Con edificios cada vez más complejos y versátiles, los diseños de nuestros campos de sondeos también se alejan de la tradicional configuración rectangular. En este artículo analizamos la importancia de utilizar las coordenadas reales de los pozos de sondeo cuando se trata de configuraciones irregulares, así como la importancia de la profundidad enterrada.
El ejercicio
Cada vez más, las configuraciones de los campos de perforación son irregulares, con algunas perforaciones situadas en otros lados del proyecto o incluso debajo del edificio. Sin embargo, la mayoría de los proyectistas siguen utilizando la disposición rectangular tradicional para determinar el número total de perforaciones, lo que a menudo da lugar a sistemas sobredimensionados.
En este ejercicio, exploramos la diferencia de temperatura entre una configuración rectangular con 90 perforaciones y la configuración irregular real con el mismo número de perforaciones. Además, discutiremos la importancia de la profundidad enterrada y revisaremos la distinción entre longitud y profundidad de perforación.
El caso utilizado para ilustrar estos aspectos es un edificio multiusos compuesto por comercios, viviendas y oficinas.
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 activa)
- Periodo de simulación: 50 años
- Primer mes de la simulación: Enero
Parámetros de entrada de tierra
- Conductividad térmica del suelo: 1,6 W/(mK)
- Capacidad calorífica volumétrica: 2,4 MJ/(m³K)
- Temperatura de la superficie: 10°C
- Flujo de calor geotérmico: 0,8 W/m².
Parámetros de entrada de la resistencia de la perforación
Los parámetros de la tubería son:
- Tubo simple 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 39 mm
- Lechada: 1,8 W/(mK)
El fluido es 25 v/v% MPG con un caudal de 40 l/s para todo el campo de perforación.
Parámetros de entrada de la carga térmica
Al tratarse de un edificio multiusuario con diferentes usuarios y perfiles de carga, se han realizado algunos preprocesamientos de los datos. Por lo tanto, en lugar de trabajar con la carga del edificio, ahora se trabaja directamente con la carga del suelo (es decir, la inyección y extracción de calor), y ya no son necesarios los valores SEER y SCOP.
- Demanda máxima de extracción: 475 kW
- Pico de demanda de inyección: 400 kW
- Demanda anual de extracción: 477 MWh
- Demanda anual de inyección: 380 MWh
- Duración máxima de la extracción: 20 horas
- Duración máxima de la inyección: 8 horas
Configuración de Borefield
El proyecto que nos ocupa tiene 90 perforaciones dispuestas en una cuadrícula irregular, como se muestra en la figura siguiente. Estas coordenadas se midieron durante la construcción del proyecto, pero también pueden exportarse, por ejemplo, de un archivo de AutoCAD (como se explica en el apartado este artículo).
Nota
Si quieres seguir el ejercicio y hacerlo tú mismo, puedes descargarte las coordenadas aquí.
Evidentemente, la configuración mostrada anteriormente no puede utilizarse para el diseño en una fase temprana de viabilidad. Por lo tanto, partimos de la hipótesis de una configuración rectangular de 5 por 18 perforaciones, con una separación entre perforaciones de 5,5 m.
La estructura vertical del sondeo se ilustra en la figura siguiente. Como se muestra, los sondeos se instalan bajo el edificio, cuya planta baja se encuentra a 5 m sobre el nivel del mar (s.n.m.). Durante la construcción, se realiza un pozo de excavación inicial a 0 m s.n.m., donde tiene lugar la perforación. Los sondeos se perforan hasta una profundidad de 140 m y se instalan sondas con un contrapeso de 1,5 m de longitud.
Tras la perforación y la instalación de las tuberías, el pozo de excavación se profundiza hasta -3 m s.n.m., donde se construirá el suelo del sótano. Medio metro más abajo se instalarán las conexiones horizontales de las perforaciones.
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 el perfil de temperatura utilizando la rejilla rectangular (donde se introduce el campo de sondeo relativo a la superficie del suelo o a la profundidad enterrada).
- Calcule el perfil de temperatura con una profundidad enterrada de 0,7 m.
- Calcular el perfil de temperatura utilizando las coordenadas reales del campo de sondeo.
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
El primer reto consiste en determinar la longitud de perforación, la profundidad de perforación y la profundidad enterrada en nuestro proyecto específico. La profundidad enterrada se define como el nivel de las conexiones horizontales de las tuberías con respecto a la superficie del suelo. La longitud de perforación activa es la diferencia entre el punto más bajo de la perforación y la profundidad enterrada. Por otro lado, la profundidad de perforación es la diferencia entre el punto más bajo de la perforación y la superficie del suelo.
Nota
Si no ha leído nuestro artículo sobre este tema, puede encontrarlo aquí.
En nuestro caso, los pozos se construyen a una cota de 0 m s.n.m. Tras la perforación, las tuberías se conectan 3,5 m más abajo, ya que el pozo se excava 3 m más y las tuberías se instalan 0,5 m más abajo. Aunque se podría pensar que la profundidad enterrada es de 3,5 m, es importante recordar que este valor debe definirse en relación con la superficie del suelo, que está a 5 m s.n.m. La profundidad total enterrada es, por tanto, de 8,5 m.
A continuación, si queremos definir la perforación en relación con la superficie del suelo, necesitamos la profundidad de perforación. Aunque la profundidad de perforación es de 140 m, ésta no es la profundidad real de la perforación, ya que debe medirse en relación con la superficie del suelo, que es 5 m más alta. Por tanto, la profundidad real de la perforación es de 145 m.
Nota
Para completar la información, el campo de sondeo también puede definirse en relación con la profundidad enterrada. En este caso, se requiere la longitud de la perforación. Este parámetro no es igual a 140 m, ya que se excavarán 3,5 m de la perforación. Por lo tanto, la longitud real de la perforación es de 136,5 m, que es exactamente igual a la profundidad de la perforación menos la profundidad enterrada.
Arriba se muestra el perfil de temperatura de este diseño inicial. Al cabo de 50 años, la temperatura desciende a -2,7 °C, por debajo del umbral mínimo permitido de -2 °C para este proyecto.
Pregunta 2
Una pregunta que puede surgir es qué efecto tiene la profundidad enterrada en este resultado, ya que otras herramientas de software, como Earth Energy Designer (EED), no requieren este parámetro (como hemos comentado anteriormente en este artículo). Por lo tanto, en esta variación de diseño, fijamos la profundidad enterrada en 0,7 m, lo que podría representar, por ejemplo, una situación en la que el campo de sondeo se instala directamente bajo la superficie del suelo en lugar de debajo de un edificio. A continuación se muestra el perfil de temperatura resultante.
Aunque apenas se aprecia en el gráfico de temperaturas anterior, la temperatura media mínima del fluido es ahora ligeramente superior (-2,35 °C en lugar de -2,7 °C). Esto se debe a que, al estar más cerca de la superficie del suelo, hay una mayor regeneración de la temperatura del aire ambiental hacia el suelo, lo que provoca una menor deriva de la temperatura.
Por otro lado, el punto más profundo del campo de sondeo (es decir, la profundidad de perforación) está ahora también más cerca de la superficie, por lo que la temperatura media del suelo es de 13,45 °C en este caso, frente a los 13,84 °C anteriores. El hecho de que la temperatura del suelo sea más baja mientras que la del fluido es más alta (lo que podría parecer inesperado) pone de relieve la importancia de tener en cuenta la profundidad enterrada en los diseños reales.
Pregunta 3
Como última variación del diseño, simularemos la configuración real irregular del campo de sondeo. Esto se puede hacer fácilmente importando las coordenadas como mostramos en este tutorial. Así se obtiene el perfil de temperatura que se muestra a continuación.
Nota
Cuando se trabaja con configuraciones personalizadas o irregulares en GHEtool, se utiliza su información exacta para el diseño. A diferencia de otras herramientas de diseño, GHEtool no convierte la configuración irregular en un diseño rectangular tradicional que sólo se parece a su diseño, sino que diseña directamente con la configuración real de su proyecto.
Ahora vemos que la temperatura media mínima del fluido es de -1,69 °C, por encima del umbral de temperatura de -2 °C y significativamente superior a los -2,7 °C obtenidos con la configuración rectangular tradicional. Al utilizar la configuración real de los pozos, el campo de sondeo está correctamente dimensionado (y quizá incluso ligeramente sobredimensionado), mientras que el diseño inicial habría estado infradimensionado.
Conclusión
En este ejercicio se examinó un yacimiento con una configuración de perforación irregular. Se comprobó que, en comparación con un campo rectangular tradicional, la configuración irregular real daba lugar a una temperatura media del fluido 1 °C superior, lo que podía suponer un ahorro significativo en el coste de la inversión. Además, se demostró la influencia de la profundidad enterrada.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.