El dimensionamiento preciso de los campos de perforación depende en gran medida de que se conozcan las propiedades correctas del terreno. Dado que los sistemas de energía geotérmica funcionan mediante el intercambio de energía con el suelo, la obtención de datos precisos del suelo es esencial para un sistema bien diseñado. En este artículo, exploramos los parámetros clave del terreno necesarios para los cálculos en GHEtool Cloud.
Propiedades del suelo
Hay muchas formas de clasificar geológicamente el suelo, como el tamaño del grano, la composición química o las características mineralógicas. Sin embargo, para el diseño de campos de perforación, sólo dos parámetros clave son necesarios:
- Conductividad térmica - la capacidad del suelo para conducir el calor
- Capacidad calorífica volumétrica - la capacidad del suelo para almacenar calor
Conductividad térmica
La conductividad térmica mide la eficacia con la que el suelo conduce el calor. Los campos de sondeo interactúan tanto con el terreno entre sondeos como con el terreno infinito circundante. Un campo de sondeo con mayor conductividad térmica permite un intercambio de calor más eficaz con su entorno.
Para los campos de sondeo con un desequilibrio elevado, una conductividad térmica alta es beneficiosa, ya que ayuda a disipar el exceso de calor en los alrededores, haciendo que el desequilibrio sea menos significativo. (Si aún no ha leído nuestro artículo sobre cuadrantes de campos de sondeo, puede consultarlo en aquí.)
Capacidad calorífica volumétrica
La capacidad calorífica volumétrica describe la capacidad del suelo para almacenar calor. Representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura del suelo en 1 °C y puede considerarse como la capacidad del campo de sondeo para funcionar como una batería de calor.
Si la demanda anual de extracción e inyección de un yacimiento es prácticamente la misma, conviene que tenga una gran capacidad calorífica volumétrica, para que pueda actuar como sistema de almacenamiento estacional de energía térmica (STES). En tales casos, una baja conductividad térmica también es beneficiosa, ya que minimiza la pérdida de calor al medio ambiente.
Ejemplo de datos
Las propiedades del suelo varían considerablemente en función de la ubicación del proyecto. A continuación se muestra un ejemplo de la literatura que muestra la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica para diferentes tipos de suelo y roca.
Algunas observaciones clave:
- El rango de conductividad térmica varía ampliamente incluso dentro del mismo tipo de suelo. Esto se debe a las diferencias geológicas dentro de cada categoría, que afectan a las propiedades del suelo.
- En los suelos granulares (por ejemplo, grava, arena, limo y arcilla), la saturación de agua influye significativamente en las propiedades térmicas. Los espacios entre las partículas del suelo pueden estar llenos de aire (un aislante) o de agua (que tiene una alta conductividad térmica y capacidad calorífica). Como resultado, los suelos saturados de agua tienen una conductividad térmica mucho mayor que los suelos secos.
Nota
Los datos sobre las propiedades del suelo dependen en gran medida de cada caso y de cada lugar. En muchos casos, puede resultar difícil obtener datos precisos, especialmente en lo que respecta al grado de saturación de agua. Para obtener la información más precisa, consulte a los institutos o autoridades geológicas locales. Además, las mediciones in situ mediante pruebas de respuesta térmica (TRT) pueden proporcionar datos fiables sobre las propiedades del suelo.
Temperatura del suelo
Otro parámetro crucial en el diseño de campos de sondeo es la temperatura del suelo. Normalmente se calcula suponiendo una temperatura superficial constante y un gradiente de temperatura geotérmica fijo a medida que aumenta la profundidad.
Nota
Este gradiente de temperatura es el resultado del flujo de calor geotérmico desde el núcleo de la Tierra hacia la corteza. Sin embargo, no está distribuido uniformemente por todo el planeta y algunas regiones tienen un gradiente geotérmico mayor o menor, lo que afecta a la temperatura del suelo resultante.
GHEtool utiliza esta distribución de la temperatura del suelo para calcular la temperatura media del suelo a lo largo del campo de sondeo, que luego se utiliza en los cálculos de temperatura.
Efecto isla de calor urbano
La suposición de un aumento constante y lineal de la temperatura con la profundidad no siempre es exacta, especialmente en zonas densamente pobladas o ciudades antiguas.
Como se muestra en la figura siguiente, cuando se construye una ciudad sobre el suelo, la temperatura media del terreno aumenta (segundo gráfico). Esto se debe al efecto isla de calor urbano, en el que el calor de los edificios, las carreteras y las aceras queda atrapado, calentando toda la ciudad. Con el tiempo, este aumento de temperatura penetra en el suelo, formando una ‘mancha’ de temperatura que puede extenderse hasta 100 m de profundidad.
Atención
Esta alteración de la temperatura es especialmente importante en edificios con una elevada demanda de refrigeración. Tradicionalmente, las percepciones de los cuadrantes del campo de perforación (leer el artículo aquí) sugieren que perforar a mayor profundidad no es beneficioso para la refrigeración, pero en algunas zonas urbanas, perforar a mayor profundidad puede ser realmente necesario para alcanzar temperaturas del suelo más bajas para una refrigeración eficaz.
Dado que la temperatura del suelo siempre conlleva cierta incertidumbre, se recomienda encarecidamente, especialmente en proyectos de gran envergadura, realizar una prueba de respuesta térmica (TRT) para medir la temperatura inicial del suelo sin alteraciones. (Esté atento a un próximo artículo sobre TRT).
Datos de tierra en GHEtool
GHEtool ofrece dos formas de introducir las propiedades del suelo:
- Introducción de datos por capas
- Hipótesis de suelo homogéneo
Dado que GHEtool asume internamente una capa de tierra promediada, ambos métodos pueden dar el mismo resultado.
Datos por capas
La forma más precisa e infalible de introducir los datos del terreno es utilizar la opción de capas de GHEtool Cloud. Aquí puede introducir las propiedades del terreno capa por capa, junto con el grosor de la capa. Con esta información, GHEtool puede calcular las propiedades térmicas correctas para cada diseño en función de la profundidad de perforación (enterrado).
Nota
Para utilizar datos de tierra por capas, necesita la licencia ‘Design’ de GHEtool Cloud. Más información en nuestra página página de precios.
Datos homogéneos
Si necesita realizar un cálculo rápido, la introducción de todas las capas del terreno puede llevarle bastante tiempo. Por lo tanto, es posible introducir los datos del terreno utilizando la hipótesis homogénea. En este caso, basta con introducir un valor para la conductividad térmica del terreno y la capacidad calorífica volumétrica, que se utilizará para todos los tamaños de campo de sondeo.
Atención
Los datos homogéneos introducidos serán siempre un promedio de varias capas de suelo para una profundidad determinada. Si utiliza un campo de sondeo con una profundidad de sondeo distinta de la utilizada para calcular estos parámetros medios, los resultados pueden ser inexactos. Por lo tanto, si cambia la profundidad del sondeo (o permite que se calcule utilizando la opción ‘calcular la profundidad de sondeo necesaria’), es esencial que vuelva a comprobar las propiedades del terreno.
Conclusión
En este artículo se analizan las propiedades del suelo como parámetro de entrada fundamental en el diseño geotérmico. Para alcanzar los resultados más exactos, es la mejor práctica obtener los datos más exactos posibles del suelo. Para proyectos de mayor envergadura, se recomienda encarecidamente realizar una prueba de respuesta térmica (TRT) para medir las propiedades del suelo directamente in situ. Esté atento a un próximo artículo sobre las TRT y cómo utilizarlas en el dimensionamiento de campos de perforación.
Referencias
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- Propiedades del suelo para Alemania: GeotIS.