ha utilizado el primer enfoque, pero en realidad el segundo suele ser más preciso, ya que en la mayoría de los casos existe una estrategia de control que modula el caudal para alcanzar un determinado $\Delta T$.
Trabajar con una constante $\Delta T$
Si queremos trabajar con un caudal variable utilizando el enfoque $\Delta T$ constante, necesitamos cierta información:
- $\Delta T$ durante la inyección [°C].
- $\Delta T$ durante la extracción [°C].
- Porcentaje de caudal mínimo [%]
Dado que puede ocurrir que la diferencia de temperatura requerida a través del campo de sondeo sea diferente durante la extracción y la inyección, hemos decidido darle la opción de definirlas por separado. Además, se requiere un porcentaje mínimo de caudal, normalmente entre 10 y 30%. Esto es importante, ya que la bomba de circulación no suele funcionar a entre 1 y 2% de su caudal máximo.
Nota
Cuando no se especifica el caudal mínimo, pueden producirse algunos picos inesperados en la simulación cuando se trabaja con un perfil de carga horaria. Normalmente, debido a la forma en que se construyen estos perfiles, hay algunas horas con una demanda de calefacción o refrigeración extremadamente pequeña. En el ejemplo de la oficina anterior, la potencia pico es de 350 kW, pero también hay valores de 1 kW en la simulación. Esto daría lugar a un caudal extremadamente bajo con una resistencia de perforación irrealmente alta. Al definir un porcentaje mínimo de caudal, se evita este problema. Volveremos sobre este tema más adelante.
Ejemplo de trabajo con caudales variables
Para ilustrar la importancia de los caudales variables, volvamos al edificio de oficinas comentado anteriormente. Dimensionamos el campo de sondeo y, a continuación, calculamos la resistencia del sondeo y las temperaturas del fluido utilizando tanto un caudal constante como un caudal variable, asegurándonos de que los caudales máximos sean los mismos en ambos casos. En el gráfico siguiente se muestra la resistencia térmica del pozo durante el primer año.
Es evidente que las resistencias de perforación obtenidas utilizando un caudal variable y un caudal constante son completamente diferentes, aunque son idénticas en determinados momentos del verano. Esto se debe a que el caudal constante se fijó explícitamente para que coincidiera con el caudal máximo utilizado en el caso de caudal variable. La segunda observación es que la variación de la resistencia de la perforación para el caudal constante, causada únicamente por la variación de las propiedades del fluido, es menor que para un caudal variable con una diferencia de temperatura constante.
El campo de sondeo anterior se diseñó con una única sonda en U que, con el caudal máximo, permaneció en régimen turbulento durante todo el periodo de simulación. Esto explica por qué la variación de la resistencia de la perforación para el caudal constante es mínima. En cambio, cuando se utiliza un caudal variable, la potencia máxima durante el calentamiento y, por tanto, la extracción es casi dos veces inferior a la potencia durante el enfriamiento o la inyección. En consecuencia, el caudal también es significativamente menor, lo que provoca un flujo laminar y una mayor resistencia de la perforación, como también se ha comentado en este artículo.
En el gráfico siguiente se muestra la consecuencia de este comportamiento para las temperaturas del fluido en el pozo.
Al igual que ocurre con la resistencia de la perforación, es evidente que las temperaturas de los fluidos se alinean durante los picos de refrigeración en verano. Sin embargo, cuando observamos las estaciones intermedias o los periodos durante la calefacción, vemos que el caudal constante conduce a una sobreestimación de las temperaturas del fluido. En realidad, la resistencia de la perforación será mayor debido a un menor caudal y, por tanto, las temperaturas del fluido serán más bajas.
Ventajas
¿Cuáles son las ventajas de trabajar con una hipótesis de diferencia de temperatura constante en lugar de con un caudal constante?
- Es más preciso. Como se muestra en el ejemplo anterior, suponer un caudal constante sobreestima el caudal durante los periodos de menor demanda punta y, por tanto, es menos representativo de la realidad.
- Es más fácil. Antes, tenía que calcular usted mismo el caudal, utilizando reglas empíricas o la ecuación mencionada anteriormente. Ahora, GHEtool lo calcula por ti, eliminando un paso adicional.
- Proporciona más información. Con la opción de trabajar con diferencias de temperatura, puede realizar análisis de sensibilidad cambiando la $\Delta T$ durante la extracción y la inyección y evaluar cómo afecta esto al diseño desde una perspectiva tanto térmica como hidráulica.
Implementado en GHEtool
Este enfoque de diferencia de temperatura constante se implementa en la pestaña ‘Resistencia de perforación’ de GHEtool. Aquí hay disponible una sección adicional para el caudal, en la que puede seleccionar simplemente el enfoque de diferencia de temperatura constante en lugar de la opción tradicional de caudal constante. Así de sencillo.
Nota
En los ejemplos anteriores, se han utilizado perfiles de carga horarios, pero también puede aplicarse un caudal variable en simulaciones mensuales. Por lo tanto, está disponible para todos los usuarios de GHEtool Cloud!
En la pestaña de resultados, también hemos actualizado la sección de diseño hidráulico (leer más aquí), como puede verse a continuación.
Dado que ahora los caudales pueden variar significativamente, se han duplicado los resultados para que pueda diferenciar claramente entre el intervalo de extracción y el de inyección, que tienen caudales diferentes, caídas de presión distintas y potencias de bomba necesarias diferentes. Ajustando la diferencia de temperatura tanto en la extracción como en la inyección, estas dos situaciones cambiarán, lo que le permitirá identificar las condiciones óptimas para su campo de sondeo.
Otras medidas
Con la aplicación actual de caudales variables, la resistencia térmica efectiva de la perforación es ahora completamente variable en el tiempo, lo que proporciona los resultados más precisos dentro de este marco. Sin embargo, el propio modelo de resistencia de la perforación sigue conteniendo una serie de suposiciones, ya que se basa en condiciones de estado estacionario. Esto significa que no se tiene en cuenta la inercia térmica del fluido y de la lechada.
Por ejemplo, cuando se produce un determinado pico de potencia, el efecto es inmediatamente visible tanto en la temperatura del fluido como en la del suelo. En realidad, sin embargo, primero se calienta el fluido, lo que puede llevar cierto tiempo en función del volumen total. Después, la lechada responde, y sólo después de varias horas experimenta el suelo este impacto. En consecuencia, las temperaturas máximas en la realidad suelen ser inferiores a las previstas por una hipótesis de estado estacionario.
Nota
Esta es también la razón por la que las pruebas de respuesta térmica llevan tanto tiempo. Tienen que ir más allá de este comportamiento transitorio, como se explica aquí.
Por lo tanto, el siguiente paso para mejorar la precisión de GHEtool Cloud no es perfeccionar aún más el enfoque de la resistencia de la perforación, sino eliminarlo por completo. Continuará.
Conclusión
En este primer artículo de 2026, nos centramos en los caudales variables. Se demostró que la suposición de un caudal constante no solo es inexacta, sino que también puede dar una visión excesivamente optimista durante los periodos en los que el caudal difiere significativamente del caudal punta de diseño.
Trabajar con una diferencia de temperatura constante entre la entrada y la salida de la perforación es una forma más precisa de simular las temperaturas de los fluidos sin aumentar la complejidad de la simulación. De hecho, como ya no es necesario calcular manualmente el caudal, el método es más rápido.
Con ello hemos completado nuestro proceso de dos pasos para que el cálculo de la resistencia de perforación sea variable en el tiempo y más preciso. Sin embargo, éste no es el final de la historia, sino sólo el final del principio. Dentro de unos meses, presentaremos un nuevo plan que esbozará cómo llevar la precisión de GHEtool al siguiente nivel. Permanezca atento.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.