Cuando se diseñan campos de sondeo colectivos para edificios de apartamentos, el proceso es más complicado que simplemente multiplicar el diseño para un solo apartamento por el número de unidades. En este ejercicio explicaremos cómo abordar el diseño de los campos de sondeo colectivos y el papel que desempeña el factor de simultaneidad.
El ejercicio
En nuestro último ejercicio, vimos cómo se podía diseñar un campo de sondeo para un solo edificio. Cuando se trata de sistemas colectivos, uno puede tener la tentación de diseñar para un apartamento y luego multiplicarlo por el número total de unidades para obtener un diseño final. Sin embargo, este planteamiento plantea algunos problemas:
- Las diferentes perforaciones interfieren entre sí, lo que provoca un comportamiento diferente a largo plazo (lea nuestro artículo sobre el problema de la interferencia térmica aquí).
- En los sistemas colectivos, la potencia pico resultante en el campo de perforación no es la misma que la suma de todas las demandas pico, debido a algo llamado simultaneidad (sobre lo que puede leer más aquí).
Por estas razones, el diseño de perforaciones colectivas merece un ejercicio propio, en el que podamos sumergirnos en los entresijos del proceso.
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: 0°C
- Umbral máximo de temperatura media del fluido 17°C (refrigeración pasiva)
- Periodo de simulación: 25 años
- Primer mes de la simulación: Enero
Parámetros de entrada de tierra
- 2 W/(mK) de 50 - 200 m
- Capacidad calorífica volumétrica: 2,4 MJ/(m³K)
- Temperatura de la superficie: 9,6°C
- Flujo de calor geotérmico: 0,07 W/m².
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: 1,5 W/(mK)
El fluido es de 25 v/v% MPG con un caudal de 0,21 kg/s por cada apartamento.
Parámetros de entrada de carga térmica (por apartamento)
- Demanda máxima de calefacción: 3,4 kW
- Demanda máxima de refrigeración: 2 kW
- Demanda anual de calefacción: 5,1 MWh
- Demanda anual de refrigeración: 1,4 MWh
- Demanda anual de agua caliente sanitaria 1,6 MWh
- SCOP: 5 (calefacción)
- SCOP: 3 (DHW)
- SEER: 20 (refrigeración pasiva)
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.
- Calcule la profundidad de perforación necesaria para el caso de un único apartamento.
- Calcular el perfil de temperatura para esta profundidad de sondeo cuando se coloca en una cuadrícula de 20 por 4 (para obtener 80 sondeos en total).
- Corrige la profundidad de perforación de estos 80 sondeos para que se mantengan dentro de los límites de temperatura.
- Calcular el perfil de temperatura teniendo en cuenta la simultaneidad.
- Calcular el perfil de temperatura teniendo en cuenta la simultaneidad y el cambio en la duración del pico.
- Calcular el perfil de temperatura utilizando el método de escalado ascendente para sistemas colectivos.
- Calcule la profundidad final necesaria para 80 perforaciones utilizando el perfil de carga de la pregunta anterior.
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
Cuando se calcula la profundidad necesaria para un solo apartamento, se obtiene una profundidad de perforación de 96 m. Como se muestra en el perfil de temperatura siguiente, esta profundidad viene determinada por el pico máximo de refrigeración (2 kW) y no por la carga máxima de calefacción, ya que la temperatura media mínima del fluido, de 1,45 °C, está muy por encima del umbral de 0 °C. Por tanto, el ligero desequilibrio de unos 3,68 MWh en la extracción no es un factor de diseño determinante en este caso.
Pregunta 2
Para el diseño de los 80 apartamentos, una primera estimación consiste en crear una cuadrícula de 20 por 4 perforaciones, cada una con la misma profundidad de 96 m encontrada anteriormente, y luego simular el perfil de temperatura. El resultado se muestra en el gráfico siguiente, donde la demanda térmica se toma simplemente como 80 veces la de un solo apartamento.
Como puede verse, el desequilibrio (ahora 80 veces mayor) es claramente visible en este caso. La razón es que, con un campo de sondeos completo en lugar de un único sondeo, los sondeos interactúan entre sí, lo que provoca un efecto de temperatura a largo plazo más pronunciado. Es evidente que hay que aumentar la profundidad de perforación para cumplir los requisitos.
Pregunta 3
Cuando se aumenta la profundidad de perforación a 150 m, las temperaturas medias de los fluidos se mantienen dentro de los límites. También es evidente que el diseño viene ahora determinado por la demanda de calefacción más que por la de refrigeración, debido al papel más pronunciado del desequilibrio en el diseño.
El diseño anterior, que da como resultado una longitud total de perforación de 11.920 m, es un planteamiento muy conservador. Supone que el 100% de la demanda máxima de calefacción (272 kW en total, es decir, 80 × 3,4 kW) se concentra en el campo de perforación, y lo mismo ocurre con la refrigeración. Este supuesto se cuestiona en la simulación de seguimiento.
Pregunta 4
La simultaneidad es el concepto según el cual distintos usuarios conectados al mismo sistema colectivo no experimentan su demanda máxima al mismo tiempo. Para 80 usuarios de un sistema colectivo, la interferencia total ronda el 63% (según la investigación de Winter et al., 2001). Esto significa que, del pico total de demanda de calefacción de 272 kW (y lo mismo para refrigeración), sólo se espera que 172 kW sean la potencia máxima requerida del sistema geotérmico. Más información sobre el factor de simultaneidad en nuestro artículo sobre este tema.
Si se tiene en cuenta la simultaneidad, el mismo diseño de campo de sondeo con una profundidad de 150 m da ahora una temperatura media mínima del fluido de 1,74 °C, como se muestra a continuación. Esto significa que el campo de sondeo estaría muy sobredimensionado, ya que se nos permite bajar hasta 0 °C. Sin embargo, esta solución puede ser demasiado optimista.
Pregunta 5
En lo que respecta a la simultaneidad, no sólo es importante la potencia pico resultante, sino también la duración del pico. Como ya se ha comentado, este segundo aspecto de la simultaneidad no se ha investigado tanto como la reducción de la potencia pico colectiva. El coste de una menor potencia pico resultante es una mayor duración del pico.
Anteriormente propusimos la hipótesis de que la duración máxima de un sistema colectivo es proporcional a la raíz cuadrada del número de usuarios conectados. En nuestro caso, esto significaría que la duración máxima del sistema colectivo es unas nueve veces mayor que la de un apartamento individual, lo que da una duración máxima de 72 horas en lugar de 8. Esto da como resultado el perfil de temperatura que se muestra a continuación.
Atención
Tenga en cuenta que esta heurística no está respaldada por la literatura. Se trata de una primera estimación basada en el Teorema Central del Límite en estadística. El planteamiento de la siguiente pregunta ofrece una forma más sólida de abordar la duración máxima.
En el perfil de temperatura anterior, la temperatura media mínima del fluido es de 1,39 °C, que ya es inferior a la de la simulación anterior, pero sigue indicando cierto sobredimensionamiento. Sin embargo, trabajar con el escalado heurístico de la duración del pico es algo arbitrario. Por este motivo, en la próxima simulación utilizaremos el método más novedoso de GHEtool para generar un perfil horario para sistemas colectivos.
Cuestión 6
En una de nuestras últimas actualizaciones, se ha hecho posible generar perfiles de carga por hora en GHEtool Cloud (más información en este artículo). Los perfiles horarios tienen la ventaja de que no es necesario especificar una duración máxima, ya que en esta resolución temporal la duración máxima está implícita en el perfil de carga.
Utilizando este método para simular el campo de perforación colectivo, obtenemos el perfil de temperatura que se muestra a continuación, con una temperatura media mínima del fluido de 0,82 °C.
La temperatura media mínima del fluido cuando se utiliza este método difiere de la de la Pregunta 6. Esto puede explicarse examinando el perfil de carga horaria generado en GHEtool, que se muestra a continuación.
Como puede verse, la potencia máxima se limita a 172 kW (debido a la simultaneidad del 63%), lo que da lugar a una mayor duración del pico. El pico en enero dura casi 10 días, es decir, unas 240 horas. Esto es mucho más largo que las 72 horas supuestas anteriormente y explica por qué las temperaturas del fluido son más bajas con este enfoque que con el escalado heurístico de la duración del pico.
Nota
Resulta difícil determinar qué resultado o metodología es la más precisa, pero la creación de un perfil de carga horaria para sistemas colectivos ofrece un flujo de trabajo claro y proporciona información sobre el perfil de carga previsto que no puede obtenerse cuando se trabaja con cargas mensuales y el escalado heurístico de determinados parámetros. Por este motivo, recomendamos utilizar esta metodología cuando se trabaje con sistemas colectivos.
Pregunta 7
Como ejercicio final, se calcula de nuevo la profundidad de perforación necesaria, esta vez utilizando el perfil de carga horaria del ejercicio anterior. El resultado muestra que la profundidad requerida es ligeramente inferior a 140 m, lo que supone un ahorro de unos 800 m en la longitud total de la perforación en comparación con el planteamiento conservador de la pregunta 3.
Conclusión
En este ejercicio, exploramos el diseño de un pozo de sondeo para un edificio de apartamentos con 80 unidades. Hemos aprendido que el diseño de sistemas colectivos basado únicamente en el diseño de una sola unidad conduce a una subestimación significativa de la longitud de perforación necesaria. Por otro lado, suponer una carga máxima resultante igual a la suma de todas las demandas da lugar a una sobreestimación.
Aplicando el concepto de simultaneidad y utilizando el nuevo método para generar perfiles de carga horaria en GHEtool Cloud, podrá diseñar con confianza sondeos colectivos más precisos, rentables y fiables.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.