Parte 3: Respuestas

En este capítulo le ofrecemos las respuestas a las preguntas que se plantean al final de cada capítulo de la tercera parte del curso.

Pregunta 1.1

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En el caso del edificio residencial, intente encontrar la mejor combinación de duraciones máximas de calefacción y refrigeración para conseguir una buena correspondencia con el perfil de simulación horario. Puedes intentar hacer lo mismo para el edificio del auditorio.

La forma de hacerlo es utilizar un método de ensayo y error para actualizar la duración máxima tanto en la extracción de calefacción como en la inyección de refrigeración. En el caso del edificio de viviendas, la duración máxima en refrigeración debería ser de 4 h, lo que daría lugar a una temperatura máxima del fluido de 16,48 °C, que se aproxima a los 16,40 °C obtenidos a partir de la simulación horaria. En calefacción, la duración máxima debería ser de 110 h para obtener la misma temperatura media del fluido de 2,09 °C.

Para el edificio del auditorio, las duraciones máximas deberían ser de 3 h y 5 h para calefacción y refrigeración respectivamente, con el fin de lograr un buen acuerdo entre las simulaciones mensuales y horarias.

Dado que una simulación mensual es una simplificación de la realidad, no es posible determinar a priori una duración de punta única que se ajuste a la simulación horaria equivalente. Esto pone de relieve la importancia de utilizar una simulación horaria.

Pregunta 2.1

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En la última sección, se mostró la inusual situación de una caída repentina de la temperatura del fluido. Utiliza GHEtool Cloud para explorar y encontrar un conjunto específico de opciones de diseño que recree el mismo efecto.

Nuestro objetivo es identificar un conjunto específico de condiciones en las que el fluido pasa de flujo turbulento o transitorio a flujo laminar en algún momento del periodo de simulación. Para determinar dicha combinación de parámetros, active la opción utilizar propiedades variables de los fluidos y aplicar un perfil dominado por la extracción, como el edificio de viviendas considerado anteriormente.

En este caso, el campo de perforación debe diseñarse de forma que el flujo sea sólo laminar durante la extracción. Debido al desequilibrio, la temperatura del fluido será más baja en el último año de la simulación y más alta en los primeros años. Como consecuencia de la mayor temperatura, el número de Reynolds también será ligeramente superior, lo que dará lugar a condiciones de flujo transitorio.

Para el edificio de viviendas, esto puede conseguirse utilizando una única sonda DN32 PN16 y una mezcla con 22 v/v% MPG.

Pregunta 3.1

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En Parte 3.2, se afirmaba que las propiedades variables del fluido tienen un efecto enorme en la resistencia térmica efectiva de la perforación. Sin embargo, en la figura siguiente, donde se muestra la resistencia de la perforación para el primer año, la resistencia para el caso de un caudal constante parece ser más o menos constante. ¿Cómo puede explicarse esto a la luz de las conclusiones del capítulo anterior?

El uso de propiedades de fluido variables puede dar lugar a una diferencia significativa en la resistencia de la perforación cuando se produce una transición entre flujo laminar y turbulento. En este caso, el caudal es siempre lo suficientemente elevado como para mantener el flujo turbulento, por lo que la variación es escasa. Por el contrario, en el caso de un caudal variable, la transición entre flujo laminar y turbulento es claramente visible.

Pregunta 3.2

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Si observamos de nuevo el gráfico de resistencia de la perforación anterior, parece haber un límite en torno a 0,35 mK/W. Puede explicarnos a qué se debe?

Este límite aparente se debe al parámetro porcentaje de caudal mínimo. Dado que en el gráfico anterior se supone que el caudal mínimo es siempre 10% del caudal máximo, se impone un límite inferior al caudal y, en consecuencia, un límite superior al número de Reynolds y a la correspondiente resistencia térmica efectiva de la perforación.

Sin este límite, la resistencia de la perforación podría alcanzar fácilmente 1 mK/W, lo que evidentemente no es realista.

Pregunta 4.1

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Normalmente, el rendimiento de la bomba de calor se da en B0/W35, utilizando 0 °C como temperatura de entrada de referencia. Cuál sería la temperatura media del fluido correspondiente con la que estamos familiarizados cuando trabajamos con GHEtool?

Esto depende del caudal y de la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del condensador de la bomba de calor. Si se supone una diferencia de temperatura de 4 °C a través de la bomba de calor, la temperatura de salida de la bomba de calor, es decir, la temperatura de entrada al campo de sondeo, es 4 °C inferior a la temperatura de entrada a la bomba de calor, es decir, la temperatura de salida del campo de sondeo.

Esto significa que cuando 0 °C salen del campo de sondeo, entran -4 °C, lo que da como resultado una temperatura media del fluido de -2 °C.

Pregunta 4.2

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En el gráfico anterior, todos los edificios requieren una mayor profundidad de perforación cuando se utiliza 3 °C como límite mínimo de temperatura media del fluido, excepto el edificio de oficinas, que tiene un diseño idéntico en ambos casos. ¿Puede explicar por qué?

Si el diseño no cambia al variar el límite mínimo de temperatura media del fluido, esto indica que el sistema no está limitado por esa temperatura. En el caso del edificio de oficinas, es la temperatura máxima la que determina el tamaño necesario del campo de sondeo, independientemente del límite mínimo de temperatura.

Pregunta 4.3

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Ahora simule el último escenario utilizando un caudal variable, con una diferencia de temperatura de 3°C durante la extracción y la inyección. ¿Cómo cambia el diseño?

Anteriormente, en el caso de un caudal constante, el flujo permanecía como mínimo turbulento durante todo el periodo de simulación. Cuando se utiliza un caudal variable, esto deja de ser así, y la resistencia efectiva de la perforación suele ser mayor, lo que da lugar a temperaturas del fluido más bajas y, en consecuencia, a una menor eficiencia.

Al pasar de un caudal constante a uno variable, la eficiencia global del sistema disminuye de un SCOP de 5,14 a 5,04 debido a la mayor resistencia media de la perforación y a la menor temperatura del fluido. Además, las temperaturas medias mínima y máxima del fluido pasan de 0,2 °C y 18,12 °C a -0,1 °C y 18,75 °C.

En el caso de la inyección, esto se debe a que el caudal es menor, lo que conlleva una mayor resistencia de perforación de 0,1341 mK/W en lugar de 0,098 mK/W.

En el caso de la extracción, el comportamiento es más sutil. Los dos gráficos siguientes muestran la temperatura del fluido en el vigésimo año del periodo de simulación a las 08:00, tanto para caudal constante como variable.

Aunque la temperatura de la pared del pozo es la misma en ambos gráficos, la temperatura del fluido difiere. En el gráfico con caudal constante mostrado anteriormente, puede observarse que la tendencia descendente de la temperatura del fluido ha cambiado a una tendencia ascendente unas horas antes. Una transición similar se observa en el caso de un caudal variable. Sin embargo, a las 08:00 se produce un salto repentino, que no se da en el caso de caudal constante.

Esto ocurre a una hora en la que la potencia no es lo suficientemente elevada como para alcanzar un régimen de flujo turbulento o transitorio, y el flujo sigue siendo laminar en el caso de un caudal variable. En consecuencia, la resistencia de la perforación es mayor y las temperaturas del fluido son más bajas.

Descargas

• Descargar la simulación GHEtool para las preguntas 1.1 y 2.1 aquí.
• Descargar la simulación GHEtool para preguntas 4.3 aquí.