Anteriormente, todas las temperaturas de los fluidos en GHEtool Cloud eran medias de las temperaturas de entrada y salida. En nuestra última actualización, hemos añadido la opción de trabajar también directamente con las temperaturas de entrada o de salida. ¡Descubre todo lo que hay que saber al respecto en este artículo!
Perfiles de temperatura en GHEtool
Siempre que se diseña un campo de perforaciones, es conveniente mantener las temperaturas del fluido dentro de ciertos límites, que pueden variar en función de la región, el proyecto, el tipo de anticongelante, etc. Históricamente, las temperaturas del fluido en los perfiles de temperatura (como, por ejemplo, el que se muestra a continuación) correspondían a las temperaturas medias de entrada y salida del campo de perforaciones. Esta definición también la utilizan otros programas de diseño geotérmico, como Earth Energy Designer.
La razón por la que la temperatura media del fluido es un parámetro tan habitual radica en su relación directa con el concepto de resistencia térmica efectiva del pozo (más información en este artículo). En resumen, la resistencia térmica efectiva del pozo se define como la resistencia a la transferencia de calor en estado estacionario entre la temperatura media de la pared del pozo (la media de toda la pared del pozo) y la temperatura media del fluido (la media de todo el fluido que se encuentra en el interior del pozo).
Durante la simulación, la temperatura de la pared del pozo se calcula en primer lugar utilizando las cargas mensuales (u horarias) de extracción e inyección y las funciones g (más información en este artículo). Una vez conocida la temperatura de la pared del pozo, se calcula la resistencia térmica efectiva del pozo utilizando las propiedades variables del fluido y del caudal. A partir de estos dos resultados, se puede calcular directamente la temperatura media del fluido basándose en la definición de la resistencia térmica del pozo.
Sin embargo, dado que también se conoce el caudal (ya sea constante o variable), la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del campo de perforación también se conoce, según la siguiente fórmula:
$$\dot{Q}=\dot{m}C_p\Delta T$$
donde $\dot{Q}$ es la potencia de extracción/inyección (kW), $\dot{m}$ es el caudal másico (kg/s) a través del campo de perforación, $C_p$ es la capacidad calorífica específica del fluido (kJ/(kg·K)), y $\Delta T$ es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del campo de perforación.
Dado que se conoce la temperatura media del fluido, junto con el caudal másico, la potencia y la capacidad calorífica específica (para cada mes y cada hora), también se pueden calcular las temperaturas de entrada y salida. Esto nos permite trabajar con cualquiera de las tres temperaturas del fluido en GHEtool, cada una de las cuales nos ofrece una perspectiva diferente.
Nota
El cálculo de la temperatura del fluido en GHEtool se basa actualmente en el modelo tradicional de estado estacionario de la resistencia térmica efectiva del pozo. Sin embargo, como se ha comentado anteriormente, este modelo presenta algunas limitaciones relacionadas con el comportamiento transitorio a corto plazo del sistema. En la actualidad, se están llevando a cabo investigaciones en colaboración con universidades para estudiar cómo se podría mejorar este aspecto en una futura actualización.
Tres temperaturas del fluido
Por el momento, en GHEtool se pueden simular tres temperaturas del fluido: la temperatura media del fluido, la temperatura del fluido a la entrada y la temperatura del fluido a la salida. A continuación se describen brevemente las tres.
Nota
Si bien la temperatura media del fluido también puede calcularse utilizando una resistencia térmica efectiva del pozo constante y medida, esto no es posible en el caso de las temperaturas del fluido de entrada y de salida, ya que estas se calculan a partir del caudal.
Temperatura media del fluido
La temperatura media del fluido es la más sencilla de utilizar, debido a su relación directa con la temperatura de la pared del pozo. La ventaja es que elimina parte del efecto del caudal (aunque este se tiene en cuenta a través de la resistencia térmica del pozo), lo que significa que, tanto si el régimen de flujo es de 3 °C/0 °C como de 5 °C/−2 °C, la temperatura media del fluido es siempre de 0 °C. Sin embargo, esto implica que, si se desea controlar las temperaturas absolutas mínima y máxima del fluido, la temperatura media del fluido no resulta adecuada directamente.
Temperatura del fluido de entrada
La temperatura del fluido de entrada es la temperatura que tiene el fluido al entrar en el campo de perforación y podría describirse como la temperatura del fluido en el peor de los casos, ya que siempre es la más fría durante la extracción y la más cálida durante la inyección. Esto se debe a que el fluido entrar en el campo de perforación es también el fluido salir de la bomba de calor. Cuando la bomba de calor calienta el edificio, extrae energía del circuito primario, lo que significa que el fluido a la salida de la bomba de calor es el más frío de todo el circuito (y viceversa en el caso de la refrigeración o la inyección).
Si deseas establecer límites estrictos para las temperaturas de tu campo de perforación, los límites impuestos a la temperatura del fluido de entrada garantizarán que hayas cubierto prácticamente todas las temperaturas posibles, asegurando así que no se incumpla dicho límite.
Temperatura del fluido de salida
La temperatura del fluido a la salida, por último, es la temperatura que presenta el fluido al salir del campo de perforación y constituye la temperatura óptima del fluido. Durante la extracción, se inyecta un fluido frío en el campo de perforación y este se calienta al entrar en contacto con el suelo, lo que da lugar a una temperatura más alta en la salida del campo de perforación. Del mismo modo, durante la inyección, se inyecta un fluido caliente en el campo de perforación, donde se enfría, lo que da lugar a una temperatura más baja del fluido en la salida.
Esta temperatura del fluido de salida puede resultar útil a la hora de seleccionar la bomba de calor adecuada, ya que la potencia que puede suministrar la bomba de calor depende de la temperatura a la que entra en su evaporador (o condensador, en el caso de la refrigeración activa). Si tu máquina tiene una potencia nominal a una temperatura de entrada de la bomba de calor de 0 °C y eso es lo único que te importa, puedes realizar el diseño utilizando la temperatura del fluido de salida.
Ejemplo en GHEtool Cloud
A partir de ahora, en la pestaña ‘General’ de la configuración de la simulación, podrás seleccionar cuál de las tres temperaturas del fluido deseas utilizar para el diseño. Si seleccionas Entrada, todas las temperaturas de los fluidos correspondientes se redefinirán como temperaturas de entrada de los fluidos.
Nota
Cuando se trabaja con refrigeración activa y pasiva, el umbral de temperatura sigue definiéndose en función de la temperatura media del fluido.
En el perfil de temperatura que se muestra a continuación, se lleva a cabo una simulación con cuatro pozos de 100 m y un caudal variable, con una diferencia de temperatura constante de 3 °C entre la entrada y la salida del pozo. Se puede observar que, con una temperatura media mínima del fluido de 0,46 °C, el fluido se mantiene holgadamente dentro de los límites. Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, esto no significa que la temperatura mínima absoluta del fluido no supere el umbral de 0 °C. Por lo tanto, se lleva a cabo una simulación utilizando la temperatura del fluido en la entrada.
Cuando se lleva a cabo la misma simulación utilizando las temperaturas del fluido de entrada, la temperatura del fluido desciende ahora hasta los −1,04 °C. Como se ha mencionado anteriormente, las temperaturas de entrada son siempre las más bajas del sistema, por lo que, aunque la temperatura media del fluido sea positiva, la temperatura de entrada puede seguir siendo negativa. Si desea que la temperatura mínima absoluta (y, a la inversa, la máxima) se mantenga dentro de ciertos límites, utilice las temperaturas del fluido de entrada.
Por último, a continuación se muestran las temperaturas del fluido de salida. Solo bajan hasta 1,96 °C, por lo que son las temperaturas más optimistas.
Por supuesto, la elección de diferentes temperaturas del fluido también puede dar lugar a un diseño diferente. Si el campo de perforaciones anterior se dimensionara en función de cada una de estas tres temperaturas, las longitudes de los pozos necesarias serían de 381 m, 434 m y 338 m, respectivamente. Esto indica que un diseño basado en la temperatura del fluido de entrada da lugar al campo de perforaciones más extenso, mientras que uno basado en la temperatura del fluido de salida da lugar al más reducido, lo cual concuerda con lo expuesto anteriormente.
Conclusión
En este artículo se analizan las tres temperaturas diferentes del fluido (media, de entrada y de salida). La temperatura media del fluido se utiliza habitualmente en el diseño de campos de perforación, ya que está directamente relacionada con la temperatura de la pared del pozo a través de la resistencia térmica efectiva del pozo. Sin embargo, esto no garantiza que las temperaturas absolutas mínima y máxima del fluido se encuentren dentro de los límites establecidos. Para garantizarlo, deben utilizarse las temperaturas del fluido a la entrada. Las temperaturas del fluido a la salida pueden utilizarse para garantizar que la bomba de calor pueda suministrar su potencia nominal.
Esto también se ilustró con un ejemplo en GHEtool, donde un diseño basado en la temperatura del fluido de entrada dio lugar al mayor tamaño de campo de orificios necesario, lo que garantizaba que todas las temperaturas del fluido se mantuvieran dentro de los límites establecidos.
Referencias
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