18.11.13

APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO (II)

5 DISEÑO DE UNA INSTALACIÓN GEOTÉRMICA
5.1 Fundamentos del aprovechamiento geotérmico superficial
En geología “superficial” designa la zona que cubre desde la superficie terrestre hasta unos pocos cientos de metros de profundidad (por regla general aprox. 400 m). Se trata de la zona que puede abarcarse con los colectores geotérmicos, los pilotes energéticos y las sondas geotérmicas.
En la fig. 39 está representado el nivel de temperaturas a lo largo del año hasta una profundidad de 20 m. Se puede apreciar que, a una profundidad de 1,2 - 1,5 m, las temperaturas oscilan entre los 7 y los 13 °C a lo largo del año y que, a aprox. 18 m de profundidad, la temperatura se mantiene constante a unos 10 °C. Por regla general, esta temperatura aumenta unos 2 - 3 °C por cada 100 m.
A 100 m de profundidad la temperatura alcanza habitualmente aprox. 12 °C y a 200 m, aprox. 15 °C.
Dicho nivel de temperatura se puede aprovechar de forma muy efectiva para fines de calefacción, con ayuda de una bomba de calor, o para fines de refrescamiento, ya sea por medio del refrescamiento directo o con el refuerzo de una máquina frigorífica.
A la hora de dimensionar una instalación geotérmica se debe distinguir entre la potencia de calefacción y refrescamiento instantánea y la capacidad de calefacción y refrescamiento anual posible. Debido a que la conductividad térmica del suelo está limitada a aprox. 1-3 W/ mK, una instalación geotérmica sólo puede operar puntualmente con grandes potencias de consumo, utilizando para ello el entorno de los tubos y sondas como almacén intermedio de calor que es regenerado con un desfase a partir del flujo geotérmico procedente del interior de la Tierra, que se cuantifica en tan solo 0,015 a 0,1 W/m*K.
En el caso de instalaciones de pequeñas dimensiones, con una potencia térmica de hasta 30 kW, la Directriz 4640 de VDI señala unas sencillas reglas para el dimensionamiento, de las cuales la más importante se reproduce también en la presente Información técnica. Para instalaciones de mayores dimensiones es recomendable realizar un cálculo más preciso, tomando como base el estudio del suelo (Test de Respuesta de Terreno).

Nivel de temperaturas anual a distintas profundidades del subsuelo
Meses en el diagrama de la fig. 39
Curva 1 = 1 de febrero
Curva 2 = 1 de mayo
Curva 3 = 1 de noviembre
Curva 4 = 1 de agosto


5.2 Efectos sobre el medio ambiente
En el caso de las bombas de calor acopladas a colectores geotérmicos, la elección de unos colectores demasiado pequeños puede tener efectos localizados sobre la vegetación (prolongación del periodo frío).
Un infradimensionamiento generalmente trae consigo unas temperaturas más bajas en el foco frío y, con ello, un COP más reducido. En casos extremos se pueden producir en el foco frío temperaturas por debajo de los límites operativos inferiores de la bomba de calor.
También en el caso de las bombas de calor acopladas a sondas geotérmicas, la elección de unas sondas infradimensionadas puede traer consigo, en régimen de plena carga, durante breves espacios de tiempo temperaturas en el foco frío muy bajas, hasta llegar al límite operativo de la bomba de calor. Además, este infradimensionamiento puede causar a largo plazo temperaturas en el foco frío que van descendiendo de un periodo de calefacción a otro, a menos que no se procure una regeneración suficiente a lo largo del tiempo.
5.3 Elección entre sonda, colector y pilote energético
El punto de partida para la elección del sistema es siempre la potencia del evaporador, es decir, el calor a captar del subsuelo o, en el caso de una aplicación de refrescamiento, el calor a aportar al mismo.
Durante el proyectado se debe elegir la fuente de calor más favorable para el emplazamiento y adaptar a la misma el sistema de calefacción, así como los restantes componentes de la instalación. Los dos sistemas más frecuentes son:
- captadores horizontales del calor del subsuelo (colectores geotérmicos) o
- captadores verticales del calor del subsuelo (sondas geotérmicas, pilotes energéticos).
La decisión entre captadores horizontales y verticales viene determinada por las condiciones geológicas del emplazamiento, el espacio disponible y las características de la edificación.
Los criterios técnicos más importantes de la instalación son:
- potencia de diseño de la instalación de foco frío
- potencia de evaporación de la bomba de calor (se calcula p.ej. a partir de la potencia de calefacción y del COP)
- horas anuales de funcionamiento u horas a plena carga
- carga punta (“peak load”) del foco frío
El correcto conocimiento de la geología e hidrogeología del terreno permite inferir las características térmicas e hidráulicas del subsuelo, permitiendo así elegir la técnica de captación más favorable.
5.4 Dimensionamiento y colocación de colectores geotérmicos
El dimensionamiento de los colectores geotérmicos está descrito en la directriz 4640 de VDI. A continuación se resumen los aspectos más destacados de la misma.
5.4.1 Dimensionamiento
Los datos de entrada para el dimensionamiento de una instalación de colector geotérmico combinada con una bomba de calor son
- demanda calorífica y coeficiente de prestación de la bomba de calor, del que se deriva la potencia del evaporador
- caudal volumétrico de la bomba de calor (tomado los datos técnicos de la misma)
- capacidad térmica específica del terreno
El dimensionamiento de la bomba de calor se debe realizar con mucha precisión. Por esta razón habrá que consultar a un fabricante de bombas de calor, para poder asignar el coeficiente de prestación (COP) a la potencia de calefacción calculada y al régimen de funcionamiento.
De esta forma, la potencia del evaporador se calcula como sigue:
Potencia del evaporador = Potencia de calefacción x (Coeficiente de prestación-1)/Coeficiente de prestación
Ejemplo:
Potencia de calefacción: 12 kW
Coeficiente de prestación ( COP ): 4
12 kW x (4-1)/4= 9 kW
Como se desprende de la Tabla 6, la capacidad térmica específica del terreno depende del tiempo de funcionamiento anual:


Ejemplo:
Potencia del evaporador: 9 kW
Horas de funcionamiento: 1800 h/a
Subsuelo: cohesivo, húmedo
De allí resulta:
Calor específico de extracción: 25 W/m²
superficie del colector geotérmico (m2) = Potencia del evaporador (W)/Calor específico de extracción (W/m²)
Superficie del colector geotérmico = 360 m²
La elección de la dimensión de tubo depende de la capacidad térmica que debe poder aportar el subsuelo:
Cuanto mayor es la capacidad térmica, mayor es el caudal volumétrico requerido para una diferencia de temperaturas entre la impulsión y el retorno dada y mayor es la dimensión de tubo necesaria. La Tabla 7 ofrece una referencia.


La separación entre los tubos de colector tendidos recomendada en la directriz VDI 4640 es de 50-80 cm.
Para una separación de tendido elegida de 75 cm (0,75 m) y dada la relación
Cantidad de tub o = Superficie de colector geotérmico (m²)/Separación de tendido (m)
resulta una longitud de tubo de 480 m.
Nota: No se debe superar el calor de extracción (ni la potencia ni el trabajo), porque de lo contrario la formación de hielo por principio deseable en la zona de la tubería resulta excesiva y las “envolventes” de hielo se unen entre sí. Durante el periodo de deshielo en primavera esto dificultará considerablemente la filtración del agua de lluvia y de deshielo, que contribuyen también considerablemente al calentamiento del suelo.
Como el colector geotérmico altera el nivel de temperatura del subsuelo, se deberán tender los tubos a una distancia suficiente de árboles, arbustos y plantas delicadas. La distancia de tendido con respecto a otras conducciones de suministro y de los edificios será de 70 cm. Cuando la distancia sea menor se deberán proteger las conducciones con un calorifugado suficiente.
Los colectores geotérmicos sólo se podrán utilizar para el refrescamiento directo de edificios si se cumplen determinadas condiciones previas:
- Corriente freáticas: distancia < 0,5 m con respecto a subsuelo con conductividad térmica 2,5 - 3 W/mK - Temperatura de las aguas freáticas en verano < 12 °C Las cargas punta de refrescamiento se pueden cubrir también por medio de una máquina frigorífica acoplada al subsuelo. Debido al riesgo de que la pérdida de carga se vuelva demasiado grande, la longitud del ramal de tubo no deberá superar los 100 m. 5.4.2 Colocación
De acuerdo con la directriz VDI 4640, en las instalaciones de colector geotérmico los tubos se deberán enterrar a 1,2 - 1,5 m de profundidad y con una separación entre sí de 50-80 cm.
La regeneración de los colectores geotérmicos se realiza principalmente desde arriba, a partir de las radiaciones solares y las precipitaciones. El flujo geotérmico es este caso comparativamente reducido. Por esta razón, ¡no se deberá construir por principio encima de los colectores ni situarse los mismos debajo de superficies impermeabilizadas!
Las excepciones a esta regla se deberán confirmar mediante un cálculo. Una posibilidad es p.ej. cuando se utiliza el colector geotérmico tanto para la calefacción como para el refrescamiento, con lo cual cada uno de estos modos operativos contribuye a la regeneración del terreno. Se deberá vigilar, en particular cuando se efectúe el tendido debajo de edificios, que la temperatura de funcionamiento no alcance el límite de congelación, porque de lo contrario el edificio puede resultar dañado por levantamientos del terreno, etc.
Para instalar el tubo RAUGEO collect se puede utilizar tanto el tendido en zanja como el tendido de superficie. En el caso del tendido en zanja se excava con una excavadora un lado de la zanja, se tiende el tubo y se rellena la zanja con el lado contrario de la misma (ver la fig. 40).


El tendido de superficie consiste en disponer la superficie completa del colector sobre un plano horizontal.
Nota: El material excavado sólo se podrá reutilizar si los tubos son PE-Xa. Para instalar tubos de PE-100 se deberá utilizar arena. Véase el apdo. 4.6.
No tender los tubos distribuidores de PE-Xa sobre un lecho de grava o gravilla, porque las bolsas de aire reducen la conductividad. Por esta razón, con este tipo de suelos se debe verter alrededor de los tubos suelo fino, que garantice la absorción de la humedad. Utilizando tubos de PE-Xa no es necesario controlar la presencia de piedras en el suelo.
Los tipos de tendido habituales están representados en las figuras 41-43.
El tipo de tendido helicoidal de la fig. 41 se puede utilizar para un tendido de superficie. El tipo de tendido del doble meandro de la fig. 42 y el tipo Tichelmann de la fig. 43 son especialmente adecuados para el tendido en zanja.


Cálculo de la superficie colectora y de la longitud de tubo colector requerida para un COP de la bomba de calor de 4 (0/35), una capacidad térmica de 25 W/m² y una separación de tendido de 0,6 m:


5.4.3 Montaje de los colectores geotérmicos
Paso de montaje 1
- Elegir la ubicación de los distribuidores en el punto más alto de la instalación de colector.
- Los distribuidores pueden ser instalados en arquetas de plástico, eventualmente provistas de una cubierta translúcida.
Nota: Tapar las cubiertas translúcidas en caso de irradiación solar, porque las tuberías deben quedar protegidas contra los rayos UV.
- Conectar las tuberías al distribuidor y al colector siguiendo el método Tichelmann. Véase el apdo. 5.7.
Paso de montaje 2 Tendido de superficie
- Extender los tubos, alinearlos y fijarlos con piquetas.
- Es fundamental respetar los radios de curvatura del PE-Xa y del PE- 100 (véase el apdo. 2 Tabla 1).
Paso de montaje 3
- Una vez cubiertos los tubos con el material excavado o la arena retirar nuevamente las piquetas.
Nota: Los tubos RAUGEO collect PE-100 se deben colocar sobre un lecho de arena.
Paso de montaje 4
- Llenar la tubería con el fluido caloportador previamente mezclado (el fabricante de la bomba de calor le especificará la proporción de anticongelante y agua). Su punto de congelación debería estar a unos 7 K por debajo de la temperatura mínima del evaporador.
- Barrer las tuberías hasta que queden libres de aire, situando un recipiente abierto debajo de un extremo de las mismas.
- La prueba de presión de la tubería y de los componentes de la instalación (distribuidor, tuberías de conexión, etc.) se realiza con 1,5 veces la presión de servicio.