Antes de empezar a hablar del diseño y el dimensionamiento de los campos de perforación en GHEtool, es importante volver a repasar nuestro análisis sobre los perfiles de temperatura y abordar la diferencia entre las temperaturas del fluido en la entrada, en la salida y la temperatura media.
Perfiles de temperatura en GHEtool
Cuando presentamos el concepto de perfiles de temperatura allá por Parte 2.1, todas las temperaturas del fluido (tanto en los perfiles de temperatura mensuales como en los horarios) eran medias de la temperatura del fluido a la entrada y a la salida del campo de perforaciones. Esta es la definición histórica más habitual de la temperatura del fluido y la utilizan otras herramientas de diseño de campos de perforación, como Earth Energy Designer. A continuación se muestra un ejemplo de dicho perfil de temperatura (mensual) con temperaturas medias del fluido.
La razón por la que la temperatura media del fluido es un parámetro tan habitual radica en su relación directa con el concepto de resistencia térmica efectiva del pozo, que se introdujo en Parte 2.2. En resumen, la resistencia térmica efectiva del pozo se define como la resistencia a la transferencia de calor en estado estacionario entre la temperatura media de la pared del pozo (la media de toda la pared del pozo) y la temperatura media del fluido (la media de todo el fluido que hay dentro del pozo).
Durante la simulación, la temperatura de la pared del pozo se calcula en primer lugar utilizando las cargas mensuales (o horarias) de extracción e inyección y las funciones g (véase Parte 2.3). Una vez conocida la temperatura de la pared del pozo, se calcula la resistencia térmica efectiva del pozo utilizando las propiedades variables del fluido y del caudal. A partir de estos dos resultados (la temperatura de la pared del pozo y la resistencia del pozo), se puede calcular directamente la temperatura media del fluido basándose en la definición de la resistencia térmica del pozo.
Sin embargo, dado que también se conoce el caudal (ya sea constante o variable), la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del campo de perforación también se conoce, según la siguiente fórmula:
$$\dot{Q}=\dot{m}C_p\Delta T$$
donde $\dot{Q}$ es la potencia de extracción/inyección (kW), $\dot{m}$ es el caudal másico (kg/s) a través del campo de perforación, $C_p$ es la capacidad calorífica específica del fluido (kJ/(kg·K)), y $\Delta T$ es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del campo de perforación.
Cuando se conoce la temperatura media del fluido, junto con el caudal másico, la potencia y la capacidad calorífica específica (para cada mes/hora), también se pueden calcular las temperaturas de entrada y salida. Esto nos ofrece la opción de trabajar con cualquiera de estas tres temperaturas del fluido en GHEtool, cada una de las cuales aporta información diferente y que se analizarán a continuación.
Tres temperaturas del fluido
En GHEtool se pueden simular tres temperaturas del fluido: la temperatura media del fluido, la temperatura del fluido a la entrada y la temperatura del fluido a la salida. A continuación se describen brevemente las tres.
La normativa relativa al diseño de sistemas geotérmicos cerrados se define a veces en función de la temperatura media o de la temperatura del fluido a la entrada. Tanto en Bélgica (Flandes y Bruselas) como en los Países Bajos, la temperatura más baja del fluido se define como la del fluido que entra en el campo de perforaciones (es decir, la temperatura de entrada) y es de 0 °C en Bélgica y de -3 °C en los Países Bajos.
En Suiza, la temperatura mínima del fluido se define como una temperatura media del fluido de -1,5 °C. Por lo tanto, a la hora de diseñar campos de perforación, es importante comprobar en qué temperatura se basa la legislación.
Temperatura media del fluido
La temperatura media del fluido es la más sencilla de utilizar, debido a su relación directa con la temperatura de la pared del pozo a través de la resistencia del pozo. La ventaja de esta temperatura es que elimina en parte el efecto del caudal. Por ejemplo, tanto si el régimen de flujo es de 3 °C/0 °C como de 5 °C/−2 °C, la temperatura media del fluido es siempre de 0 °C, lo que facilita la interpretación de los resultados. Sin embargo, esto significa que, si se desea controlar las temperaturas mínima y máxima absolutas del fluido, la temperatura media del fluido no resulta directamente adecuada.
Temperatura del fluido de entrada
La temperatura del fluido de entrada es la temperatura entrar en el campo de perforación y podría describirse como la temperatura del fluido en el peor de los casos, ya que siempre es la más fría durante la extracción y la más caliente durante la inyección. Esto se debe a que el fluido entrar en el campo de perforación es también el fluido salir de la bomba de calor. Cuando la bomba de calor calienta el edificio, extrae energía del fluido primario, lo que significa que el fluido a la salida de la bomba de calor es el más frío de todo el circuito (y viceversa en el caso de la refrigeración o la inyección).
Si deseas establecer límites estrictos para las temperaturas del fluido en tu campo de perforación, los límites impuestos a la temperatura del fluido de entrada garantizarán que se hayan cubierto prácticamente todas las temperaturas posibles, asegurando que no se incumpla este límite en ningún momento ni en ningún lugar.
Temperatura del fluido de salida
La temperatura del fluido a la salida es la temperatura que presenta el fluido al salir del campo de perforación y constituye la temperatura óptima del fluido. Durante la extracción, se inyecta un fluido frío en el campo de perforación y este se calienta al entrar en contacto con el suelo, lo que da lugar a una temperatura más elevada en la salida del campo de perforación. Del mismo modo, durante la inyección, se inyecta un fluido caliente en el campo de perforación, donde se enfría, lo que da lugar a una temperatura más baja del fluido en la salida.
Esta temperatura del fluido de salida puede resultar útil a la hora de seleccionar la bomba de calor adecuada, ya que la potencia que puede suministrar la bomba de calor depende de la temperatura a la que entra en su evaporador (o condensador, en el caso de la refrigeración activa). Si, por ejemplo, estás simulando tu campo de perforaciones con la temperatura de salida y tienes una temperatura mínima (de salida) del fluido de 2 °C, debes asegurarte de que tu bomba de calor pueda suministrar la potencia necesaria con una temperatura de entrada al evaporador de 2 °C.
Ejemplo en GHEtool Cloud
Para comprender cómo influye la temperatura del fluido en el diseño de tu campo de perforación, veamos el siguiente ejemplo en GHEtool Cloud.
En la pestaña ‘General’ de la configuración de la simulación, puedes seleccionar cuál de las tres temperaturas del fluido deseas utilizar para el diseño. Si seleccionas ‘entrada’, todas las temperaturas respectivas del fluido se redefinirán como temperaturas del fluido en la entrada, y lo mismo ocurrirá con las temperaturas ‘media’ y ‘salida’.
En el perfil de temperatura que se muestra a continuación, se lleva a cabo una simulación con cuatro pozos de 100 m y un caudal variable, con una diferencia de temperatura constante de 3 °C entre la entrada y la salida del pozo. Se puede observar que, con una temperatura media mínima del fluido de 0,46 °C, el fluido se mantiene holgadamente dentro de los límites. Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, esto no significa que la temperatura mínima absoluta del fluido no supere el umbral de los 0 °C. Por lo tanto, se lleva a cabo una simulación utilizando la temperatura del fluido en la entrada.
Cuando se lleva a cabo la misma simulación utilizando las temperaturas del fluido de entrada, la temperatura del fluido desciende ahora hasta los −1,04 °C. Como se ha mencionado anteriormente, las temperaturas de entrada son siempre las más bajas del sistema, por lo que, aunque la temperatura media del fluido sea positiva, la temperatura de entrada puede seguir siendo negativa. Si desea que la temperatura mínima absoluta (y, a la inversa, la máxima) se mantenga dentro de ciertos límites, utilice las temperaturas del fluido de entrada.
Por último, a continuación se muestran las temperaturas del fluido de salida. Solo bajan hasta 1,96 °C, por lo que son las temperaturas más optimistas.
Es evidente que el tipo de fluido utilizado en la simulación influirá, por supuesto, en la longitud total necesaria del pozo. Este tema se tratará en las siguientes secciones.
Conclusión
En este artículo se analizan las tres temperaturas diferentes del fluido (media, de entrada y de salida). La temperatura media del fluido se utiliza habitualmente en el diseño de campos de perforación, ya que está directamente relacionada con la temperatura de la pared del pozo a través de la resistencia térmica efectiva del pozo. Sin embargo, esto no garantiza que las temperaturas absolutas mínima y máxima del fluido se encuentren dentro de los límites establecidos. Para garantizarlo, deben utilizarse las temperaturas del fluido a la entrada. Las temperaturas del fluido a la salida pueden utilizarse para garantizar que la bomba de calor pueda suministrar su potencia nominal.
A partir de estas consideraciones, en los siguientes capítulos se analizará el cálculo del tamaño necesario del campo de perforación.
Referencias
- Legislación en Bruselas: Lista de comprobación (NL)
- Legislación en los Países Bajos: 11 000 BRL Protocolo 11 001 (páginas 61-62)
- Legislación en Suiza: SIA 384/6, apartado 3.1.1.2