La comprensión es crucial para un diseño preciso del yacimiento. Los campos de perforación son intrínsecamente complejos debido a los numerosos parámetros de diseño e incertidumbres. En este artículo presentamos el concepto de cuadrantes de perforación, un marco que puede ayudarle a analizar el diseño de su perforación y a comprender mejor nuestros próximos artículos sobre física de perforaciones.
Terminología
Antes de adentrarnos en la física de los campos de sondeo y los conocimientos que proporciona, debemos introducir algunos términos clave.
Cuando hablamos de energía geotérmica, a menudo utilizamos términos como calefacción y refrigeración junto a inyección y extracción. Es importante entender que estos términos se refieren a aspectos diferentes del sistema.
- Calefacción y refrigeración se refieren a la carga del edificio (también llamada carga secundaria), es decir, la energía intercambiada con el propio edificio.
- Extracción y inyección se refieren a la carga de tierra (también llamada carga primaria), es decir, la energía intercambiada con el suelo.
Aunque estos conceptos están relacionados (por ejemplo, calentar un edificio implica extraer calor del suelo), no son idénticos, ya que una bomba de calor se sitúa entre ellos. La carga de calefacción del edificio siempre será mayor que el calor extraído del campo de sondeo. Esta carga de extracción es crucial para el diseño final del campo de sondeo.
Nota
En GHEtool Cloud, puede introducir su carga como carga del edificio o como carga geotérmica. Si utiliza la carga del edificio, también tendrá que proporcionar sus valores SCOP y SEER.
Otro concepto clave es el desequilibrio y la regeneración.
- Desequilibrio se define como el calentamiento o enfriamiento neto del suelo a lo largo de un año, lo que representa la diferencia entre la inyección y la extracción de calor (¡no el calentamiento y el enfriamiento!). Es negativo cuando el suelo se enfría continuamente año tras año debido a que la extracción supera a la inyección.
- Regeneración aborda activamente este desequilibrio inyectando o extrayendo calor adicional en/del suelo para restablecer el equilibrio. Para ello pueden utilizarse colectores solares térmicos, refrigeradores secos y otras tecnologías.
Nota
En lugar de gestionar directamente el desequilibrio y la regeneración, también puede implantar un sistema híbrido. Encontrará más información sobre las ventajas de los sistemas híbridos en este artículo.
Gráficos de diferentes temperaturas
Antes de introducir el concepto de cuadrantes de campos de sondeo, examinemos varios perfiles de temperatura diferentes. (Si aún no ha leído el artículo sobre cómo interpretar los perfiles de temperatura, puede encontrarlo aquí.)
El perfil de temperatura que se muestra a continuación ilustra un campo de sondeo con un desequilibrio negativo (ya que se enfría año tras año) pero sin alcanzar el límite mínimo de temperatura. En cambio, alcanza la temperatura media máxima permitida del fluido en el primer año del periodo de simulación, lo que significa que el campo de sondeo debería diseñarse en función de este punto. Este perfil podría corresponder a un auditorio en el clima templado de Bélgica, donde la demanda anual de calefacción es mayor que la de refrigeración, pero el pico de refrigeración del edificio supera a su pico de calefacción.
El siguiente gráfico de temperaturas muestra el desequilibrio opuesto, en el que el suelo se calienta año tras año y acaba alcanzando la temperatura media máxima permitida del fluido. Esto significa que el campo de sondeo debe diseñarse para acomodar el pico de refrigeración del edificio en el último año del periodo de simulación. Este perfil podría representar un edificio de oficinas con importantes ganancias internas o incluso un centro de datos, donde la demanda anual de refrigeración supera a la de calefacción.
El tercer gráfico de temperatura también muestra un desequilibrio negativo, pero a diferencia del primer ejemplo, alcanza el límite de temperatura en el último año del periodo de simulación. Esto es típico de los edificios en climas más fríos, donde la demanda de calefacción y los picos de calefacción son más pronunciados.
El perfil final muestra un desequilibrio positivo (dominado por la inyección), en el que el sistema está limitado por la temperatura media mínima permitida del fluido en el primer año de funcionamiento.
Cuadrantes Borefield
Los cuatro perfiles pueden considerarse arquetipos de los cuatro cuadrantes diferentes del campo de sondeo. Cada perfil de temperatura puede clasificarse en uno de estos cuatro cuadrantes: limitado por la temperatura media máxima o mínima del fluido, y en el primer o el último año del periodo de simulación.
Visión a priori
La principal ventaja de clasificar los campos de sondeo en diferentes cuadrantes es que permite razonar sobre determinadas cuestiones geotérmicas sin necesidad de realizar más cálculos. A continuación, respondemos a tres preguntas habituales teniendo en cuenta únicamente los cuadrantes de campos de sondeo.
¿Cuándo es relevante el desequilibrio/regeneración para el coste de la inversión?
A menudo se dice que la regeneración reduce los costes de inversión en perforaciones, pero no siempre es así. Si un campo de perforación se encuentra en los cuadrantes 1 ó 3, en los que la limitación de diseño se produce en el primer año de funcionamiento, el desequilibrio no plantea ningún problema. En cambio, en los cuadrantes 2 y 4, la reducción del desequilibrio mediante la regeneración conduce a un campo de sondeos más pequeño, ya que el sistema se diseña en función del último año de la simulación, cuando el desequilibrio acumulado tiene el mayor impacto.
¿Cuándo es ventajoso perforar a mayor profundidad?
Para los edificios con una demanda de calefacción elevada, perforar a mayor profundidad puede ser beneficioso porque la temperatura del suelo aumenta con la profundidad. Esto significa que los campos de perforación de los cuadrantes 3 y 4 pueden beneficiarse de perforaciones más profundas, mientras que los cuadrantes 1 y 2 no, ya que están diseñados principalmente para la inyección de calor y no para la extracción de calor.
Nota
El software de diseño de campos de sondeo suele suponer que la temperatura del suelo aumenta linealmente con la profundidad. Sin embargo, en zonas densamente edificadas, las capas superiores del suelo pueden estar ya más calientes debido al efecto de isla de calor urbano. En tales casos, la perforación a mayor profundidad podría, dependiendo de la profundidad, dar lugar a un campo de sondeo más frío en lugar de más cálido.
¿Cuándo es ventajosa la refrigeración activa?
La refrigeración activa puede ser una forma muy eficaz de optimizar los costes de inversión, pero sólo para campos de perforación diseñados para soportar elevadas demandas de inyección de calor. Con la refrigeración activa, la limitación de temperatura pasa de los 16-17 °C habituales (en la refrigeración pasiva) a 25 °C o más, lo que permite reducir el tamaño de la perforación y, por tanto, los costes de inversión. Esto es beneficioso en los cuadrantes 1 y 2, pero no en los cuadrantes 3 y 4.
Nota
Técnicamente, los campos de sondeo del cuadrante 4 podrían beneficiarse ligeramente de la refrigeración activa, ya que el menor SEER (en comparación con la refrigeración pasiva) reduce el desequilibrio. Sin embargo, este efecto es mucho menor que el observado en los cuadrantes 1 y 2.
Conclusión
En este artículo se aclara la distinción entre la terminología de carga de construcción y la terminología de carga del terreno. A continuación, hemos introducido el concepto de cuadrantes de campo de sondeo, demostrando cómo este marco permite razonar sobre el diseño de sistemas geotérmicos sin necesidad de realizar cálculos complejos.
Estos conocimientos básicos se ampliarán en futuros artículos, en los que se profundizará en la física de los campos de sondeo y se le capacitará para diseñar campos de sondeo con confianza.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.
- Encontrará más información sobre los cuadrantes de campos de sondeo en (Peere et al., 2021).