En este capítulo analizaremos más detenidamente la importancia del diseño del campo de sondeo. En el capítulo anterior analizamos las ventajas de las bombas de calor geotérmicas y descubrimos que suelen tener un coste de inversión inicial más elevado. Por lo tanto, es importante que la fuente geotérmica, el campo de sondeo, se diseñe correctamente para que la instalación siga siendo interesante desde el punto de vista financiero.
Antes de entrar en las dos categorías principales de diseño de campos de perforación, veamos con más detalle cuál es el objetivo del diseño.
El objetivo del diseño de campos de perforación
¿A qué nos referimos cuando hablamos de diseño de campos de perforación? ¿Cuál es exactamente el objetivo de nuestro diseño? Para entenderlo, tendremos que fijarnos en los perfiles de temperatura, como el que puede ver a continuación.
En el gráfico siguiente, se pueden ver dos líneas: la temperatura media del fluido en el campo de sondeo y la temperatura de la pared del pozo (que está debajo y casi visible como una especie de sombra de la otra línea). Estas líneas ilustran el comportamiento del campo de sondeo a lo largo de los años (en este caso se observa una tendencia descendente, que se denomina desequilibrio) y de hora en hora. El concepto de diseño de campos de sondeo radica ahora en mantener estas temperaturas del fluido dentro de unos límites determinados. Si el fluido sobrepasa estos límites, el campo no está dimensionado con precisión y se requiere un campo de sondeo mayor. A continuación se analizarán estos límites de temperatura.
Temperatura mínima del fluido
Uno de los límites de la temperatura del fluido es la temperatura mínima del fluido. Por razones de sostenibilidad, no queremos que el suelo se congele con el tiempo, por lo que la mayoría de las regiones establecen directrices de diseño específicas sobre la temperatura mínima permitida. En la mayoría de los países, la temperatura media del fluido debe mantenerse por encima de 0 °C al cabo de 25 años, pero en la región de Bruselas (Bélgica) es el temperatura de entrada que debe permanecer por encima de 0°C al cabo de 25 años. En Suiza, el límite de diseño es una temperatura media del fluido de -1,5 °C al cabo de 50 años.
Además de las razones legales, también hay razones técnicas y de sostenibilidad. Para no dañar la vida en el subsuelo, queremos evitar congelarlo. Además, el hielo es un mal conductor del calor, por lo que cuando la perforación se congela, se forma una capa de hielo que aísla la perforación, lo que provoca una disminución de la eficiencia del sistema o incluso un fallo.
Dado que la lechada también es porosa, suele haber humedad y, cuando la perforación se congela, esta humedad se expande y puede provocar grietas en la lechada. Con el paso de los años (o múltiples ciclos de congelación), estas grietas pueden crecer, causando daños significativos a la estructura de la perforación y (potencialmente) al rendimiento térmico.
Temperatura máxima del fluido
Además del límite mínimo de temperatura del fluido, también existe un límite máximo. Además de los requisitos legales (normalmente por debajo de 25 °C de temperatura media o del fluido de inyección), también hay una razón técnica.
Si se requiere refrigeración pasiva, normalmente queremos mantenernos por debajo de los 16-18 °C como temperatura media del fluido, de modo que dispongamos de 17-19 °C al otro lado del intercambiador de calor para refrigerar nuestro edificio, que suele ser lo más alto a lo que se puede llegar para garantizar una capacidad de refrigeración suficiente.
Cuando se utiliza la refrigeración activa, este umbral de 17 °C deja de ser un requisito estricto, ya que la bomba de calor puede evacuar el calor en campos de sondeo más cálidos.
Dos categorías de diseño de campos de perforación
Ahora que el objetivo de nuestro diseño de campo de sondeo está claro -mantenernos dentro de unos límites predefinidos-, veamos dos enfoques diferentes sobre cómo calcular el tamaño de campo de sondeo necesario: la regla empírica o el uso de software de diseño de campos de sondeo.
Reglas generales
Como en cualquier otro campo de la climatización, hay muchas formas diferentes de diseñar un sistema. El campo de la geotermia no es diferente. En la bibliografía se mencionan cuatro niveles distintos de precisión en el dimensionamiento de los campos de perforación, que van desde las reglas empíricas lineales hasta las simulaciones horarias (este aspecto se tratará más adelante). Este último es, por supuesto, el más preciso, pero a menudo, en la práctica, se siguen utilizando reglas empíricas para dimensionar los yacimientos. Estas reglas vienen en forma de una potencia específica por longitud de perforación (como 30W/m perforación), y ofrecen al diseñador una forma rápida de dimensionar un sistema simplemente dividiendo la carga máxima requerida por este factor.
Sin embargo, ¿cuáles son los criterios importantes que han dado lugar a este valor constante? ¿Es para una perforación poco profunda o más profunda? ¿Está diseñado para trabajar con picos de calentamiento o también para picos de enfriamiento? ¿Supone un flujo laminar o turbulento? ¿Qué tipo de intercambiador de calor se ha utilizado? ¿Cuáles eran las propiedades del suelo, la configuración del campo de sondeo?
Basarse en reglas empíricas no aporta nada a su diseño, ya que hacen abstracción del perfil de temperatura comentado anteriormente. Por lo tanto, no está claro si el campo de sondeo está sobredimensionado o infradimensionado.
Software de diseño de campos de sondeo
A la hora de diseñar un campo de sondeo geotérmico, hay que tomar numerosas decisiones. No sólo hay que determinar la longitud total necesaria del pozo, sino también su configuración, profundidad e interior. Parámetros como el régimen del fluido (laminar o turbulento) son especialmente importantes para el diseño final. Con un software de diseño especializado como GHEtool Cloud, puede introducir todos estos parámetros específicos del proyecto y calcular el número de perforaciones necesarias para mantenerse dentro de los límites de temperatura. De este modo se garantiza que el campo de perforación se dimensiona correctamente y, por tanto, se optimiza económicamente. Las disparidades entre un resultado obtenido a partir de una regla empírica y otro obtenido con un software de diseño de campos de sondeo pueden ser considerables.
Comparación entre herramientas y reglas empíricas
Para ilustrar los resultados de diseño contrastados entre el dimensionamiento con reglas empíricas y GHEtool Cloud, se llevó a cabo un análisis exhaustivo. Se simularon dinámicamente tres edificios distintos (un auditorio, un edificio de oficinas y un edificio de viviendas plurifamiliar) con una resolución horaria para captar con precisión la variación de la demanda térmica. A continuación, estos perfiles horarios de demanda de calefacción y refrigeración se utilizaron como datos de entrada para GHEtool con el fin de dimensionar el campo de perforación en numerosos escenarios: flujo laminar o turbulento, conductividad térmica de la lechada variable, perforaciones profundas o poco profundas...
Cada simulación se representa como un punto rojo distinto en las figuras que se ofrecen a continuación, lo que muestra la gama de posibilidades de diseño y el impacto significativo de la utilización de GHEtool para un dimensionamiento preciso de los campos de perforación.
Todos los puntos rojos de la figura anterior representan campos de sondeo de tamaño exacto, con variaciones derivadas de las diferencias en los datos de diseño. Al comparar la gama de tamaños potenciales obtenidos mediante GHEtool con el valor único derivado de una regla empírica, queda claro que esta última ofrece una visión mínima de la precisión y solidez del diseño de los campos de perforación.
Pero, ¿quizá la regla empírica de 30 W/m era errónea? Pues bien, si invirtiéramos la regla empírica basándonos en las potencias máximas conocidas y en los diferentes tamaños de la cifra anterior, la extracción/inyección de calor específica oscilaría entre 30 y 230 W/m. Esta amplia gama es una consecuencia inherente de la flexibilidad de diseño de la que se dispone como diseñador de campos de sondeo, que simplemente no puede reducirse a una cifra única.
Conclusión
El objetivo del diseño de campos de sondeo es claro: queremos asegurarnos de que las temperaturas de nuestros fluidos se mantienen dentro de ciertos límites, ya sea por exigencias legales o por buenas prácticas. No es posible obtener esta certeza cuando se trabaja con reglas empíricas, ya que hacen abstracción del perfil de temperatura y correlacionan directamente el tamaño requerido con las potencias pico exigidas.
Como diseñador geotérmico, una herramienta como GHEtool le ofrece todo lo que necesita para dimensionar con precisión los campos de sondeo, teniendo en cuenta todos los aspectos importantes como el propiedades del suelo, La demanda térmica y el rendimiento de la bomba de calor. Estos aspectos se tratarán en los próximos capítulos.
Referencias
- SIA 384/6
- Selçuk E., Bertrand F. (2016). Freeze damage of grouting materials for borehole heat exchanger: Evaluaciones experimentales y analíticas. Geomechanics for Energy and the Environment, Volumen 5, Páginas 29-41, ISSN 2352-3808, https://doi.org/10.1016/j.gete.2015.12.002.
- Peere, W. (2024). ¿Son engañosas las reglas empíricas? La complejidad del dimensionamiento de yacimientos y la importancia del software Design. Revista AIE HPT 42(1), https://doi.org/10.23697/7nec-0g78.