Los perfiles de temperatura, en todas sus formas, constituyen la base del diseño geotérmico y es muy importante familiarizarse con ellos antes de continuar con este curso. Por lo tanto, en este capítulo, los discutiremos en gran detalle, de modo que usted sepa lo que son y usted tenga la información de fondo requerida para zambullirse en la física subyacente en los capítulos siguientes. Comencemos.
Dos tipos de perfiles
Como ya comentamos en Parte 1.4, Por otro lado, podemos realizar simulaciones geotérmicas con diferentes tipos de perfiles de carga. Por un lado, podemos hacer simulaciones con un perfil de carga horario, donde la carga del edificio (o viceversa la carga del suelo) se define para cada hora del periodo de simulación o podemos basarnos en una resolución de datos mensual. A continuación, explicaremos en primer lugar el perfil horario de temperatura, seguido del mensual.
Perfil horario de temperatura
A continuación se ofrece un perfil de temperatura para un periodo de 20 años con una resolución horaria, lo que significa que obtenemos un valor de temperatura en cada hora de la simulación. Como ya comentamos en Parte 1.2 sobre la importancia del diseño del campo de sondeos, las líneas de puntos horizontales son nuestros límites mínimo y máximo de temperatura permitidos y son constantes. En este caso, dado que cruzamos nuestro umbral máximo, se podría argumentar que este campo no está diseñado correctamente.
Las otras dos líneas, la azul y la negra, nos dicen algo sobre nuestro sistema geotérmico. En general, nos importan dos cosas: la temperatura de la pared del pozo (que es la temperatura del suelo que está en contacto directo con nuestro campo de sondeo) y la temperatura del fluido (ya que influirá en la eficiencia de nuestro sistema, como se explica en el apartado siguiente). Parte 1.5). De estas dos, la temperatura del fluido es la más importante.
En el perfil anterior se aprecian dos tendencias principales. Por un lado, se observa una variación estacional, ya que el perfil tiene un comportamiento sinusoidal debido a que el calor se extrae del yacimiento en invierno y se inyecta en verano, enfriando y calentando el campo de sondeo respectivamente. Por otro lado, se observa claramente una deriva de la temperatura hacia temperaturas más bajas, causada por la desequilibrio, la diferencia entre inyección y extracción de calor. Esto significa que, por convención, cuando tenemos más extracción que inyección, la el desequilibrio será negativo.
Quizá descubra que en su simulación (como también en el ejemplo anterior) la diferencia entre la temperatura del fluido y la de la pared del pozo no es claramente visible. Por ello, a continuación se muestra un primer plano de un mes de verano.
Aquí se aprecian claramente los picos de temperatura, en los que la temperatura del fluido se desvía de la temperatura de la pared de la perforación. Como se trata de un primer plano en verano, vemos que la temperatura media del fluido es superior a la del suelo. Esto se debe a que ahora estamos inyectando calor en el suelo, ya que el calor siempre fluye de un lugar caliente a uno frío (que es también la razón por la que su taza de café caliente se enfría en la mesa). En invierno, las temperaturas de los fluidos son más bajas que las del suelo.
Quizá ya haya visto que, en algunos momentos, la temperatura del fluido y la de la pared del pozo se solapan. Esto se debe a que en esos momentos no hay demanda de inyección o extracción, por lo que la temperatura del fluido no está definida. Se puede pensar en esto de la siguiente manera: cuando no se intercambia energía con el campo de sondeo, no se observan las temperaturas y, por tanto, no se tiene ni idea de cuáles son (y tampoco importa). En GHEtool, utilizamos la convención de que, cuando no hay carga, la temperatura del fluido es igual a la temperatura de la pared del pozo.
Sin embargo, esto no es 100% exacto, ya que ignora la inercia térmica del fluido. Esto significa que, si tenemos un fluido a una temperatura determinada y dejamos de calentarlo o enfriarlo, la temperatura no desciende repentinamente, sino que cambiará gradualmente hasta ponerse en equilibrio con el entorno (en este caso, la temperatura de la pared del pozo). En el momento de escribir estas líneas, esta inercia térmica no está incluida en estos gráficos, que volveremos a examinar en los próximos capítulos.
Perfil mensual de temperatura
Para realizar cálculos más rápidos, es posible trabajar con perfiles de carga mensuales. Aquí, el perfil de temperatura tiene 4 líneas diferentes, la temperatura de la pared de la perforación, igual que antes, junto con tres temperaturas diferentes del fluido. En general, en este ejemplo se observan las mismas dos tendencias: una variación estacional y un (ligero) desequilibrio hacia temperaturas más frías.
El primer plano de los cinco primeros años que aparece a continuación facilita la distinción entre las distintas temperaturas del fluido. Cuando se simula con una carga horaria, a cada hora hay extracción o inyección de calor, pero a escala temporal mensual, ambas pueden producirse durante el mismo mes.
Si, por ejemplo, tomamos como ejemplo el mes de mayo, en primavera, puede ocurrir que al principio del mes todavía haya cierta demanda de calefacción, pero hacia el final haya más demanda de refrigeración. Por lo tanto, cada mes puede tener tanto una temperatura para el pico de demanda de calefacción como para el pico de demanda de refrigeración, donde las temperaturas durante la calefacción son inferiores a la temperatura de la pared de la perforación y las de la refrigeración son más cálidas que la pared de la perforación.
Ahora, la última temperatura es la línea verde, que es la temperatura media del fluido durante la carga base. A diferencia de las cargas punta (en las que puede haber calefacción y refrigeración en el mismo mes), cada mes sólo hay una carga neta resultante, es decir, en cada mes sólo hay una extracción o inyección neta de calor. Si elimináramos todas las potencias punta y nos limitáramos a trabajar con el balance energético, el perfil de temperatura se parecería a la línea verde.
Otra forma de ver esta temperatura de carga base es que se trata de la mejor situación posible.
Imaginemos el caso de un edificio con una demanda de calefacción de 730 kWh en un mes determinado. A escala mensual, puede suministrar esta energía al edificio con una potencia de base constante de 1 kW -un mes tiene 730 horas- o con 2 horas a 365 kW. En ambos casos se suministrará la misma energía al edificio, pero la temperatura máxima durante la calefacción será significativamente inferior en el segundo caso.
Si se maximiza el recorte de picos y el desplazamiento y se instalan bastantes depósitos de inercia, se puede reducir la potencia máxima hasta que, teóricamente, se llegue a la situación óptima de la temperatura de carga base.
Al principio, esto puede parecer un poco extraño, pero esta temperatura de carga base puede interpretarse como una temperatura media del fluido durante el periodo de simulación y también es más cálida que la temperatura de la pared del pozo durante el verano (porque se inyecta más energía en el suelo de la que se extrae) y viceversa durante el invierno.
Cuadrantes Borefield
Antes de adentrarnos en la física y discutir cómo las entradas que hemos discutido en la primera parte de este curso dan lugar a los perfiles de temperatura anteriores, vamos a echarles un vistazo más de cerca.
Imaginemos que tenemos el siguiente perfil de temperatura, que presenta un desequilibrio negativo y está claramente limitado por la limitación de temperatura máxima. Este podría ser, por ejemplo, el caso de un auditorio o de un edificio residencial de alto nivel, donde la demanda anual de calefacción suele ser mayor (lo que provoca el desequilibrio negativo), pero la potencia máxima en refrigeración es en realidad el factor limitante.
En el perfil de abajo se aprecia otro desequilibrio. Podría tratarse, por ejemplo, de un edificio de oficinas (o incluso de un edificio comercial como tiendas) en el que anualmente hay más demanda de refrigeración que de calefacción, lo que provoca un desequilibrio positivo, limitando de nuevo el diseño por la temperatura máxima.
A continuación se presenta otro perfil con un desequilibrio negativo. Aquí, el punto crítico es la temperatura mínima durante el pico de extracción en el último año del periodo de simulación. Podría tratarse, por ejemplo, de un edificio residencial en el que la calefacción (y la demanda de agua caliente sanitaria) hace que predomine la extracción en el campo de sondeos.
La última situación que puede producirse es la siguiente. Aquí hay un desequilibrio positivo, pero el campo de perforación sigue estando limitado por una carga de extracción elevada. En países más bien fríos, esto podría ocurrir también para el caso de la oficina (especialmente si tiene refrigeración activa y un límite máximo superior a 17°C), donde las temperaturas del suelo son bastante bajas al principio.
Estas cuatro opciones diferentes pueden visualizarse de la siguiente manera.
En la imagen superior, los cuatro casos diferentes se estructuran en una cuadrícula de 2×2 en función de si están diseñados (o limitados) por la temperatura mínima y máxima y de si experimentan ese límite en el primer o en el último año del periodo de simulación. Estos casos se denominan cuadrantes del campo de perforación.
En la figura anterior, los cuadrantes 1 y 4 están coloreados en verde, mientras que el 2 y el 3 están coloreados en azul. Esta clasificación se basa en el desequilibrio, ya que tanto el 1 como el 4 tienen un desequilibrio negativo y el 2 y el 3 tienen un desequilibrio positivo. Al dimensionar un campo de sondeo, no se sabe a priori en cuál de los 4 cuadrantes acabará, por lo que en teoría usted (o al menos el algoritmo) debería comprobarlos todos. Ahora bien, en función del desequilibrio, este espacio de búsqueda podría reducirse a sólo 2 opciones.
Imagina que tienes un campo de sondeo con un desequilibrio negativo, entonces estamos seguros de que el campo de sondeo nunca estará en los cuadrantes 2 y 3. Para demostrarlo, utilicemos la prueba por contradicción e hipoteticemos lo siguiente: imaginemos que el campo de sondeo estará limitado por la temperatura mínima del primer año. Debido al desequilibrio, sabemos que el campo de sondeo será más frío al año siguiente, por lo que el primer año nunca puede ser el punto crítico. Esto está en contradicción con nuestra hipótesis, por lo que no puede ser que el campo de sondeos caiga en el cuadrante 3.
Veamos ahora lo que estos cuadrantes de perforación pueden enseñarnos sobre nuestro campo de perforación.
Perspectivas a priori
La principal ventaja de clasificar los campos de sondeo en diferentes cuadrantes es que permite razonar sobre determinadas cuestiones geotérmicas sin necesidad de realizar más cálculos. A continuación, respondemos a tres preguntas habituales teniendo en cuenta únicamente los cuadrantes de campos de sondeo.
¿Cuándo es relevante el desequilibrio/regeneración para el coste de la inversión?
A menudo se dice que la regeneración, con el fin de reducir el desequilibrio, reduce los costes de inversión en campos de sondeo, pero no siempre es así. Si un campo de sondeo se encuentra en los cuadrantes 1 ó 3, en los que la limitación de diseño se produce en el primer año de funcionamiento, el desequilibrio no plantea ningún problema. Por el contrario, en los cuadrantes 2 y 4, la reducción del desequilibrio mediante la regeneración conduce a un campo de sondeos más pequeño, ya que el sistema se diseña en función del último año de la simulación, cuando el desequilibrio acumulado tiene el mayor impacto.
¿Cuándo es ventajoso perforar a mayor profundidad?
Para los edificios con una demanda de calefacción elevada, perforar a mayor profundidad puede ser beneficioso porque las temperaturas del suelo aumentan con la profundidad (como comentamos en Parte 1.3). Esto significa que los campos de perforación de los cuadrantes 3 y 4 pueden beneficiarse de perforaciones más profundas, mientras que los cuadrantes 1 y 2 no, ya que están diseñados principalmente para la inyección de calor y no para la extracción de calor.
¿Cuándo es ventajosa la refrigeración activa?
La refrigeración activa puede ser una forma muy eficaz de optimizar los costes de inversión, pero sólo para campos de perforación diseñados para soportar elevadas demandas de inyección de calor. Con la refrigeración activa, la limitación de temperatura pasa de los 16-17 °C habituales (en la refrigeración pasiva) a 25 °C o más, lo que permite reducir el tamaño de la perforación y, por tanto, los costes de inversión. Esto es beneficioso en los cuadrantes 1 y 2, pero no en los cuadrantes 3 y 4.
Conclusión
En este capítulo se han analizado los dos tipos de perfiles de temperatura que se utilizan en el diseño de los campos de sondeo: los perfiles de temperatura horarios y los mensuales. Sobre la base de algunas características generales intrínsecas a cada perfil (a saber, el desequilibrio y las temperaturas máximas), los campos de sondeo se clasificaron en cuadrantes. Estos cuadrantes nos permiten conocer mejor el comportamiento del sistema sin necesidad de realizar grandes cálculos.
En nuestro próximo capítulo, exploraremos lo que hay detrás de estos perfiles de temperatura e introduciremos el importante concepto de la resistencia térmica efectiva de la perforación.
Preguntas
Referencias
- Peere, W., Picard, D., Cupeiro Figueroa, I., Boydens, W., y Helsen, L. (2021). Validated combined first and last year borefield sizing methodology. En Actas de la Conferencia Internacional sobre Simulación de Edificios 2021. Brujas (Bélgica), 1-3 de septiembre de 2021. https://doi.org/10.26868/25222708.2021.30180