En los últimos capítulos hemos hablado de los efectos de la temperatura a corto y largo plazo y de lo que influye en ellos. En este capítulo, utilizaremos GHEtool Cloud para poner en práctica esta teoría y conocer los efectos del gradiente de temperatura en el suelo, el tipo de anticongelante, la configuración del campo de perforación, etc.
El ejercicio
El caso de este ejercicio se basa en un edificio de oficinas real situado en la ciudad de Gante (Bélgica). A lo largo de este ejercicio, explorará la influencia del gradiente de temperatura geotérmica en el diseño, comparará el impacto de utilizar MPG frente a agua como fluido caloportador, evaluará la elección entre configuraciones de tubo en U simple y doble, y obtendrá conocimientos generales sobre el diseño de campos de perforación para edificios con una elevada demanda de refrigeración.
Dado que ésta será la primera vez en este curso que realizaremos una simulación, sólo utilizaremos los supuestos tradicionales a la hora de diseñar los campos de sondeo. Esto significa que, por ahora, vamos a desactivar a propósito todos los modelos más avanzados y precisos de GHEtool. Más adelante volveremos a activarlos para ilustrar claramente sus ventajas.
Parámetros de entrada
A continuación se indican los distintos parámetros de entrada necesarios para realizar la simulación.
Parámetros generales de entrada
La simulación se hará con un umbral medio mínimo del fluido de 2°C (para tener un régimen de 0-4°C en todo el campo de sondeo y poder evitar la congelación local) y una temperatura media máxima del fluido de 17°C (para la refrigeración pasiva). La simulación comenzará en enero y el periodo de simulación será de 40 años.
Propiedades del suelo
Vamos a trabajar con una capa de suelo homogénea, sin embargo, como en la realidad hay diferentes capas en este lugar, trabajaremos con una conductividad térmica del suelo de 1,6 W/(mK) cuando nuestro sondeo esté a 150 m de profundidad y de 1,7 W/(mK) cuando esté a 100 m de profundidad. La capacidad calorífica volumétrica del suelo es de 2,4 MJ/(m³K) y para la temperatura se puede utilizar la entrada de la base de datos ‘BEL-Gent’.
Parámetros de Borefield
En este ejercicio trabajaremos con campos de sondeos rectangulares (aunque, si lo desea, puede realizar configuraciones alternativas) con una distancia entre perforaciones igual en sentido longitudinal y transversal de 6 m. La profundidad enterrada es de 0,7 m y la configuración inicial de partida será de 15 por 14 perforaciones de 150 m de profundidad de perforación.
Parámetros de resistencia de la perforación
Para nuestra simulación inicial, se instalará en la perforación un tubo doble DN32 en U, con un terreno de 1,5 W/(mK), una distancia del tubo al centro de la perforación de 35 mm y un diámetro de perforación de 140 mm. El fluido caloportador es 25 v/v% de MPG y el caudal total, constante, que atraviesa el campo de sondeo es de 35 l/s.
Demanda térmica
Para la demanda térmica, trabajaremos con un perfil de carga mensual, ya que se trata de un estudio de viabilidad con estimaciones aproximadas. Los picos de demanda de calefacción y refrigeración son respectivamente de 306 kW y 336 kW, con una demanda anual de energía de 398 MWh y 269 MWh. La eficiencia estacional de la bomba de calor es de 4,5 para calefacción y nuestro coeficiente de eficiencia energética estacional para refrigeración pasiva es de 20.
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.
- Teniendo en cuenta el diseño original del campo de perforación de 15×14 perforaciones a 150 m, ¿es éste un buen diseño?
- Imaginemos que hay una capa de suelo difícil a 110 m por debajo de la superficie. ¿Cuántos sondeos adicionales deberíamos perforar si reducimos la profundidad de perforación a 100 m? Intenta pensar en esto antes de empezar a simular.
- ¿Qué ocurre si actualizamos la conductividad térmica del suelo al valor correcto? ¿Podemos cambiar el diseño?
- ¿Qué ocurre con el perfil de temperatura si cambiamos el fluido por agua?
- ¿Cómo podemos rediseñar nuestro campo de perforación para que sea más rentable?
- ¿Qué ocurre con nuestro diseño si pasamos de un tubo en U doble a un tubo en U simple?
- ¿Qué diferencia hay entre trabajar con un DN40 y con un DN32?
La solución en GHEtool Cloud
Pregunta 1
El perfil de temperatura con las condiciones iniciales, tal como se ha simulado con GHEtool, puede verse en la siguiente figura. No hay ningún problema con la temperatura media mínima del fluido, ya que se mantiene 40 años por encima de los 10°C. La temperatura media máxima del fluido es de 17,19°C, ligeramente por encima de nuestro umbral de 17°C.
La pregunta casi filosófica es ahora: ¿está bien diseñado este campo de perforación? Pues depende. Si se está muy seguro de la potencia máxima o si ésta es quizá algo menor, es más importante atenerse a los límites de temperatura. Sin embargo, en este caso, estamos haciendo un estudio de viabilidad de un gran proyecto con sólo las primeras estimaciones. Probablemente, ya hay bastante seguridad en ellos, por lo que cruzar el límite de temperatura con sólo 0,19 °C, no es un gran problema.
Al final, la ingeniería consiste en asegurarse de que el sistema funciona trabajando con factores de seguridad y, dependiendo de dónde se tome algo de margen extra, los límites de temperatura pueden ser más o menos estrictos.
Pregunta 2
Cuando la profundidad máxima de perforación se reduce a 100 m, el primer instinto podría ser aumentar el número total de perforaciones en 30% para mantener la misma longitud total de perforación. Sin embargo, el perfil de temperatura que se muestra a continuación sólo nos ha exigido añadir 15 sondeos, para un total de 225. La temperatura media máxima del fluido es aquí de 17,18 °C.
La razón principal es que, debido a nuestro gradiente de temperatura, la temperatura media del suelo no perturbado es ahora de 12,02°C, que es significativamente inferior a los 13,27°C de la pregunta anterior, lo que desplaza todas las líneas hacia abajo.
Quizá haya observado que la amplitud del perfil sinusoidal es significativamente mayor en este caso que en la simulación anterior. Si recuerdas nuestro capítulo anterior sobre la resistencia térmica efectiva de la perforación, dijimos que (además de la resistencia), también es importante la longitud total de la perforación.
En este caso, tenemos una longitud de perforación significativamente menor, lo que significa que nuestra inyección de calor específico es casi 30% mayor. Esto aumenta la diferencia de temperatura entre la pared de la perforación y las temperaturas del fluido. Sin embargo, este efecto se compensa con una mayor resistencia de la perforación y una menor temperatura del suelo.
Pregunta 3
En la simulación anterior, lo más probable es que hayas olvidado cambiar la conductividad térmica del suelo a 1,7 W/(mK), ya que ahora nuestra profundidad ha cambiado. (¡Enhorabuena si no lo olvidaste!)
Esto también es beneficioso, así que volvemos a quitar 15 perforaciones y acabamos con la configuración original de 15 x 14, pero ahora con sólo 100 m de profundidad de perforación en lugar de 150 m. La temperatura máxima del fluido durante el pico es de 17,22°C.
Pregunta 4
Hasta ahora, todas las simulaciones se han realizado con 25 v/v% de MPG, lo que nos da una protección contra la congelación hasta -11°C. Sin embargo, viendo estos perfiles, esto no es en absoluto necesario. Si cambiamos nuestro fluido en GHEtool por agua, acabamos con un caudal transitorio con un número de Reynolds de 2442, que ya tiene algo de turbulencia. Esto disminuye nuestra resistencia térmica efectiva del pozo de 0,1547 mK/W a 0,1273 mK/W. La temperatura media máxima del fluido es ahora 0,5 °C inferior a la anterior: 16,76 °C.
Pregunta 5
Cuando trabajamos con agua, la temperatura media mínima del fluido ya no es de 2 °C, sino de 6 °C (aunque puede variar en función de los requisitos del fabricante de la bomba de calor). El tamaño del campo de perforación podría reducirse a sólo 15 x 13 perforaciones debido al mayor número de Reynolds y, por tanto, a la menor resistencia de la perforación.
Cuestión 6
Cuando pasamos de un tubo doble DN32 U a un DN32 simple, el número de Reynolds salta a 5971, lo que hace que el flujo 100% sea turbulento y reduce la resistencia térmica convectiva. Sin embargo, la resistencia de perforación aumentó de 0,1142 mK/W a 0,1358 mK/W. Dado que tanto nuestros tubos en U simple como en U doble ya eran bastante turbulentos (la U doble ya estaba lejos del régimen transitorio), no había mucho que ganar aquí. Como la U simple tiene menos superficie de contacto que la U doble, en general nuestra resistencia de perforación será ligeramente peor.
La temperatura media máxima del fluido es ahora de 17,29°C.
Pregunta 7
Como última variación, se sustituyó el único DN32 por un único DN40. Aquí el flujo sigue siendo turbulento (Re=4762), pero la resistencia de la perforación vuelve a ser ligeramente mejor, con 0,1257 mK/W, lo que nos da una temperatura media máxima del fluido de 17,11°C. Esto se debe a que el DN40 tiene una superficie mayor, lo que facilita la transferencia de calor y, dado que el flujo sigue siendo turbulento, éste es el parámetro más importante.
Conclusión
En este capítulo, realizamos nuestras primeras simulaciones en GHEtool Cloud para un edificio de oficinas. Tomando decisiones de diseño inteligentes, pudimos reducir la longitud total de la perforación en más de 30%. Está claro que todas las opciones de diseño (la profundidad de perforación, el tipo de anticongelante, el número de tubos en U...) influyen en el diseño de la perforación.
En la próxima parte, profundizaremos en la física de los campos de perforación y estudiaremos los modelos más recientes para realizar simulaciones más precisas.
Preguntas
Descargas
- Descargar la simulación GHEtool de este capítulo aquí.