Antes de empezar a dimensionar los campos de sondeo, es importante saber qué información se necesita y dónde se puede encontrar. En este capítulo nos centraremos en las propiedades del terreno.
Propiedades del suelo
Dado que los campos de sondeo son básicamente intercambiadores de calor subterráneo, es bastante trivial que las propiedades del suelo desempeñen un papel importante en su diseño. Los geólogos tienen muchas formas distintas de clasificar el suelo, como el tamaño del grano, la composición química o las características mineralógicas. Sin embargo, para el diseño de campos de sondeo, sólo se requieren dos parámetros clave:
- Conductividad térmica - la capacidad del suelo para conducir el calor
- Capacidad calorífica volumétrica - la capacidad del suelo para almacenar calor
Ambas cosas se explican a continuación.
Conductividad térmica
La conductividad térmica mide la eficacia con la que el suelo conduce el calor. Los campos de sondeos interactúan tanto con el terreno entre los sondeos como con el terreno circundante infinito. Un campo de sondeo situado en un lugar con una conductividad térmica más alta permite un intercambio de calor más eficaz con su entorno.
Por ejemplo, si tiene un campo de sondeo con un desequilibrio importante (es decir, un campo de sondeo que se enfría año tras año), es mejor tener una buena conductividad del suelo, para que la distorsión térmica local se pueda disipar más rápidamente.
Capacidad calorífica volumétrica
La capacidad calorífica volumétrica describe la eficacia con la que el suelo puede almacenar calor. Representa la cantidad de energía necesaria para aumentar la temperatura de un determinado volumen de suelo en 1 °C, y puede considerarse como la capacidad del campo de sondeo para funcionar como una batería de calor. Cuando antes mencionábamos que los campos de sondeos son un almacén estacional de energía térmica, éste era el motivo.
Si un campo de sondeo tiene un desequilibrio casi nulo (lo que significa que la temperatura del suelo se mantiene constante a lo largo del tiempo), es deseable una capacidad térmica volumétrica alta, ya que esto permite que el campo de sondeo actúe como un sistema de almacenamiento estacional de energía térmica (STES). En estos casos, una baja conductividad térmica también es beneficiosa, ya que minimiza la pérdida de calor al medio ambiente.
Además de la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica, se utilizan otras medidas para cuantificar las propiedades térmicas del suelo, como la difusividad térmica y la conductividad hidráulica.
Difusividad térmica
La difusividad térmica, $\alpha$, de un material se define como su capacidad de conducir calor en relación con su capacidad de almacenarlo. Se define de la siguiente manera $$\alpha=\frac{\lambda}{C_v}$$donde $\lambda$ es la conductividad térmica del suelo en (W/(mK)) y $C_v$ es la capacidad calorífica volumétrica en (J/(m³K)). Las unidades de la difusividad térmica son, por tanto, (m/s²). La difusividad térmica, la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica pueden utilizarse indistintamente.
Conductividad hidráulica
La conductividad hidráulica $K$ del suelo es importante para el flujo de las aguas subterráneas, ya que determina la velocidad de flujo (m/s) a través del suelo. Depende de la porosidad del material, que se expresa como permeabilidad intrínseca ($k$ en m²), así como de la densidad y viscosidad del fluido. La conductividad hidráulica puede definirse horizontal o verticalmente, en función del caudal de interés.
Para el diseño de campos de perforación, esto no tiene un interés inmediato, pero sin duda desempeña un papel en simulaciones geotérmicas más avanzadas.
Ejemplo de datos
Las propiedades del suelo varían considerablemente en función de la ubicación del proyecto. La tabla siguiente muestra la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica de distintos tipos de suelo y roca, según se recoge en la bibliografía.
Algunas observaciones clave:
- Incluso dentro de un mismo tipo de suelo, el rango de conductividad térmica varía ampliamente. Esto se debe a las diferencias geológicas dentro de cada categoría que afectan a las propiedades del suelo.
- Las propiedades térmicas de los suelos granulares (por ejemplo, grava, arena, limo y arcilla) se ven influidas significativamente por la saturación de agua. Los espacios entre las partículas del suelo pueden rellenarse con aire, que es un aislante, o con agua, que tiene una conductividad térmica y una capacidad calorífica elevadas. Por consiguiente, los suelos saturados de agua tienen una conductividad térmica mucho mayor que los suelos secos.
Para obtener resultados más precisos, puede realizar una prueba de respuesta térmica. Se trata de medir in situ las propiedades térmicas del terreno, así como la temperatura del suelo inalterado. Para realizar una TRT, es necesario perforar un pozo en la ubicación del proyecto hasta la profundidad de diseño final deseada. A continuación, se aplica una carga constante a la perforación. A partir de las mediciones de temperatura, se puede deducir la conductividad térmica del suelo, la temperatura del suelo inalterado y, en ocasiones, la capacidad calorífica volumétrica.
Más adelante trataremos en detalle el análisis de la TRT, una vez que hayamos estudiado la física necesaria.
Temperatura del suelo
Otro parámetro crucial en el diseño de campos de sondeos es la temperatura del terreno, concretamente la temperatura del terreno inalterado. Se trata de la temperatura media inicial del suelo junto al pozo y se utiliza como punto de partida para cualquier simulación geotérmica. Si, por ejemplo, la temperatura del suelo no alterada es de 11 °C, la simulación del campo de sondeo comenzará a 11 °C; si es de 13 °C, comenzará a 13 °C. En este último caso, todas las temperaturas (temperatura del suelo y temperatura del campo de sondeo) se calcularán a partir de la temperatura del suelo no alterado. En este último caso, todas las temperaturas (tanto del fluido como del suelo) serán 2 °C más altas.
La temperatura inalterada del suelo puede medirse mediante una prueba de respuesta térmica (TRT) o inferirse a partir de la conductividad térmica del suelo y el flujo de calor geotérmico. Utilizando este modelo lineal de temperatura del suelo, la temperatura del suelo no perturbado puede calcularse a partir de las temperaturas al inicio y al final de la perforación (ya sea como dato de entrada o como resultado del dimensionamiento).
El gradiente geotérmico $\Delta T$ en (°C/100m) puede facilitarse directamente o calcularse a partir del flujo de calor geotérmico $q$ en (W/m²) y la conductividad térmica $\lambda$ en (W/(mK)). El gradiente puede calcularse de la siguiente manera $$\Delta T = \frac{\dot{q}}{100\lambda}$$Conocido el gradiente $\Delta T$ y la temperatura de la superficie del suelo $T_s$, la temperatura $T$ en profundidad $x$ puede calcularse como: $$T(x)=\frac{1}{2}\cdot\left(T_s+\frac{x\cdot\Delta T }{100}+T_s \right) = T_s+\frac{x\cdot\Delta T}{200}$$
La temperatura del suelo no perturbada $T_u$ para un sondeo que comienza en $x=D$ hasta $x=H$ viene dada, por tanto, por: $$T_u= \frac{T(D)+T(H)}{2} = T_s + \Delta T\cdot\frac{D+H}{200}$$
Suponer un aumento constante y lineal de la temperatura con la profundidad no siempre es exacto, sobre todo en zonas densamente pobladas o ciudades antiguas.
Como muestra la siguiente figura, la temperatura media del suelo aumenta cuando se construye una ciudad sobre él (segundo gráfico). Esto se debe al efecto isla de calor urbano, por el que el calor de los edificios, las carreteras y las aceras queda atrapado y calienta toda la ciudad. Con el tiempo, este aumento de temperatura penetra en el suelo, creando una ‘mancha’ de temperatura que puede extenderse hasta 100 metros de profundidad.
Esta alteración de la temperatura es especialmente significativa en el caso de edificios con elevadas necesidades de refrigeración, ya que una temperatura inicial más elevada los acerca al límite máximo de temperatura. Aunque el modelo tradicional de temperatura lineal sugiere que una perforación más profunda no es beneficiosa para la refrigeración, en algunas zonas urbanas puede ser realmente necesario alcanzar temperaturas del suelo más frías para una refrigeración eficiente.
Dado que la temperatura del suelo siempre está sujeta a cierto grado de incertidumbre, se recomienda encarecidamente, especialmente en proyectos de gran envergadura, realizar una TRT para medir la temperatura inicial del suelo sin alteraciones.
Datos de tierra en GHEtool
GHEtool ofrece dos formas de introducir las propiedades del suelo:
- Introducción de datos por capas
- Hipótesis de suelo homogéneo
Dado que GHEtool asume internamente una capa de tierra promediada, ambos métodos pueden dar el mismo resultado.
Datos por capas
La forma más precisa y fiable de introducir los datos del terreno es utilizar la opción de capas de GHEtool Cloud. Aquí puede introducir las propiedades del terreno capa por capa, junto con el grosor de cada capa. GHEtool calculará automáticamente las propiedades térmicas correctas para cada diseño en función de la profundidad de perforación. A la hora de calcular la profundidad de perforación necesaria para mantenerse dentro de los límites de diseño, la introducción de las propiedades del terreno capa por capa le ayudará a obtener resultados más precisos.
Datos homogéneos
Si necesita realizar un cálculo rápido, la introducción de todas las capas del suelo puede llevarle mucho tiempo. Por lo tanto, puede introducir los datos del terreno utilizando la hipótesis homogénea. En este caso, basta con introducir un valor para la conductividad térmica del terreno y otro para la capacidad calorífica volumétrica, que se utilizarán para todos los tamaños de campo de sondeo.
Tenga en cuenta que los datos homogéneos introducidos serán siempre una media de varias capas de suelo a una profundidad determinada. Si utiliza un campo de sondeo con una profundidad de sondeo diferente a la utilizada para calcular estos parámetros medios, los resultados pueden ser inexactos. Por lo tanto, si cambia la profundidad del sondeo (o permite que se calcule utilizando la opción ‘Calcular la profundidad de sondeo necesaria’), es esencial que vuelva a comprobar las propiedades del terreno.
Conclusión
En este capítulo se han analizado las propiedades del suelo necesarias para una simulación geotérmica. Se requieren la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica del suelo, así como la temperatura inalterada del suelo. El próximo capítulo se centrará en demanda térmica.
Preguntas
Referencias
- https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_diffusivity [fecha de acceso 22/01/2026].
- https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_conductivity [fecha de acceso 22/01/2026].
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- Fincas rústicas para Francia: BRGM.
- Propiedades del suelo para Alemania: GeotIS.