Ejercicio sobre sensibilidades en el diseño de campos de sondeo

En este ejercicio investigaremos el diseño de un campo de sondeo geotérmico para un edificio de oficinas. El objetivo es conocer los efectos del gradiente de temperatura geotérmica y comprender qué parámetros son especialmente importantes a la hora de diseñar un campo de sondeo para un edificio con una elevada demanda de refrigeración.

El ejercicio

El caso de este ejercicio se basa en un edificio de oficinas real situado en la ciudad de Gante (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 través de este ejercicio, explorará la influencia del gradiente de temperatura geotérmica en el diseño, comparará el impacto de utilizar MPG frente a agua, evaluará la elección entre configuraciones de tubo en U simple y doble, y obtendrá información general sobre el diseño de campos de sondeo para edificios con una elevada demanda de refrigeración.

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

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

Las condiciones geológicas del terreno en el emplazamiento del proyecto son las siguientes:

Nota
Fíjese en la gruesa capa de arcilla mal conductora de la litología. Esto jugará un papel importante en este ejercicio.

Para ahorrar tiempo, se calculan las conductividades térmicas medias del suelo:

• 1,6 W/(mK) a 150 m de profundidad de perforación
• 1,7 W/(mK) a 100 m de profundidad de perforación

Los otros parámetros de tierra son:

• Capacidad calorífica volumétrica: 2,4 MJ/(m³K)
• Localización: ‘Bel-Gent’

Parámetros de entrada del campo de sondeo

Todos los campos de sondeos de este ejercicio son rectangulares, 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 15 x 13 sondeos con una profundidad de sondeo de 150 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 40 mm
• Lechada: 1,5 W/(mK)

El fluido es 30 v/v% MPG con un caudal de 0,2 l/s por perforación.

Parámetros de entrada de la carga térmica

• Potencia calorífica: 306 kW
• Energía de calefacción anual: 398 MWh
• Potencia de refrigeración: 336 kW
• Energía de refrigeración anual: 269 MWh
• SCOP: 4,5
• 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.

1. Teniendo en cuenta el diseño original del campo de perforación de 15×13 perforaciones a 150 m, ¿es éste un buen diseño?
2. ¿Cuántos sondeos adicionales debemos perforar si reducimos la profundidad de perforación a 100 m? Intenta pensar en esto antes de empezar a simular.
3. ¿Qué ocurre si actualizamos la conductividad térmica del suelo al valor correcto? ¿Podemos cambiar el diseño?
4. ¿Qué ocurre con el perfil de temperatura si cambiamos el fluido por agua?
5. ¿Cómo podemos rediseñar nuestro campo de perforación para que sea más rentable?
6. ¿Qué ocurre con nuestro diseño si pasamos de un tubo en U doble a un tubo en U simple?

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 perfil de temperatura de la simulación original muestra una temperatura media máxima del fluido de 17,17°C, ligeramente superior al umbral de diseño de 17°C. A primera vista, esto podría sugerir que el campo de sondeo está infradimensionado. Pero, ¿es realmente así?

No necesariamente.

En el diseño de campos de sondeo, siempre hay suposiciones subyacentes, tanto en los datos de entrada (por ejemplo, estimaciones de carga, condiciones operativas) como en el propio modelo (por ejemplo, no tener en cuenta el flujo de aguas subterráneas, como ya se ha comentado). aquí). Estas simplificaciones pueden introducir pequeñas desviaciones respecto al comportamiento real del sistema.

Dada la escala del proyecto y el método utilizado para estimar la demanda de refrigeración, un resultado de 17,17 °C sigue siendo aceptable dentro del margen de incertidumbre previsto. Sin embargo, en proyectos con limitaciones térmicas más estrictas o requisitos normativos, incluso un rebasamiento de 0,17 °C podría ser crítico y debería abordarse.

La longitud total de sondeo necesaria para esta configuración (15 × 13 sondeos a 150 m de profundidad) asciende a unos 29000 m.

Pregunta 2

Si reducimos la profundidad máxima de perforación permitida a 100 m, reducimos la profundidad actual en 33%. Instintivamente, esperaríamos aumentar el número de perforaciones en los mismos 33% para acabar con la misma longitud total de perforación. Cuando realizamos la simulación, obtenemos un campo de sondeo de 17 × 13 con una longitud total de sondeo de 21879 m, que es significativamente inferior a la de la pregunta 1. Esto se debe a dos razones principales: el número de sondeos es mayor que en la pregunta 1 y la longitud total de los sondeos es menor. Esto se debe principalmente a dos razones:

• En primer lugar, como ahora perforamos a menos profundidad, la temperatura del suelo es más baja debido al gradiente térmico. Dado que este campo de perforación está limitado por la temperatura media máxima del fluido, una temperatura del suelo más baja significa que se necesitan menos perforaciones. (Si no ha leído nuestro artículo sobre las propiedades del terreno, puede encontrarlo aquí).

• En segundo lugar, como las perforaciones son ahora más cortas, la resistencia térmica efectiva de la perforación es también ligeramente mayor. Esto se debe al hecho de que hay menos cortocircuitos térmicos entre las patas de los tubos en U. (Encontrará más información sobre la resistencia de las perforaciones en nuestro artículo aquí).

Pregunta 3

Si recuerdas, hemos cambiado la profundidad de perforación, pero hemos mantenido constantes las propiedades del suelo (o quizá las hayas cambiado tú, ¡lo cual es aún mejor!). Como ahora perforamos menos en la capa de arcilla, la conductividad aumenta de 1,6 W/(mK) a 1,7 W/(mK). Esto reduce la temperatura a 16,66 °C, debido a una transferencia de calor ligeramente mejor en el suelo y a una temperatura del suelo inalterada aún más baja.

Nota
A primera vista, puede parecer extraño que la temperatura del suelo cambie cuando no modificamos la profundidad del sondeo. Esto se debe a que la temperatura del suelo no alterada se calcula en función del flujo de calor geotérmico (que permanece constante) y de la conductividad del suelo. En una capa poco conductora, la temperatura del suelo aumenta más rápidamente que en una bien conductora. Por lo tanto, si se aumenta la conductividad térmica media del suelo, disminuye el gradiente de temperatura, lo que se traduce en una temperatura del suelo no perturbada más baja.

Debido a esta mayor conductividad térmica del suelo, podemos reducir el tamaño del campo de sondeo a 16 × 13 sondeos y seguir manteniéndonos por debajo de nuestro umbral de 17 °C, lo que da como resultado una longitud total de sondeo de 20592 m.

Atención
Esta pregunta ilustra la importancia de no perder de vista las diferentes capas del suelo y el peligro potencial de suponer un suelo homogéneo.

Pregunta 4

Dado que las temperaturas de los fluidos son relativamente altas, no hay necesidad real de utilizar anticongelante (y mucho menos 30 v/v% MPG, que ofrece protección contra la congelación hasta -14 °C). Por tanto, fijamos el porcentaje en cero y elevamos el umbral mínimo de temperatura media del fluido a 5,5 °C. Como resultado, la temperatura media máxima del fluido desciende a 16,25 °C.

Nota
Esta temperatura depende de los requisitos específicos de la bomba de calor. Normalmente, se permite una temperatura de salida del condensador de 4 °C. Si a continuación se asume una $\Delta T$ de 3 °C a través del condensador, se obtiene una temperatura media del fluido de 5,5 °C.

El número de Reynolds, tanto para la extracción como para la inyección, se desplaza ahora de la región laminar al régimen transitorio e incluso turbulento. Esto reduce la resistencia térmica media de la perforación, lo que se traduce en una menor temperatura del suelo.

Pregunta 5

Gracias a esta transferencia de calor mejorada, el tamaño del campo de perforación puede reducirse aún más -por ejemplo, a 14×13 perforaciones-, lo que da como resultado una temperatura media máxima del fluido de 16,88 °C y una longitud total de perforación de 18018 m, que es significativamente inferior a los 29000 m con los que empezamos.

Cuestión 6

Como variación final, cambiamos la doble U DN32 por una única tubería DN32. Esto aumenta la resistencia térmica efectiva de la perforación, lo que se traduce en una temperatura media máxima del fluido más elevada. Para mantenernos dentro de los límites de temperatura, tenemos que aumentar de nuevo el número de perforaciones a 15×13, lo que nos da una longitud total final de perforación de 19305 m.

Nota
Puede resultar sorprendente que el paso de una U doble a una U simple aumente significativamente la longitud total de la perforación. Normalmente, cuando la U doble funciona en un régimen de flujo laminar, el cambio a una U simple da lugar a un flujo turbulento, lo que mejora la transferencia de calor y mantiene más o menos igual la longitud total de la perforación. Sin embargo, como en este caso la doble U ya funcionaba en régimen turbulento, el cambio a una sola U no hizo más que reducir el área de transferencia de calor, lo que se tradujo en una mayor resistencia térmica efectiva de la perforación.

Conclusión

Este ejercicio demostró las distintas estrategias de diseño disponibles a la hora de dimensionar un campo de perforación para un edificio con una elevada demanda de refrigeración. Tomando decisiones con conocimiento de causa, conseguimos reducir la longitud total de la perforación de 29055 m a 18018 m, gracias a la menor temperatura no alterada del suelo y a la mejora de la resistencia térmica de la perforación al utilizar agua en lugar de MPG. El cambio a una configuración en U simple no resultó beneficioso en este proyecto, ya que el fluido ya se encontraba en un régimen turbulento.

Referencias

• Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.