Estimación de la longitud de un sondeo geotérmico

En fase de anteproyecto, necesitamos estimar órdenes de magnitud, para poder comparar soluciones. Cuando planteamos la posibilidad de ejecutar instalaciones de climatización mediante geotermia de baja temperatura, resulta útil estimar la longitud necesaria de los sondeos para evaluar su impacto económico.

Proceso de cálculo detallado

El procedimiento de cálculo detallado de la longitud del pozo o sondeo geotérmico se resumiría en la figura siguiente:

En instalaciones de hasta 30 kW podemos obviar el ensayo de respuesta térmica del terreno. Aun así, en instalaciones donde todavía no se ha decidido la solución, el proceso resulta largo y costoso, y por tanto poco práctico.

Pre-dimensionamiento rápido del sondeo

Si nuestra intención es obtener un orden de magnitud para evaluar la inversión a priori, podemos optar por simplificar el modelo de acuerdo con el siguiente esquema:

Esta estimación nos permitirá saber a qué nos enfrentamos, reduciendo el coste de ingeniería. Pero no debemos confundir su resultado con una justificación válida. La solución final deberá basarse siempre en el cálculo detallado como el expuesto en el apartado anterior.

Ejemplo de pre-dimensionamiento de los sondeos geotérmicos

Voy a exponeros el método propuesto siguiendo un ejemplo. Nos piden que estudiemos la viabilidad de instalar climatización por geotermia de baja temperatura con sondeos para una escuela infantil. La escuela se encontrará en zona climática C1 (península ibérica) y tendrá 1.800 m² útiles calefactados. El nivel de aislamiento es bueno, ya que la construcción es posterior a la entrada en vigor del Código Técnico.

Paso 1. Estimación de la carga térmica

De acuerdo con la experiencia, en zona climática C1 y para edificios bien aislados, podemos estimar una carga térmica de calefacción del orden de 40 – 60 W por m². Consideraremos 60 W/m², así obtenemos una carga térmica de:

Q = 1.800 m² x 60 W/m² = 108.000 W = 108 kW

Paso 2. Elección de la bomba de calor geotérmica

Atendiendo a la carga térmica demandada, y para favorecer la parcialización de la potencia y la fiabilidad del sistema, escogemos dos bombas de calor geotérmicas una de 70 kW y otra de 40 kW, sumando un total de 110 kW instalados de potencia térmica.

En las fichas técnicas de los equipos, vemos que el COP de las bombas de calor geotérmicas en condiciones B0W35 es de 4,6. Debemos aclarar que las condiciones B0W35 corresponden con temperatura de la solución anticongelante que circula por el pozo de 0ºC y temperatura del agua de calefacción de 35ºC. Estas condiciones son adecuadas para el uso de suelo radiante, si prevemos temperaturas más exigentes, esto penalizará el rendimiento de la máquina.

Paso 3. Estimación de las características del terreno

Pasaremos a estimar directamente cuanto calor vamos a obtener de cada m de sonda insertado en el pozo. Podemos acudir al modelo simplificado de la norma alemana VDI 4640. Os recuerdo que con el método simplificado podemos tantear, pero la norma exige ensayo de respuesta térmica siempre que tengamos más de 30 kW.

En función de las características del terreno y de las horas previstas de funcionamiento anual obtenemos el valor de la capacidad térmica específica a partir de la tabla siguiente:

Respecto a las clasificaciones del suelo, atendemos a lo indicado por la norma:

• Suelo inadecuado: Suelo pobre, sedimentos secos, con baja conductividad.
• Suelo normal: Rocoso y con sedimentos saturados con agua.
• Suelo con elevada conductividad: Roca consolidada con elevada conductividad térmica.

En nuestro caso, y atendiendo a la información obtenida visto el terreno in situ, elegimos suelo normal y funcionamiento 1800 h/año, obteniendo un valor de capacidad térmica específica de 60 W/m.

En zonas de elevada severidad climática debemos elegir 2.400 h/año, para evitar la congelación del terreno alrededor de los pozos.

Paso 4. Cálculo de la longitud total del sondeo

Para obtener la longitud total del sondeo, lo primero es estimar el calor a obtener del terreno. Este dato coincide con el calor absorbido por las bombas de calor en el evaporador. Lo calculamos con la fórmula siguiente:

Potencia evaporador = [Carga térmica x (COP-1)] / COP

En nuestro caso sería:

Potencia evaporador = [ 110.000 W x (4,6 – 1) ] / 4,6 = 86.087 W

Una vez obtenida la potencia en el evaporador, calculamos la longitud total del sondeo (o lo que es lo mismo, la suma de las profundidades de todos los pozos), como:

Longitud total = Potencia del evaporador / Capacidad térmica específica

Obteniendo para el ejemplo:

Longitud total de las sondas = 86.087 W / 60 W/m = 1.435 m

Para conocer el número de pozos, vemos las longitudes estándar de sondas geotérmicas. Recomiendo la utilización de sondas dobles o de doble U. En el catálogo del fabricante con el que queremos fabricar encontramos sondas de 150m y de 162m, optamos por 150m, que es una longitud más estándar:

Número de pozos = 1.435m / 150m = 10 (aproximado al entero superior)

Conclusiones

Una vez estimado el número de pozos, podremos valorar el coste diferencial de la solución con bombas de calor geotérmica.

Insisto en que el método expuesto no nos vale para justificar el cálculo de proyecto. Para instalaciones de más de 30 kW de calor debemos siempre valorar la conveniencia de realizar un test de respuesta térmica del terreno, y adaptar los resultados del cálculo en función del mismo.

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