En casi todos los diseños geotérmicos, se encontrará con desequilibrios. A veces no es un problema grave, pero en otros casos supone un reto importante para mantener su campo de sondeo asequible y robusto a largo plazo. En este artículo, analizaremos cómo puede gestionar el desequilibrio al diseñar su próximo campo de perforación.
¿Qué es el desequilibrio?
El desequilibrio es el calentamiento o enfriamiento anual del suelo causado por una diferencia entre la energía extraída y la inyectada anualmente. En ese sentido, está totalmente determinado por la demanda energética de su edificio y es algo con lo que simplemente hay que aprender a lidiar. A continuación, puede ver un ejemplo de un campo de sondeo dominado por la extracción.
La demanda geotérmica anterior se traduce en el campo de perforación dominado por la extracción que se muestra a continuación. Como puede verse, la temperatura desciende año tras año porque se extrae más energía de la que se inyecta. Esto ejerce una presión considerable sobre el umbral mínimo al final del periodo de simulación, ya que se convierte en el punto crítico de diseño. Cuanto mayor sea el desequilibrio, más metros de perforación (y, por tanto, más inversión) serán necesarios para hacerle frente.
Nota
No todos los desequilibrios conllevan por definición más metros de perforación y, por tanto, mayores costes de inversión. Cuando existe un cierto desequilibrio pero su perforación ya está limitada en el primer año debido a una potencia punta elevada, pierde importancia. Encontrará más información en nuestro artículo en los cuadrantes del campo de perforación.
Además de tener un campo de sondeo dominado por la extracción, también puede darse el caso de que el campo de sondeo se caliente año tras año. Esto ocurre, por ejemplo, en edificios de oficinas con una elevada carga base de refrigeración (como las salas de servidores) o en climas más cálidos donde la calefacción es menos frecuente.
¿Evitar o afrontar?
Está claro que el desequilibrio puede plantear retos considerables para el diseño de su campo de perforación y, como ocurre con la mayoría de los retos de la vida, puede intentar evitarlo o aprender a afrontarlo.
Como ya se ha dicho, el desequilibrio viene determinado por la demanda del edificio, ya que se calcula directamente a partir de sus necesidades energéticas. Sin embargo, como arquitecto o diseñador de calefacción, ventilación y aire acondicionado, usted tiene una influencia significativa en esta demanda. Tenga en cuenta la orientación y el tamaño de las ventanas, el tipo de bomba de calor que seleccione o si opta por un sistema híbrido. Este enfoque para evitar desequilibrios se tratará en el artículo de la semana que viene.
También en la fase de diseño geotérmico de un proyecto, existen múltiples formas de cope con este desequilibrio. En la siguiente sección, analizaremos diferentes enfoques para optimizar su propio diseño geotérmico con el fin de minimizar el impacto (financiero) del desequilibrio.
Diseño Borefield
El diseño de los campos de perforación es casi como un juego con múltiples estrategias pero sin una única solución mejor. En la siguiente subsección, examinaremos distintos aspectos que pueden tenerse en cuenta a la hora de tratar el desequilibrio. Influir en el comportamiento a largo y corto plazo siempre tendrá un efecto beneficioso y se tratará en primer lugar. Aumentar el número de pozos o perforar pozos más profundos ayudará en ciertos casos y se tratará en último lugar.
A largo plazo
Como ya hemos comentado en nuestros artículos sobre la física de los campos de sondeo, hay dos escalas temporales importantes en el diseño de un campo de sondeo: a largo plazo (por orden de años) y el a corto plazo (por orden de horas).
El efecto a largo plazo describe cómo cambia el campo de perforación a lo largo de los años, y aquí es donde se hace visible el impacto directo del desequilibrio. Cuanta más energía se extraiga anualmente, más baja será la temperatura a largo plazo (y viceversa para los sistemas dominados por la inyección).
Como ya comentamos en nuestro artículo anterior, Este comportamiento a largo plazo se rige por las funciones g que describen las interacciones entre perforaciones, así como la interacción entre el campo de perforación y el terreno circundante. Cada vez que cambiamos la disposición del campo de sondeos, la función g se adapta en consecuencia. Para minimizar la influencia del desequilibrio en el sistema global, la configuración debe tener valores g pequeños.
Como puede verse en la figura anterior, hay varias formas de influir en las funciones g. Una opción, mostrada a la izquierda, es ajustar el espaciado. Cuanto más separadas estén las perforaciones, mejor podrán intercambiar energía con el suelo y menor será el impacto del desequilibrio. El mismo razonamiento se aplica al ejemplo de la derecha: si se cambia la configuración de los sondeos a una disposición más abierta (como una línea o una forma de L en lugar de un rectángulo), el campo de sondeos puede intercambiar energía con el suelo de forma más eficaz, reduciendo así la influencia del desequilibrio.
A corto plazo
Los efectos a corto plazo (como se este artículo)están relacionados con la resistencia térmica efectiva de la perforación. Este valor indica hasta qué punto el pozo puede intercambiar calor con el suelo, es decir, cuánta resistencia térmica existe entre el fluido y el suelo circundante.
A primera vista, esto puede no parecer directamente relacionado con el problema que nos ocupa, ya que la resistencia térmica efectiva de la perforación sólo tiene un efecto instantáneo (relacionado con la potencia pico) y no tanto un efecto a largo plazo. Entonces, ¿por qué es importante para nuestro debate sobre el desequilibrio? Para responder a esta pregunta, veamos los dos gráficos siguientes, que muestran la misma configuración del campo de sondeo (es decir, el mismo efecto a largo plazo).
La figura anterior muestra una elevada resistencia térmica efectiva de la perforación, como indica la gran diferencia de temperatura entre la temperatura máxima de calentamiento y la temperatura de la pared de la perforación. Existe un cierto desequilibrio, pero es relativamente pequeño. Si fuera mayor, se superaría la temperatura umbral mínima.
El gráfico anterior muestra el mismo campo de sondeo que antes (y, por tanto, el mismo comportamiento a largo plazo). Sin embargo, dado que la resistencia térmica efectiva de la perforación es ahora significativamente menor que en el ejemplo anterior, el sistema puede gestionar un desequilibrio mucho mayor manteniéndose por encima del umbral de temperatura de 2 °C en este caso. En otras palabras, cuando la resistencia de la perforación es baja, un desequilibrio mayor puede gestionarse con mayor eficacia porque es más fácil transferir energía entre el fluido y el suelo.
Perforaciones adicionales
Otra solución que se propone a menudo es perforar más pozos. El razonamiento es muy sencillo: con más perforaciones se puede intercambiar más energía con el suelo. Esto sigue la misma lógica que hemos expuesto antes en relación con la separación y la configuración de las perforaciones. Sin embargo, hay un matiz importante que tiene que ver con la resistencia de la perforación mencionada anteriormente.
Un parámetro clave en la resistencia térmica efectiva de la perforación es el régimen de flujo (laminar o turbulento), sobre el que puede leer más aquí. Cuando cambia el número de perforaciones del sistema, el caudal total (que suele estar determinado por la bomba de calor y la demanda del edificio) se divide entre un número diferente de perforaciones, lo que da lugar a un caudal menor por perforación. En el gráfico siguiente, esto se corresponde con un desplazamiento hacia números de Reynolds más bajos.
Cuando un campo de sondeos opera en la zona transitoria (entre Re = 2300 y Re = 4000), la reducción del caudal por sondeo puede tener un efecto significativo en la resistencia efectiva del sondeo y, por tanto, en la capacidad del campo de sondeos para hacer frente al desequilibrio (como se ha comentado en el apartado anterior).
Por lo tanto, al añadir más perforaciones, siempre es importante controlar esta resistencia de la perforación y, siempre que sea posible, aumentar el caudal o ajustar la configuración de la perforación (U simple frente a U doble, diámetro de la tubería, etc.) para mantener la resistencia lo más baja posible.
Nota
Cuando existe un desequilibrio muy importante, la única opción viable puede ser perforar sondeos adicionales, aunque ello suponga una mayor resistencia térmica efectiva del sondeo.
Perforaciones más profundas
Un último recurso de los diseñadores geotérmicos para hacer frente al desequilibrio es perforar pozos más profundos. Esto modifica ligeramente las funciones g y, por tanto, el efecto a largo plazo, ya que las perforaciones más profundas también proporcionan más superficie para el intercambio de calor con el suelo. Además, una perforación más profunda implica una mayor temperatura media del suelo. Esta temperatura más alta desplaza todas las líneas del gráfico de temperatura anterior, lo que facilita el desequilibrio.
Cabe señalar que esta solución sólo es eficaz para los yacimientos en los que predomina la extracción. Cuando un yacimiento experimenta problemas con la temperatura media máxima del fluido, perforar a mayor profundidad no suele ser una buena solución, ya que las temperaturas más altas del fluido crearán problemas adicionales.
Conclusión
El desequilibrio puede plantear considerables problemas de diseño a la hora de mantener la viabilidad económica del campo de sondeo. En este artículo analizamos varios enfoques para hacer frente al desequilibrio y, al mismo tiempo, mantener el campo de sondeos lo más rentable posible. El aumento de la separación entre perforaciones y la elección de una configuración abierta (como una línea o en forma de L), junto con la reducción de la resistencia térmica efectiva de la perforación, son siempre buenas estrategias para abordar el desequilibrio.
La perforación de sondeos adicionales también puede ser una buena opción, pero hay que prestar mucha atención a la resistencia de los sondeos, ya que el caudal por sondeo será normalmente menor cuando aumente el número de sondeos. Por último, la perforación a mayor profundidad es un enfoque interesante a considerar para los campos de sondeo con un perfil dominado por la extracción.
En el próximo artículo, daremos un paso atrás y exploraremos formas de evitar por completo el desequilibrio. Permanezca atento.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.