En este capítulo le ofrecemos las respuestas a las preguntas que se plantean al final de cada capítulo de la segunda parte del curso.
Pregunta 1.1
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Quiero hacer una simulación mensual de temperatura en la que haya 8000 kWh de refrigeración en verano, pero que sea puramente de carga base, sin picos. ¿Cómo será el perfil de temperatura?
Cuando no hay potencias punta, la energía de cada mes se suministra a la potencia de carga base, que es la potencia más pequeña que puede suministrar la energía demandada durante 730 horas (es decir, el número de horas de cada mes). En este caso, la temperatura del fluido durante la refrigeración será igual a la temperatura de carga base en los meses de verano. Esto se muestra en el siguiente perfil de temperatura.
Pregunta 1.2
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Imagínese que ha simulado su campo de sondeo con una carga horaria con una temperatura inicial del suelo inalterada de 11°C y descubre que la temperatura media mínima del fluido es de 0,2°C. Ahora realiza una TRT y la temperatura del suelo resulta ser de 11,5 °C. ¿Cómo afectaría esto a los resultados de su simulación?
Todas las simulaciones de campos de sondeos geotérmicos parten de una determinada temperatura del suelo inalterada. En este caso, la temperatura real del suelo es 0,5 °C superior a la prevista, lo que significa que la temperatura de la pared del pozo también es 0,5 °C superior. Dado que la temperatura del fluido está relacionada con la temperatura de la pared del sondeo, estas temperaturas también aumentarán 0,5 °C.
Pregunta 2.1
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Para ahorrar dinero, quiero trabajar con un solo tubo en U en lugar de uno doble. ¿Tendría esto algún efecto en la resistencia térmica efectiva de la perforación y/o en nuestra longitud total de perforación?
No existe una respuesta definitiva a esta pregunta, ya que depende en gran medida del caudal y de si la transferencia de calor es laminar o turbulenta. Si la sonda de doble U es laminar y el cambio a una U simple hace que el fluido sea turbulento, lo más probable es que la resistencia efectiva de la perforación sea mejor que en la situación original y que se puedan utilizar menos metros de perforación. Si, al cambiar a una sonda de una sola U, el fluido sigue siendo laminar, la resistencia térmica efectiva de la perforación será sin duda mayor, lo que requerirá más metros de perforación.
En cambio, si tiene menos perforaciones pero más profundas, el caudal suele ser mayor (hacia 1 l/s por perforación). En ese caso, es probable que su sonda de doble U sea turbulenta. El cambio a una sonda U simple hace que el fluido sea aún más turbulento, pero esto ya no tiene un impacto significativo en la transferencia de calor. Dado que la superficie total de transferencia de calor es ahora menor, la sonda de U simple funcionará peor en este caso que la de doble U.
Pregunta 2.2
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Imagine que está perforando un pozo en roca sólida. Dejando a un lado los aspectos legales, ¿preferiría rellenar la perforación con lechada o dejarla abierta para que se llene de agua subterránea?
El uso de perforaciones rellenas de agua subterránea presenta ventajas e inconvenientes. Si tiene un perfil de carga que se mantiene alejado de las temperaturas de congelación, puede beneficiarse del efecto de flotabilidad del propio pozo. Esto mejora la transferencia de calor y le proporcionará una resistencia térmica efectiva de la perforación bastante parecida, o incluso mejor, que la de una perforación con lechada, pero con un coste de inversión inferior.
Por el contrario, si la temperatura del fluido se enfría tanto que la perforación empieza a congelarse, el efecto de flotabilidad desaparece y se obtiene una conductividad de llenado de 0,6 W/(mK), lo que reduce la resistencia térmica efectiva de la perforación. Lo más probable es que tenga que perforar a mayor profundidad para compensar este efecto.
La cuestión de si la perforación más profunda, rellena de agua, es más económica que la perforación menos profunda, rellena de lechada, depende en gran medida del contexto económico y del perfil de carga concreto del proyecto.
Pregunta 3.1
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Mi campo de perforación está perfectamente equilibrado, pero tengo un caudal de agua subterránea bastante elevado. ¿Tendría esto un efecto (positivo/negativo) en mi diseño?
El flujo de aguas subterráneas es especialmente útil cuando existe un desequilibrio, ya que puede eliminar parte del mismo. Sin embargo, en este caso no hay desequilibrio, por lo que no hay deriva de temperatura a largo plazo que pueda mitigarse con el flujo de aguas subterráneas. Pero esto no significa que las aguas subterráneas no influyan en el campo de sondeos.
Como ya se ha mencionado, los campos de sondeos son una forma de almacenar energía a lo largo de las estaciones, y las temperaturas de los fluidos en calefacción y refrigeración se ven influidas por la energía que se inyectó o extrajo en la estación anterior. Si el flujo de aguas subterráneas desplaza parte del frío almacenado en invierno, la temperatura de la pared del pozo, y por tanto las temperaturas de los fluidos, serán más altas en verano.
Lo mismo ocurre con el calor almacenado en verano. Si parte de él se lo lleva el agua subterránea, la temperatura de la pared del pozo será más baja, lo que reducirá las temperaturas de los fluidos.
Esto no sólo podría provocar un aumento del tamaño necesario del campo de perforación, ya que ahora nuestras temperaturas están más cerca de ambos límites, sino que también disminuiría la eficiencia global del sistema.
En resumen, el flujo de aguas subterráneas en un sistema totalmente equilibrado es bastante desventajoso. Por el contrario, si existe un desequilibrio y el campo de sondeo está limitado en el último año debido a la deriva térmica a largo plazo, el flujo de aguas subterráneas sería beneficioso.
Pregunta 4.1
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¿Se te ocurren otras formas de mejorar el diseño de la última pregunta, aún trabajando con una sola sonda DN40?
Por el momento, se han variado todos los parámetros relacionados con el flujo, pero hemos mantenido constante la conductividad térmica de la lechada en 1,5 W/(mK) en todas nuestras simulaciones. Si la aumentamos a una lechada térmicamente mejorada de 2 W/(mK), nuestra resistencia de perforación desciende de 0,1257 mK/W a 0,1116 mK/W, lo que reduce nuestra temperatura media máxima del fluido a 16,86°C.
Otras soluciones, quizá más rebuscadas, podrían ser disminuir el diámetro de perforación (disminuyendo así de forma efectiva la resistencia de la lechada) o aumentar aún más el diámetro de la tubería hasta un DN45 (o superior, siempre que se mantenga la turbulencia) para aumentar la superficie de transferencia de calor.
Pregunta 4.2
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Debatimos en Parte 1.3 que la hipótesis de un gradiente geotérmico lineal no es tan exacta, especialmente en los centros urbanos. Dado que el proyecto está situado en la ciudad de Gante, es probable que se produzca un efecto de isla de calor urbana y que la temperatura del suelo sea más elevada en las primeras capas. ¿Cómo se tendría esto en cuenta y cuál sería el efecto sobre el tamaño del campo de sondeo?
A una profundidad de sondeo de 100 m, la temperatura media del suelo no alterado es de 11,87 °C. Si queremos introducir cierta seguridad en nuestro diseño, podemos fijar la temperatura media del suelo inalterado en, por ejemplo, 12,5 °C en la pestaña de datos del suelo. Esto aumenta la temperatura media máxima del fluido en 0,63 °C, lo que debe compensarse aumentando de nuevo el número de perforaciones. En nuestro caso, necesitamos 30 sondeos adicionales de 100 m, lo que supone un total de 225 sondeos, frente a los 195 de la pregunta 7.
Pregunta 4.3
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Ahora suponemos que la simulación comenzó en enero. ¿Sería diferente el resultado para una simulación que empezara en junio? ¿Por qué?
Los campos de sondeo almacenan energía a lo largo de las estaciones. Al empezar en enero, el yacimiento se enfría antes de entrar en verano. Si empezáramos la simulación en junio, la temperatura del campo de sondeo sería más alta, ya que aún no se habría enfriado por la carga de extracción en invierno. Dado que nuestro campo de sondeo está limitado por la demanda de refrigeración, la temperatura media del fluido para el escenario 7 aumentaría de 17,11 °C para un inicio en enero a 17,42 °C para una simulación iniciada en junio. A continuación se muestra el perfil de temperatura.
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