En este ejercicio, investigaremos cómo se puede diseñar un campo de sondeo para un edificio unifamiliar. El objetivo es aprender la diferencia entre diseñar para la demanda de calefacción o de refrigeración y ver la diferencia en la longitud de perforación necesaria cuando se trabaja con refrigeración activa o pasiva. Además, haremos hincapié en la diferencia entre diseñar para una bomba de calor modulante o para una bomba de calor de encendido/apagado y en la importancia del caudal.
El ejercicio
El caso de este ejercicio se basa en un edificio unifamiliar real situado en la ciudad de Amberes (Bélgica). Para diseñar un campo de sondeo adecuado para este edificio, tendrá que recurrir a los conocimientos adquiridos en una serie de artículos anteriores (a los que haremos referencia cuando sea necesario). A lo largo de este ejercicio, explorará las distintas cuestiones que se plantean al diseñar un campo de sondeo para un proyecto de menor envergadura. Normalmente, los campos de perforación geotérmicos se diseñaban para satisfacer la demanda de calefacción del edificio, mientras que la refrigeración se consideraba ‘un extra’. Sin embargo, hoy en día, con la creciente demanda de confort en verano, esto es cada vez más importante. En este ejercicio, te familiarizarás con estas cuestiones de diseño para un edificio unifamiliar.
Sugerencia
Para sacar el máximo partido de este ejercicio, le recomendamos encarecidamente que responda a las preguntas de diseño que se plantean a continuación antes de leer la solución. El diseño de campos de sondeo no es nada sencillo, y la mejor manera de dominar sus complejidades es a través de la experiencia práctica.
Parámetros de entrada
Parámetros generales de entrada
- Umbral mínimo de temperatura media del fluido: 2°C
- Umbral máximo de temperatura media del fluido: 17°C (refrigeración pasiva) | 25°C (refrigeración activa)
Nota
Estas temperaturas se seleccionan para garantizar que la refrigeración pueda funcionar en modo pasivo o libre (de ahí el límite superior de 17°C). El límite inferior de 2 °C se fija para evitar temperaturas negativas dentro de la perforación. Una temperatura media del fluido de 2 °C suele corresponder a una temperatura de suministro de 0 °C y una temperatura de retorno de 4 °C, suponiendo una diferencia de temperatura ($\Delta T$) de 4 °C.
- Periodo de simulación: 40 años
- Primer mes de la simulación: Enero
Parámetros de entrada de tierra
- 1,9 W/(mK) de 50 - 200 m
- Capacidad calorífica volumétrica: 2,4 MJ/(m³K)
- Ubicación: ‘Bel-Antwerpen’
Parámetros de entrada del campo de sondeo
Todos los sondeos de este ejercicio se encuentran en una línea, con una separación igual en longitud y anchura de 6 m. La profundidad enterrada es de 1 m y la configuración inicial, de partida, es de 1 x 3 sondeos con una profundidad de sondeo de 90 m.
Parámetros de entrada de la resistencia de la perforación
Los parámetros de la tubería son:
- Tubo doble DN32 PN16 (es decir, un espesor de pared de 3 mm y un diámetro exterior de 32 mm)
- Diámetro de la perforación: 140 mm
- Distancia del tubo al centro de la perforación 35 mm
- Lechada: 1,8 W/(mK)
El fluido es 25 v/v% MPG con un caudal de 0,7 l/s para todo el campo de perforación.
Nota
En un próximo artículo explicaremos con detalle cómo calcular el caudal que circula por el sistema. Una forma es consultar la documentación técnica de su bomba de calor y comprobar cuál es el caudal nominal.
Parámetros de entrada de la carga térmica
- Demanda máxima de calefacción del edificio: 9,2 kW
- Bomba de calor modulante de 12 kW
- Demanda anual de calefacción: 12 MWh
- Demanda de refrigeración del edificio: 8,7 kW
- Demanda anual de refrigeración: 6,1 MWh
- Demanda anual de agua caliente sanitaria 2,1 MWh
- SCOP: 4,87 (calefacción)
- SCOP: 3,13 (DHW)
- SEER: 20 (refrigeración pasiva)
- SEER: 6 (refrigeración activa)
Preguntas Design
Para este ejercicio, se le invita a responder a las siguientes preguntas de diseño mientras realiza un seguimiento de la longitud total de perforación para cada paso. Esto le ayudará a evaluar las implicaciones en términos de costes y rendimiento de los distintos cambios de diseño.
Sugerencia
Para mantener el trabajo bien organizado, se recomienda utilizar un escenario distinto para cada pregunta de diseño.
- Teniendo en cuenta el diseño original del campo de sondeos, de 1 × 3 sondeos a 90 m, ¿se puede satisfacer la demanda de calefacción y refrigeración?
- ¿Cuál es la longitud total de perforación necesaria si diseñamos el campo de perforación de forma que la demanda de refrigeración pueda satisfacerse con refrigeración pasiva?
- ¿Cómo podemos reducir la longitud total de la perforación?
- ¿Cómo cambia el diseño si, en lugar de refrigeración pasiva, se utiliza refrigeración geotérmica activa?
- Si utilizamos una bomba de calor de encendido/apagado en lugar de una modulante, ¿cambiaría eso nuestro diseño?
Solución
A continuación encontrará las respuestas a las preguntas de diseño esbozadas anteriormente. Es importante subrayar que no hay una única respuesta correcta. El valor de este ejercicio reside en comprender el razonamiento que subyace a cada decisión, más que en estar estrictamente de acuerdo con cada supuesto.
Cada proyecto geotérmico es único, y las decisiones que tome -en cuanto a parámetros, configuraciones y umbrales- dependen en gran medida de las limitaciones específicas del proyecto, las prioridades de diseño y las consideraciones prácticas. Utilice estas respuestas como guía, pero no dude en cuestionar los supuestos y explorar alternativas.
Pregunta 1
Con una longitud total de perforación de 267 m, este primer diseño es un diseño tradicional para campos de perforación geotérmicos poco profundos para un edificio residencial. Se basa en la demanda de calefacción y siempre se mantendrá por encima del umbral mínimo de 2 °C (el mínimo real parece ser de 2,22 °C).
Nota
Cabría esperar que 3 sondeos de 90 m dieran una longitud total de 270 m, en lugar de 267 m. Sin embargo, existe una diferencia entre la longitud y la profundidad del sondeo. Dado que hay una profundidad enterrada de 1 m, la longitud activa del sondeo es en realidad de 89 m en lugar de 90 m, lo que explica la diferencia.
Utilizando los parámetros de entrada que teníamos, vemos que la perforación tiene un régimen de flujo laminar tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento, por lo que la resistencia térmica efectiva de la perforación es más o menos igual (se puede encontrar más información al respecto aquí). Con este diseño, en realidad vemos que no somos capaces de proporcionar el confort estival requerido, ya que la temperatura media máxima del fluido de 20,42 °C supera significativamente nuestro límite de 17 °C para la refrigeración pasiva.
Nota
En la actualidad, cada vez más perforaciones se diseñan con una temperatura mínima de 0°C. Aunque este sistema puede funcionar adecuadamente, no tiene en cuenta las interferencias térmicas entre diferentes perforaciones. Además, con menos metros de perforación, la temperatura máxima durante el enfriamiento sería aún mayor (más información aquí). Por tanto, para un diseño más robusto, seguro y altamente eficiente, recomendamos diseñar con una temperatura mínima de 2 °C.
Pregunta 2
Para calcular el tamaño del campo de sondeo necesario para refrigerar nuestro edificio, podemos utilizar el objetivo ‘calcular la profundidad necesaria’ en GHEtool para los mismos 3 sondeos. Al hacerlo, nos encontraremos con un error de gradiente (encontrará más información al respecto en nuestro artículo aparte). Dado que 90 m no bastaban para satisfacer la demanda de refrigeración, es necesario realizar perforaciones más profundas. Sin embargo, como esto también aumenta la temperatura del suelo, puede ocurrir que no exista una solución viable con sólo 3 perforaciones.
Si utilizamos 4 perforaciones en lugar de 3, podemos calcular la profundidad de perforación necesaria, que es algo inferior a 150 m. Ahora, la temperatura del fluido se mantiene por debajo del límite máximo de 17 °C, pero necesitamos una longitud total de perforación de 590 m en lugar de los 267 m de antes.
Hay dos razones principales por las que la diferencia entre nuestro primer diseño y este diseño pasivo es tan significativa. En primer lugar, como ahora perforamos a mayor profundidad, la temperatura del suelo es aproximadamente 1 °C más alta, lo que dificulta la refrigeración pasiva (y requiere aún más longitud de perforación). En segundo lugar, como el caudal se divide ahora entre cuatro perforaciones en lugar de tres, la resistencia efectiva de la perforación ha aumentado de 0,1308 mK/W a 0,1630 mK/W, lo que dificulta el intercambio de energía entre la perforación y el suelo.
Atención
Si se trabaja con un caudal por perforación, pasar de tres a cuatro perforaciones implicaría un aumento 33% del caudal total que circula por el sistema. Sin embargo, esto no ocurre en la práctica, ya que el caudal viene determinado por la demanda del edificio. Por lo tanto, al cambiar el número de perforaciones (y en general), es mejor trabajar con un caudal para todo el campo de perforación. En un próximo artículo trataremos con más detalle el cálculo del caudal.
Pregunta 3
Una forma de intentar reducir la longitud total de la perforación es ajustar el caudal. Sin embargo, como el caudal total es fijo, la única opción es conectar las perforaciones de dos en dos en serie. En esta configuración, el caudal total se divide por dos en lugar de por cuatro, como ocurre cuando todos los pozos se conectan en paralelo (léase este artículo para más información).
Cuando hacemos esto, nuestro número de Reynolds es ahora 3016 durante el enfriamiento (es decir, la inyección), lo que nos da una resistencia térmica efectiva del pozo de sondeo significativamente mejor, de 0,0846 mK/W, reduciendo la profundidad del pozo de sondeo necesaria a algo menos de 90 m. Esto hace que la longitud total del pozo de sondeo sea de 354 m, que es más que en nuestro primer escenario, pero significativamente menos que en el anterior.
Pregunta 4
Otra forma de hacer frente a la elevada demanda de refrigeración es utilizar refrigeración activa. Si hacemos esto, nuestro diseño es muy similar al del primer escenario, debido a que ambos campos de sondeo están efectivamente diseñados para la demanda de calefacción (ya que no se alcanza el límite de temperatura de 25 °C).
Nota
Como ya hemos debatido en varias ocasiones (véase, por ejemplo este artículo), también es posible combinar refrigeración activa y pasiva. Sin embargo, en los proyectos residenciales no suele hacerse debido al mayor coste de la inversión.Nota
Pasar de la refrigeración activa a la pasiva no es sencillo, ya que puede requerir sistemas de emisión diferentes. Por ejemplo, no es aconsejable hacer circular agua a 12 °C por un sistema de refrigeración por suelo radiante. Consulte con su instalador las posibilidades de su sistema de emisión y parta de ahí.
Pregunta 5
Hasta ahora, hemos trabajado con una bomba de calor modulante de 12 kW, que tenía la ventaja de que podíamos diseñar para una demanda máxima de calefacción de 9,2 kW, que es lo que realmente necesita el edificio. Sin embargo, si se utiliza una bomba de calor on/off de 12 kW, la bomba de calor sólo puede suministrar 12 kW, por lo que el campo de sondeo geotérmico debe diseñarse para hacer frente a toda esa capacidad.
Si tomamos nuestro diseño original y fijamos la potencia máxima en 12 kW, vemos que la temperatura durante la calefacción desciende ahora a 0,29 °C, muy por debajo de nuestro umbral de 2 °C. Esto pone de manifiesto la importancia de saber qué tipo de bomba de calor se va a instalar y, si se trata de una bomba de calor modulante, asegurarse de que el instalador limita la potencia nominal para que se ajuste a la demanda real del edificio.
En general, es cierto que el sobredimensionamiento de la bomba de calor geotérmica dará lugar a un campo de perforación sobredimensionado y, por tanto, a un coste de inversión significativamente mayor.
Conclusión
En este ejercicio se analizaron las diferentes cuestiones de diseño que se plantean al diseñar un campo de sondeo para un edificio unifamiliar. Mientras que antes los campos de sondeo se dimensionaban únicamente para hacer frente a la demanda de calefacción, tener en cuenta la demanda de refrigeración, cada vez mayor, puede dar lugar a un aumento significativo de los metros de sondeo (y, por tanto, a un mayor coste de inversión). Sin embargo, cuando los clientes esperan un alto nivel de confort en verano, éste podría ser el enfoque preferido. Para presupuestos más bajos, una posible solución es optar por la refrigeración geotérmica activa, siempre que el sistema de emisión lo permita.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.