U D 02.Sondas geotérmicas
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1
INTEGRACIÓN DE SISTEMAS ENERGÉTICOS
CON APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
INDICE
1 – Sondas Geotérmicas 3
1.1.1.– Aprovechamiento geotérmico superficial 3
1.1.2.– Elección del sistema de captación 4
1.1.3.– Dimensionado de colectore geotérmicos 5
1.1.4.– Montaje de colectores geotérmicos 7
1.1.5.- Dimensionado de sondas geotérmicos en pequeñas instalaciones 10
1.1.6.- Dimensionado de sondas geotérmicos en grandesinstalaciones 12
1.1.7.- Perforación 12
1.1.8.– Montaje de sondas geotérmicas 34
1.1.9.- Dimensionado y montaje de pilotes energéticos 36
1.1.10. - Montaje de los distribuidores 39
1.1.11. - El fluido caloportador 40
1.1.12. - El relleno 42
1.1.13. Ensayo de tést de respuesta térmica del terreno ( TRT) 43
1.1.14. Bibliografia 56
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
– Sondas Geotérmicas
1.1.1. Aprovechamiento geotérmico superficial
Al definir geotermia superficial, nos
referimos a la zona que cubre desde la
superficie terrestre hasta unos pocos cientos de
metros de profundidad, aproximadamente 200
m. Está es la zona en que pueden ubicarse los
colectores geotérmicos, los pilotes energéticos
y las sondas geotérmicas (figura 1).
En esta zona el terreno se comporta de
diferente forma en función de su profundidad.
Así, en los primeros 5 metros existe una clara
influencia de la radiación solar y de las
condiciones climatológicas de la zona, entre los
5 y 20 metros, la influencia es compartida por
los fenómenos anteriores y el propio calor
procedente del magma, es a partir de esta
profundidad, 20 metros, cuando realmente el
aprovechamiento geotérmico procede
íntegramente del calor del núcleo terrestres.
Figura 1 Aportes de energía geotérmica (VDI 4640 parte 1)
En la figura 2 se representa el nivel de
temperaturas a lo largo del año hasta una
profundidad de 20 m. Se aprecia que, a una
profundidad de aproximadamente 1 m, las
temperaturas oscilan entre los 7 y los 13 °C a lo
largo del año y que, aproximadamente a 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 esta profundidad la temperatura
alcanza habitualmente entre 15 °C y 18 °C
(figura 3).
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 2 Temperaturas anual a distintas profundidades
del terreno
Figura 3 Evolución de la temperatura a distintas profundidades
del terreno
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 de modo
directo o con el refuerzo de una máquina
frigorífica.
1.1.2. Elección del sistema de captación
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. Dado 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 0,05 a
0,12 W/m2.
En el caso de instalaciones de pequeñas
dimensiones, con una potencia térmica de
hasta 30 kW, la Norma VDI-4640 señala unas
sencillas reglas para su dimensionado, parte de
las cuales incluimos también en el presente
texto. Para instalaciones de mayores
dimensiones es imprescindible realizar un Test
de Respuesta de Térmica, que nos permita
conocer la conductividad del terreno.
En el caso de las bombas de calor acopladas a
captadores geotérmicas, la elección de unos
captadores demasiado pequeños puede tener
efectos localizados sobre la vegetación
(prolongación del periodo frío), el rendimiento
de la instalación, e incluso sobre la garantía de
servicio de la misma.
Un infradimensionado generalmente trae
consigo unas temperaturas más bajas en el
foco frío y, con ello, un COP/EER 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.
Además, este infradimensionado puede
causar a largo plazo temperaturas en el foco
frío que van descendiendo de un periodo de
calefacción a otro, debidas al enfriamiento
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
progresivo del terreno, sin que se pueda
corregir a menos que se efectué una
regeneración suficiente a lo largo del tiempo,
periodo de inactividad.
El punto de partida para la elección del
sistema de captador a emplear, 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 la realización del proyecto, 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 (colectores
geotérmicos)
captadores verticales (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. Debiendo tener presente los fines
previstos sobre la utilización posterior del
terreno, de forma que no interfirieran en el
normal funcionamiento del sistema geotérmico.
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
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
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
1.1.3. Dimensionado de colectores geotérmicos
El dimensionado de los colectores
geotérmicos se describe en la norma VDI-4640
parte 2., resumiendo a continuación los
aspectos más destacados de la misma.
Los datos de entrada para el dimensionado
de una instalación de colector geotérmico
combinada con una bomba de calor son:
Demanda calorífica y rendimiento de la
bomba de calor, del que se deriva la
potencia del evaporador
Caudal volumétrico de la bomba de
calor
Capacidad térmica específica del
terreno
El dimensionado de la bomba de calor
se debe realizar con mucha precisión. Por esta
razón habrá que conocer previamente la bomba
de calor elegida, para poder asignar el
rendimiento (COP) a la potencia de calefacción
calculada y al régimen de funcionamiento. De
esta forma, la potencia del evaporador se
calcula como sigue:
Como se desprende de la Tabla 1, la capacidad
térmica específica del terreno depende de su
conductividad y del tiempo de funcionamiento
anual.
Tipo de suelo Capacidad térmica del terrenoPara 1800 horas Para 2400 horas
Suelo no cohesivo, seco 10 W/m2 8 W/m2
Suelo cohesivo, húmedo 20-30 W/m2 16-24 W/m2
Suelo de grava o arena saturado de agua
40 W/m2 32 W/m2
Tabla 1 Fuente: VDI 4640
Partiendo de las horas previstas de
calefacción, y una vez conocida la potencia de
evaporador y el tipo de terreno,
determinaremos la superficie del colector
geotérmico, mediante la siguiente expresión.
Donde:
Scg: Superficie de colector en m2
Pev: Potencia del evaporador en W
Cte: Capacidad térmica de extracción en
W/m2
Tras obtener la superficie del colector
geotérmico, deberemos definir el tipo y la
longitud de la tubería que vamos a emplear.
Para ello nuevamente nos basaremos en la
norma VDI-4640, la cual recomienda una
separación entre tubos, comprendida entre 0,50
y 0,80 m.
Basándonos en la citada norma,
determinaremos la longitud del tubo mediante
la siguiente expresión:
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Donde:Lt: Longitud de tubo en m
Scg: Superficie del colector
geotérmico en m2
St: Separación entre tubos en m
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. En la Tabla 2
se ofrece una referencia práctica.
Tipo de suelo
recomendado
Suelo no cohesivo, seco 20 mm
Suelo cohesivo, húmedo 25 mm
Suelo de grava o arena saturado de agua
32 mm
Tabla 2: Dimensiones de tubo
A la hora de definir las condiciones de
trabajo, no se debe superar el calor de
extracción previsto (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 de forma importante 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 deberá ser 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:
Corrientes 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.
1.1.4. – Montaje de colectores geotérmicos
De acuerdo con la norma VDI 4640, en
las instalaciones de colector geotérmico los
tubos se deberán enterrar a 1,2 - 1,5 m de
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
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 en este
caso comparativamente reducido. Por esta
razón, no se deberá construir encima de los
colectores ni situar 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 de polietileno 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. 4).
Figura 4 Tendido en zanja
El tendido de superficie consiste en
disponer la superficie completa del colector
sobre un plano horizontal, ver la fig. 5.
Figura 5 Tendido en superficie
Es importante tener en cuenta que el
material excavado sólo se podrá reutilizar si los
tubos son PE-Xa. Para instalar tubos de PE-
100 se deberá utilizar arena.
No se debe 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 un material 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 tubos de polietileno se suministran
habitualmente en bobinas de 100 m. La
superficie colectora debe estar proyectada de
forma que cada tramo de tubo tenga la misma
8
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
longitud. De esta forma se previenen laboriosos
trabajos de regulación en el distribuidor.
En el caso del tendido de
superficie se pueden fijar los tubos mediante
los elementos auxiliares para la colocación del
fabricante, que permiten realizar de forma
sencilla módulos de tubos.
A continuación podemos apreciar
algunos de los tipos de tendido habituales, que
están representados en las figuras 6-8. El tipo
de tendido helicoidal de la fig. 6 se puede
utilizar para tendido de superficie. El tipo de
tendido del doble meandro de la fig. 7 y el tipo
Tichelmann de la fig. 8 son especialmente
adecuados para el tendido en zanja.
Figura 6 Tendido helicoidal
Figura 7 Tendido en doble meandro
Figura 8 Tendido en retorno invertido o Tichelmann
Ejemplo de montaje
Pasos de montaje
Ubicar los distribuidores en el punto
más alto de la instalación de colector.
Los distribuidores pueden ser
instalados en arquetas provistas de una
cubierta, preferentemente no
translucidas para proteger a las
tuberías de los rayos UV.
Conectar las tuberías al distribuidor y
al colector siguiendo el método
Tichelmann.
Extender los tubos, alinearlos y fijarlos
con piquetas.
Es fundamental respetar los radios de
curvatura del PE-Xa y del PE-100
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Una vez cubiertos los tubos con el
material excavado o la arena, retirar las
piquetas.
Los tubos PE-100 se deben colocar
sobre un lecho de arena.
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. Normalmente se
aconseja proteger la instalación hasta:
-15ºC
Realizar la purga de las tuberías
mediante un barrido de las mismas
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.
Ejemplo de cálculo.
Edificio con unas necesidades de calefacción de 10 kW, siendo su periodo de calefacción de
2380 horas anuales, y en el que se desea instalar una bomba de calor geotérmica con un COP de 4,2.
El tipo de subsuelo existente es saturado con agua. Determinar el colector geotérmico, si la separación
entre tubos es de 0,50 m.
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Por lo tanto necesitaremos 476,187m de tubería de PE-Xa de 32 x 2,9mm
1.1.5. - Dimensionado de sondas geotérmicos en pequeñas instalaciones
Al dimensionar las sondas geotérmicas
para trabajar con bombas de calor son también
determinantes la capacidad térmica de la sonda
y la potencia del evaporador. En la Tabla 3 se
resumen los valores que se pueden utilizar para
pequeñas instalaciones, de menos de 30 kW,
para el modo de calefacción mediante bombas
de calor y para longitudes máximas de sonda
de 100 m, de acuerdo con la norma VDI 4640
parte 2.
Los tipos de suelo que influyen de
forma determinante sobre la capacidad térmica
de la sonda geotérmica pueden ser conocidos o
bien por un servicio geológico o por la empresa
de perforaciones, o también haber sido
determinadas por dicha empresa al tomar
testigos.
SUBSUELO
EXTRACCIÓN DE CALOR ESPECÍFICA
(w/m)Para 1800 h Para 2400 h
Valores generales:
Terreno malo (sedimento seco) (λ < 1,5 W/(m.K) 25 20
Terreno duro normal y sedimentos saturados de agua (λ = 1,5-3,0 W/(m.K) 60 50
Roca consolidada con conductividad térmica elevada (λ > 3,0 W/(m.K) 84 70
Rocas Individuales:
Grava, Arena, secas <25 <20
Grava, Arena, saturadas de agua 65-80 55-65
Flujo de aguas subterráneas elevado en arenas y gravas (para sistemas individuales) 80-100 60-100
Arcilla, marga, húmedas 35-50 30-40
Caliza (masiva) 55-70 45-60
Rocas magmáticas silíceas (ej.: Granito) 65-85 55-70
Rocas magmáticas básicas ( ej.: Basalto) 40-65 35-65
Gneis 70-85 60-70
Tabla 3: Capacidades térmicas específicas de sondas geotérmicasFuente: VDI 4640 - Parte 2. Thermal use of underground. Verein Deutscher Ingenieure
Ejemplo de cálculo.
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UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Edificio con unas necesidades de calefacción de 10 kW, siendo su periodo de calefacción de
2380 horas anuales, y en el que se desea instalar una bomba de calor geotérmica con un COP de 4,2.
El tipo de subsuelo existente es terreno duro normal y sedimentos saturados de agua. Determinar la longitud
de la sonda geotérmica.
En este caso optaremos por colocar dos sondas de 80 m simple U 40mm
1.1.6. - Dimensionado de sondas geotérmicos en grandes instalaciones
En instalaciones de calefacción de
mayores dimensiones, con potencias de
calefacción de la bomba de calor superiores a
30 kW o con un uso adicional del foco frío (por
ejemplo, para refrescamiento), se deberá
realizar un cálculo más preciso. Como base
para ello se deberá determinar la demanda de
calefacción y refrescamiento del edificio. Las
demandas de calefacción y refrescamiento
distribuidas a lo largo del año, pueden ser
obtenidas con ayuda de un programa de
simulación.
Para el dimensionado de la instalación
de sonda, si la situación geológica o
hidrogeológica resulta poco clara, se deberán
tomar testigos. En caso necesario se realizarán
mediciones geofísicas de dicho testigo o se
medirá la capacidad térmica del subsuelo
mediante un “Test de Respuesta Térmica”.
Esta última opción es la más acertada,
siempre que la decisión final de ejecutar la
instalación sea firme, dado que la realización
de la perforación no incrementaría el coste de
la instalación, sino que por el contrario nos
permitiría determinar, con un mínimo margen
de error, el número de metros de tubería a
emplear
A partir de los resultados se podrá
calcular, asimismo con un programa de
simulación, la capacidad térmica anual posible
en función de un tiempo de funcionamiento a
determinar de la instalación.
1.1.7. - Perforación
12
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Se pueden definir los sondeos como
perforaciones que se realizan en el terreno con
el objeto de proceder a una captación en el
subsuelo.
Inicialmente se llamaban pozos
exclusivamente a las excavaciones de gran
diámetro y escasa profundidad efectuadas en
terrenos blandos, fundamentalmente de forma
manual, con el fin de extraer agua subterránea.
El termino sondeo correspondía a aquellas
perforaciones, generalmente realizadas con
maquinaria, con menor diámetro y mayor
desarrollo en profundidad, independientemente
de que se tratara de sondeos de investigación o
de explotación.
El objetivo de este texto es exponer los
distintos aspectos relativos a la construcción de
sondeos que incluyen, además de las
cuestiones técnicas, otras asociadas a las
mismas como son las legales, de prevención de
riesgos laborales, de protección
medioambiental y económicas que forman un
conjunto interrelacionado.
La construcción de pozos y sondeos se
sitúa como una fase mas dentro de un proyecto
de instalación geotérmica, en el cual deben de
establecerse unas pautas, a saber:
estudio hidrogeológico
realización del sondeo
equipamiento mecánico
puesta en marcha
Las dos primeras etapas corresponden
tanto a sondeos de explotación como a los de
investigación y las dos ultimas son exclusivas
de los sondeos de explotación.
Estudio hidrogeológico
Esta etapa es básica y sin duda la más
importante dentro de un proyecto geotérmico.
La calidad en estos estudios previos condiciona
totalmente el éxito en el conjunto del proyecto
y, paradójicamente, en muchas ocasiones no
recibe el tratamiento adecuado.
Los resultados obtenidos en este
estudio son la base para realizar el diseño de la
perforación (ubicación, geometría de acuíferos,
niveles piezométricos, materiales esperados,
etc.). De hecho, estos resultados constituyen la
justificación de la construcción de pozos y
sondeos y nunca debería ejecutarse una obra
de estas características sin la realización previa
de un estudio hidrogeológico.
La falta de estudio hidrogeológico
puede dar lugar a realizar costosas inversiones
en construcción de sondeos con resultados
negativos, cuando estos estudios representan
costes muy bajos con respecto a los
presupuestos de una obra de perforación.
Los trabajos realizados en un estudio
hidrogeológico están apoyados en algunas
ocasiones, por sondeos de investigación
geológica.
De esta forma a veces las distintas
etapas del proyecto de una perforación que se
han definido anteriormente se solapan entre si
(estudio hidrogeológico - construcción de
sondeos de investigación).
Como resultado del estudio
hidrogeológico se obtienen una serie de datos
de partida que sirven de base para la
elaboración del proyecto constructivo. Entre
estos datos cabe destacar:
Ubicación del pozo o sondeo.
Accesos, suministros de agua y energía
y condicionantes territoriales
13
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
(medioambientales, espacios naturales
protegidos, zonas húmedas, red
eléctrica, vías de transporte, etc.).
Existencia de acuíferos subterráneos y
estimación del caudal de agua y
rendimiento especifico de la captación.
Consideraciones y recomendaciones
para el diseño y seguimiento de la obra.
Realización del sondeo
Cabe destacar que para acometer esta
fase es imprescindible contar de partida con un
estudio hidrogeológico adecuado sobre el que
elaborar el proyecto constructivo de la obra,
tanto si se trata de sondeos de investigación
como de sondeos de aprovechamiento. Con el
fin de obtener un rendimiento optimo en el
sondeo es imprescindible garantizar la calidad
en la ejecución de la obra. El control de calidad
deberá ser realizado por técnico competente
con el objeto de garantizar que la realización de
la misma sea acorde a las previsiones de
diseño plasmadas en el proyecto constructivo,
entre ellas la aplicación correcta del método de
perforación seleccionado.
Equipamiento
El equipamiento del sondeo permite la
cesión o admisión del calor del subsuelo para
su aprovechamiento efectivo. En la actualidad
se utiliza una amplia variedad de sondas de
captación, por lo cual se debe tener en cuenta
el sistema utilizado, al objeto de realizar un
sondeo con diámetro suficiente para la correcta
instalación de las sondas y equipos de control.
Puesta en servicio
Una vez realizadas correctamente
todas las etapas anteriores dispondremos de
un sondeo de captación geotérmica, con la
optimización de los recursos empleados.
Método de perforación
La selección del método de perforación
esta relacionada, además de con la
profundidad y diámetro del sondeo que ya se
ha indicado, con la litología del terreno a
perforar.
Al igual que la profundidad de
perforación, las características litológicas del
terreno a atravesar son datos de partida que se
obtienen como resultado del estudio
hidrogeológico previo.
La litología del subsuelo no solamente
determina las posibilidades hidrogeológicas en
cuanto a la presencia o no de acuíferos
explotables para captación de agua
subterránea, sino que además condiciona
totalmente el método a emplear en una obra de
perforación, puesto que este método es función
de la perforabilidad de los materiales a
atravesar.
Esta perforabilidad viene definida por
ciertas características físicas de la roca entre
las que destaca en primer lugar su resistencia
mecánica así como otros parámetros tales
como dureza, facturación, carstificación,
coherencia, etc.
De entre todos los parámetros
geomecánicos que nos proporcionan
información sobre la perforabilidad de un
terreno el mas representativo es el de su
resistencia mecánica caracterizada por el
ensayo a compresión simple.
El dato de litología y estructura del
terreno es doblemente interesante pues
14
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
además de incidir en el proceso de selección
del sistema de perforación también permite
planificar en fase de proyecto las distintas
entubaciones que se consideran necesarias
para alcanzar la profundidad de diseño con el
diámetro adecuado.
Los factores de profundidad y litología
son tan importantes para el diseño de un
sondeo en la fase de proyecto que si no están
suficientemente definidos será preciso efectuar
sondeos previos de investigación
hidrogeológica.
La perforación en roca con el propósito
de fragmentarla se ha intentado por muchos
métodos y con diferentes formas de energía
(mecánica, térmica, química, hidráulica, etc.),
pero de todos esos métodos, las técnicas
convencionales basadas en la percusión y en la
rotación siguen siendo hoy en día las más
eficaces.
La perforación a percusión engloba
todas aquellas formas de fragmentar una roca
por impacto de un útil, de filo más o menos
agudo, sobre la misma.
A continuación veremos algunos de los
sistemas de perforación más utilizados,
comprobando los campos para los que son
adecuados cada uno.
SISTEMAS DE PERFORACION
Rotación con testigo continuo
Esta técnica de perforación es la mas adecuada y utilizada en sondeos de investigación hidrogeológica, puesto que la recuperación del testigo (figura 9) de roca de forma continua permite obtener datos acerca de la geología, hidrogeología y otras
condiciones del subsuelo, imposible de obtener con ningún otro método.
Figura 9 Testigos obtenidos del terreno en un sondeo
La metodología de funcionamiento de
una máquina tipo que utiliza este sistema de
perforación es la siguiente:
La máquina hace girar el tren de
perforación compuesto por una primera varilla
llamada batería que tiene en su comienzo una
corona de diamante o widia que es la que
cortara la roca, alojándose esta dentro del tubo
portatestigo. La máquina posee una caja de
cambios que hace rotar el varillaje a mayor o
menor velocidad en función del tipo de roca que
se atraviese durante la perforación.
A través del varillaje circula el fluido de
perforación que, entre otras funciones, lubrica
la corona y hace posible el corte de testigo.
Para la circulación del fluido de perforación se
necesita, por lo tanto, la utilización de una
bomba de impulsión.
El útil de perforación propiamente dicho
esta constituido por una corona de diamante
que según se profundiza el sondeo va cortando
15
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
el testigo y alojándolo en el tubo portatestigo
que tiene 3 m de longitud.
I. Equipo básico de perforación
Los principales componentes de un
equipo de perforación a testigo continuo son los
siguientes:
Sonda.
Bomba de impulsión del fluido de
perforación.
Sonda
La sonda esta compuesta por un motor
diesel y los correspondientes elementos
mecánicos que transmiten el movimiento a la
cabeza de rotación y al cabestrante.
La cabeza de perforación consta de un
husillo con un plato de mordazas para sujetar el
varillaje y transmitir el empuje al mismo.
El empuje se consigue mediante un
circuito hidráulico que consta de deposito-
bomba, válvula de seguridad, distribuidor,
válvula reguladora, etc.
Las sondas testigueras pueden ir
montadas sobre camión, sobre cadenas o
apeadas sobre patín. En la siguiente foto,
(figura 10) se presenta una vista frontal de una
sonda testiguera, montada sobre patines,
donde pueden observarse todos los elementos
de la cabeza de rotación.
16
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 10 Sonda testiguera
Bomba de impulsión del fluido de perforación.
Las funciones básicas del fluido de
circulación son los siguientes:
Refrigerar la corona.
Expulsar al exterior los detritus
producidos en la perforación.
Para que el fluido pueda expulsar las
partículas del terreno cortadas por la corona la
velocidad del mismo debe de ser del orden de
40 cm/s. No es aconsejable trabajar con
velocidades elevadas que pudieran causar un
desgaste excesivo en la matriz de la corona.
Las bombas que habitualmente se
utilizan en investigación permiten caudales de
hasta 150 litros/minuto. Las bombas que mas
se emplean son de pistones y pueden ser de
simple o doble efecto. Estas bombas, tienen
sus camisas y vástagos de acero especial, con
tratamiento térmico, para que puedan resistir
bien el desgaste.
Los lodos que se utilizan en estos
sondeos están constituidos por bentonitas y/o
polímetros a los que se añaden distintos
aditivos para obtener el máximo porcentaje de
recuperación de testigo y evitar efectos
indeseables como el hinchamiento de arcillas,
la perdida de lodos etc.
Sistema “wire-line”
Este sistema apareció en 1965 y
presenta la particularidad de que el tren de
perforación esta formado por varillaje de casi el
17
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
mismo diámetro que el tubo portatestigo de
manera que se puede extraer el testigo por el
interior del varillaje sin sacar la maniobra. Se
puede decir que, en general, a partir de unos
100 metros de profundidad es mas adecuado
en cuanto a rapidez y recuperación perforar con
“wire-line”.
Tubos testigo
El tubo testigo es el receptor del
material perforado a medida que la perforación
avanza. En su parte inferior lleva la corona de
corte.
Coronas
Las coronas constituyen el útil cortante en
un sondeo de investigación a testigo continuo. Las
coronas mas utilizadas son las de diamante,
empleándose también las de widia, en caso de
terrenos blandos.
Figura 11 Coronas
Método de percusión
Es el método de perforación de
sondeos mas antiguo que se conoce, siendo el
mas extendido todavía y de aplicación
prácticamente a cualquier tipo de terreno.
Existen referencias históricas de 2.000
anos a. C. relativas al empleo de este método
en China con la utilización de cañas de bambú
como útil de perforación y la aplicación de
fuerza humana para la elevación de la
herramienta. El primer pozo de petróleo,
realizado en Pensilvana en 1.859, se efectuó
por este sistema.
El método de perforación consiste, en
esencia, en que un trepano colgado de un
cable golpea sucesivamente el fondo del pozo
a perforar. Al comunicársele al cable un
movimiento alternativo mediante un balancín
que es accionado por una excéntrica que se
mueve a su vez mediante un motor de
explosión. Las maquinas de percusión suelen ir
montadas sobre un camión. En la figura 12
observamos el esquema básico de una
máquina de perforación a percusión.
18
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
El método actuá por impacto de la
masa del trepano y la barra de carga (4.000-
7.000 Kg) sobre el material a perforar, por lo
que el efecto será mayor sobre materiales de
baja resistencia al impacto (resiliencia) como
son las calizas, que frente a materiales
plásticos, como las arcillas, que amortiguan, la
caída libre del útil de perforación.
Figura 12 Esquema máquina perforación a percusión
Puesto que se trata de un método de
perforación discontinuo, una vez que se ha perforado
una cierta longitud de sondeo es necesario extraer los
recortes arrancados del terreno para que el trepano
golpee de nuevo sobre la superficie de roca sana. Por
lo tanto es necesario extraer el trepano del fondo e
introducir una campana o cuchara que, mediante un
mecanismo de válvula situado en su parte inferior y
aplicándole un movimiento alternativo con el
cabestrante, se vaya llenando de los recortes del
terreno y los extraiga a la superficie hasta que el
pozo quede limpio y se introduzca otra vez en el
mismo el trepano de perforación, repitiendo
sucesivamente la operación para profundizar el
sondeo.
Figura 13 Máquina de perforación a percusión
Fuente: Ferrer sl
La sarta de perforación que se emplea
en este método consta de los siguientes
elementos:
Cable.
Montera.
Tijera.
Barron.
Trepano.
La función de estas herramientas es la
siguiente:
Trepano:
Es la herramienta que golpea
directamente sobre la roca y consta de, rosca,
cuello, cuadrado de llave, cuerpo de trepano,
canales de agua y boca, tal como podemos
observar en la figura 14. La superficie de
desgaste de la boca se recarga con electrodos
19
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
especiales. El ángulo de escape y penetración
es variable en función del tipo de terreno que
se perfore.
Figura 14 Detalle de un Trépano
Barrón o barra de carga:
Proporciona peso a la sarta de
perforación, con el fin de disponer de mas
energía de impacto.
Figura 15 Barrón
Tijera o destrabador:
Está formado por dos eslabones
engarzados con un juego libre de unos 30
centímetros. Su función es la de permitir el
golpeo hacia arriba en el caso de enganche de
la sarta de perforación
Figura 16 Tijera
Montera:
Es el elemento de unión de la sarta con
el cable.
20
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 17 Montera
Cable:
Se enrosca a izquierdas para ser
compatible con la rosca a derechas de los
restantes elementos de la sarta de perforación.
El tensado del cable produce un giro sobre si
mismo.
El mecanismo de perforación permite
variar la altura de caída del trepano entre 30 y
90 centímetros, mediante la longitud útil de la
biela y se puede variar la frecuencia de golpeo
entre 30 y 60 golpes por minuto.
El sondista debe permanecer agarrado
al cable durante la perforación pues este
elemento le permitirá obtener información sobre
el proceso de perforación del pozo, controlando
que no se produzcan anomalías en el mismo
(desviación, estriado, etc.). Como el cable esta
enroscado a izquierdas, si se le somete a
tensión, levantando ligeramente la herramienta
del fondo del pozo el cable debe girar
libremente en el sentido contrario si el sondeo
es vertical y no presenta estrías.
Cuando se perfora a percusión, aunque
no se utiliza fluido de perforación, es necesario
añadir agua hasta que se alcanza el nivel
freático. El objetivo de esta operación es
conseguir un lodo en el fondo del pozo que
mantenga en suspensión las partículas
perforadas de tal manera que la energía del
trepano no se emplee en triturar aun mas los
detritus del terreno en lugar de la roca sana.
Cuando se ha alcanzado el nivel freático el
control del lodo de suspensión se regula
mediante la limpieza con la cuchara (figura 18).
Figura 18 Cucharas de limpieza: Plana, de dardo, de
embolo
Como ya se ha indicado la ventaja de
este método es su versatilidad siendo aplicable
a la práctica totalidad de las formaciones a
perforar. Incluso es imprescindible en terrenos
de tipo aluvial en los que se presenten
materiales sueltos de alta granulometría y
permeabilidad (bolos y gravas) que son
problemáticos de perforar y que hacen
prácticamente inviable la aplicación de
cualquier otro sistema.
21
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Otra aplicación especifica de este
método es la de perforación de acuíferos
calcáreos con dureza media y baja resistencia
al impacto. En caso de grandes diámetro y
profundidades de perforación en medios
carsticos, con elevados aportes de agua, es
prácticamente el único método recomendable.
El sistema de percusión es
prácticamente imprescindible para la
perforación en la zona no saturada de
materiales calcáreos carstificados, debido a la
perdida del lodo o fluido de perforación que se
produce en los mismos y el riesgo de
desviación de la sarta de perforación.
Una ventaja muy importante de este
sistema es que es el que mejor garantiza la
verticalidad de un sondeo. También, porque
este método no presenta grandes
requerimientos de agua, por lo que su empleo
puede ser adecuado en zonas con escasez
hídrica.
El inconveniente de este sistema es
que se trata de un procedimiento muy lento con
rendimientos de perforación que en muchos
casos son del orden de tan solo 100
metros/mes, con lo que, en igualdad de
circunstancias, no puede competir por razones
económicas con otros métodos, como por
ejemplo el de circulación inversa, en el caso de
tratarse de materiales blandos como los
detríticos terciarios.
Por estas razones de productividad el
sector de empresas de perforación a percusión
corresponde básicamente a pequeñas
empresas locales de tipo familiar, con baja
tecnificación.
Método de rotación
El procedimiento de rotación a
circulación directa (“rotary”) fue experimentado
por primera vez en investigaciones petrolíferas
en Texas en 1901. Su origen fue debido
fundamentalmente a que el método de
percusión que se utilizaba hasta entonces era
poco apropiado para los terrenos a atravesar
que eran blandos e inconsistentes. Se obtuvo
muy buen resultado y el método tuvo una gran
divulgación sobre todo en los campos de
petróleo de California. Posteriormente la
perforación “rotary” paso de aplicarse de
terrenos blandos a terrenos duros según se
fueron empleando herramientas mas duras con
equipos de perforación con mayor capacidad.
En la actualidad el método de
perforación a circulación directa es el que se
emplea habitualmente para los sondeos de
petróleo, donde se alcanzan grandes
profundidades, al ser el método de perforación
que, en general, presenta mayor versatilidad en
la realización de sondeos. Este método se
encuentra muy tecnificado y su uso es también
muy frecuente en investigación minera.
El sistema de perforación a rotación,
tanto a circulación directa como a circulación
inversa, se basa en la aplicación desde
superficie de un movimiento de rotación y un
empuje al útil de perforación que se denomina
tricono y que esta situado en el fondo del
sondeo para conseguir fracturar la roca.
El peso que se ejerce sobre el útil de
perforación es en función de la dureza de la
roca y del diámetro de perforación. El par
aplicado a la herramienta viene definido por el
empuje y también por el diámetro de
perforación.
22
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 19 Esquema conceptual comparativo de los sistemas de perforación a rotación con circulación directa o inversa
Para transmitir desde la superficie el
peso y el movimiento giratorio al tricono se
emplea el varillaje de perforación. Este varillaje
es hueco y permite, de forma simultanea a la
perforación, la circulación por su interior del
fluido de perforación que tiene como misión,
entre otras, limpiar el sondeo de los recortes de
terreno conduciéndolos al exterior y
depositándolos sobre balsas construidas a tal
efecto.
Como ya se ha indicado anteriormente,
según el sentido de circulación del fluido por el
interior del varillaje de perforación se habla de
rotación a circulación directa o rotación a
circulación inversa. En la figura 19 se presenta
un esquema conceptual de ambos sistemas.
Como se observa en esta figura en el
sistema a circulación directa el circuito de
perforación viene definido por una balsa en
superficie desde donde se inyecta lodo al
interior del varillaje mediante una bomba de
impulsión. Una vez que el lodo atraviesa los
conductos de paso del tricono vuelve a la
superficie arrastrando el “detritus”. Este
recorrido de vuelta a la balsa se produce por el
espacio anular entre el varillaje y la pared del
sondeo.
En el sistema de circulación inversa se
utiliza un compresor que inyecta aire en el
interior de la sarta por medio de un varillaje de
doble pared. La inyección de este aire aligera la
columna de lodo creando una depresión en el
interior del varillaje que fuerza la circulación
desde el espacio anular entre la pared exterior
y el varillaje hacia el interior del mismo.
23
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Entre ambos sistemas existe una
diferencia fundamental que radica en que en la
circulación directa el “detritus” de perforación
sale a la superficie por el espacio anular
comprendido entre la pared del sondeo y el
varillaje y que en la circulación inversa los
recortes ascienden por el interior del varillaje.
Esta diferencia condiciona el hecho por el cual
la circulación directa no se deba aplicar para
sondeos de captación de agua subterránea, y
que la practica a emplear en estos casos sea la
circulación inversa. Esto se debe a que en la
practica totalidad de los sondeos para
captación de agua subterránea el diámetro de
perforación es tal que la superficie del espacio
anular entre la pared del sondeo y el varillaje de
perforación tiene un área mayor que la
superficie interior del varillaje.
La práctica a la que recurren los
perforistas de circulación directa es la de
emplear lodos artificiales preparados a partir de
arcillas del tipo bentonita que aumentan
notablemente la densidad y viscosidad y que
por tanto presentan capacidades de arrastre de
sólidos mayores frente a los lodos naturales y
permiten trabajar con velocidades mas bajas de
circulación del fluido de perforación.
En definitiva el método de perforación a
circulación inversa presenta las siguientes
ventajas comparativas respecto de la
circulación directa:
Permite perforar con un mayor diámetro
de perforación sin empleo de lodos
bentoníticos.
Se obtienen muestras del terreno
atravesados mas representativas
puesto que al ser la velocidad
ascensional mas elevada existe un
desfase de tiempo menor entre el
momento de la perforación y su
ascenso a superficie. Además en
circulación directa la muestra obtenida
se contamina con el terreno de la pared
del sondeo según va ascendiendo.
Las paredes del sondeo sufren una
menor erosión pues las partículas son
extraídas por el interior del varillaje
Menor coste energético al ser la
potencia a emplear inferior.
A pesar de estos inconvenientes es
preciso indicar que pese a que la circulación
directa no debe emplearse en el caso de
sondeos para captaciones hidrogeológicas es
el método que habitualmente se utiliza en
investigación petrolífera y minera donde no
importa el uso de lodos bentoníticos y además
se dispone de equipos de impulsión muy
dimensionados. Esta utilización se fundamenta
en la gran capacidad del método de circulación
directa para la perforación de sondeos en
general.
Esta facultad de la circulación directa
se basa precisamente en el empleo de lodos
bentoníticos que permiten estabilizar
adecuadamente las paredes. Además a estos
lodos se les puede añadir, en su caso, una gran
cantidad de aditivos para hacer frente a
problemas específicos como es la perdida de
circulación y otras complicaciones del sondeo.
Entre estos aditivos se encuentran los agentes
densificadores, fluidificantes, colmatantes,
descolmatantes, etc.
Los elementos principales que
componen un equipo de perforación a
circulación inversa son los siguientes:
Cabeza o mesa de rotación.
Mástil y soporte.
24
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Sistema de extracción.
Centrador.
Cabrestantes.
Equipo de soldadura.
Gatos hidráulicos estabilizadores.
Panel de mandos.
Compresor.
Motores.
El montaje del chasis en el que van
todos estos elementos suele realizarse sobre
camión para su traslado.
La cabeza o la mesa de rotación es el
elemento que trasmite el movimiento de
rotación al varillaje de perforación. La tendencia
actual es la de equipamientos hidráulicos que
utilizan cabezas de rotación en lugar de mesa
obteniéndose unos rendimientos sensiblemente
superiores, del orden de 50-60 metros/día,
frente a 15-20 m/día con el empleo de mesa de
rotación con accionamiento mecánico.
El sistema de extracción de la sarta de
perforación es el que limita la capacidad de
perforación del equipo. En la actualidad, por
razones económicas, los equipos de mayor
capacidad de perforación a circulación inversa
existentes en el mercado se sitúan en
profundidades máximas de 600-800 metros en
terrenos blandos. Este tipo de terrenos
requieren un menor peso de las barras de
carga que actúan sobre el tricono, por lo que la
capacidad de tiro de los equipos puede
emplearse en la extracción de una mayor
longitud de varillaje de perforación, lo que
permite realizar pozos de mayor profundidad.
La sarta de perforación esta formada
por los siguientes elementos:
Útil de perforación.
Barras de carga o lastra-barrenas.
Varillaje.
Barra conductora o “kelly”.
Cabeza de inyección.
El útil de perforación más utilizado es el
tricono que esta formado por tres piñas que
giran libremente sobre sus ejes que no tienen
una disposición simétrica para producir el
arranque de material por rodadura y cizalla
(figura 20). Si la formación es blanda los
dientes son más largos y espaciados.
Figura 20 Tricono
Las barras de carga permiten dar peso al
tricono sobre la formación a perforar. Este peso es
función de la dureza de la roca. Como se observa en
el diagrama de esfuerzos de la figura 21, el punto
neutro de la sarta debe situarse en esta barra,
trabajando todo el varillaje y el 25% de dicha barra a
tracción y el resto de la misma a compresión.
Figura 21 Distribución de esfuerzos en la sarta de
25
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
perforación a Rotación
Las varillas se unen entre si mediante
rosca y deben trabajar a tracción para evitar su
rotura y la desviación del sondeo. En el
procedimiento de la circulación inversa hay dos
tipos de varillaje, varillaje de doble pared y
varillaje de simple pared. El varillaje doble
conduce el aire desde el compresor hasta el
interior de la sarta donde se mezcla con el lodo
natural para aligerar la columna.
La cabeza de inyección suspende la
columna de perforación, permitiendo la rotación
y proporcionando la conexión a la manguera de
aire comprimido y a la de descarga a la balsa.
La barra conductora transmite el movimiento de
rotación a todo el varillaje.
El lodo que se utiliza en circulación
inversa es lodo natural. Durante la perforación
deben controlarse las características de
densidad, viscosidad, cake, filtrado, pH y
contenido en arena, entre otras. Si se producen
variaciones de estos parámetros fuera de los
limites admitidos es preciso proceder a su
control mediante el aclarado de los lodos y
limpieza de las balsas. Las funciones del fluido
de perforación son las siguientes:
Evacuar el “detritus” producido en la perforación.
Refrigerar el tricono. Mantener la estabilidad de las paredes
del sondeo. Impedir la salida de agua de los
distintos acuíferos atravesados durante la perforación.
El método de perforación a circulación
inversa es ideal para efectuar obras de
captación hidrogeológica en formaciones no
consolidadas (arenas, limos, arcillas, etc.) con
elevados rendimientos. Este tipo de terrenos
corresponde a las grandes áreas detríticas
españolas como son las cuencas del Duero,
Tajo y Guadalquivir.
Por este sistema, llevando un adecuado
control del peso sobre el tricono, es posible
garantizar la verticalidad del pozo dentro de
unos límites admisibles.
Este sistema no es recomendable a
partir de materiales de dureza media (calizas,
dolomías, areniscas compactadas, etc.).
Método de rotopercusión
El método de rotopercusión neumática
con martillo en fondo es el sistema de
perforación mas utilizado en la perforación de
sondeos geotérmicos. Este sistema surgió a
partir de las técnicas de perforación empleadas
en las explotaciones mineras de exterior para la
perforación de barrenos para voladuras.
A diferencia de los equipos de
rotopercusión hidráulica con martillo en cabeza,
que son los que mas se emplean en la
actualidad en la perforación de sondeos en
canteras, en el sistema de rotopercusión
neumática con martillo en fondo, el martillo se
sitúa en el fondo del sondeo y es accionado
con el empleo de aire comprimido.
Análogamente al sistema de rotación
en la rotopercusión se emplean dos
modalidades, la rotopercusión directa y la
rotopercusión inversa con gran diámetro, cuyas
denominaciones se basan en criterios
coincidentes con los correspondientes a los de
la rotación en cuanto al sentido de circulación
del fluido de perforación, el aire en
rotopercusión, por el interior del varillaje.
El sistema que se emplea
habitualmente es la rotopercusión directa, pues
26
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
por el sistema a rotopercusión inversa con gran
diámetro, existen muy pocos equipos que
operen en nuestro país utilizando esta
tecnología.
Hay también alguna empresa nacional
que dispone de equipos de rotopercusión
inversa con pequeño diámetro que se utilizan
en trabajos de investigación minera e
hidrogeológica. Las prestaciones para las
captaciones hidrogeológicas de los equipos de
rotopercusión inversa con pequeño diámetro
son inferiores a las de los equipos a circulación
directa en cuanto a diámetros y similares en
cuanto a profundidades.
El método de rotopercusión consiste
básicamente en que el aire suministrado por un
compresor circula por dentro del varillaje de la
sarta de perforación y acciona el martillo
neumático situado en el fondo del sondeo y ese
mismo aire es utilizado para la extracción del
detritus, mientras la sarta de perforación gira
lentamente mediante la aplicación en superficie
de un movimiento de rotación y un empuje.
Es aplicable a la técnica de perforación
en rotopercusión el mismo esquema conceptual
indicado en la perforación a rotación, en cuanto
a la circulación del aire en un sentido u otro.
Para trasponer este esquema hay que
considerar también que el útil de perforación en
rotopercusión es un martillo y el fluido de
circulación es aire.
Tanto en circulación directa como en
circulación inversa para mejorar la capacidad
del aire como vehiculo de arrastre de detritus
se le inyecta un espumante con lo que se
consigue operar con velocidades menores de
circulación de aire.
En la practica la rotopercusión a
circulación directa, que es la técnica que se
emplea habitualmente, esta muy condicionada
en cuanto a diámetro de perforación pues el
ascenso de los recortes por el anular entre el
varillaje y la pared del sondeo limita las
posibilidades de los compresores empleados,
dado el requerimiento de caudal de aire.
Es posible paliar esta carencia
mediante la utilización de dos compresores
conectados en paralelo, que permitan aumentar
el caudal de aire, manteniendo la presión de los
compresores conectados.
La rotopercusión a circulación inversa
con gran diámetro, de la que no existen
muchas experiencias en nuestro país, permite
obtener mayores diámetros de perforación que
en circulación directa con otras ventajas
añadidas, algunas ya se han comentado para el
caso de la rotación, como son:
Obtener muestras del terreno y del
agua mas representativas, evitando
desfases y contaminaciones con la
pared del sondeo, al extraerse los
detritus de perforación por el interior del
varillaje
Las paredes del sondeo sufren una
menor erosión que en circulación
directa, pues se evita que el aire de
perforación actué sobre los estratos
mas blandos del sondeo
erosionándolos y provocando
hundimientos.
Se evitan las perdidas de aire, que en
el caso de circulación directa puede
suponer la caída de materiales con
peligro de atropamiento del martillo de
perforación.
El equipo básico de una sonda de
rotopercusión neumática con martillo en fondo,
27
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
tanto a circulación directa como a circulación
inversa debe contar con los siguientes
elementos:
La cabeza de rotación que esta movida
por un circuito hidráulico.
La torre o mástil de la maquina de
perforación abatible y elevable.
Un cilindro hidráulico, que se utiliza
para elevar la torre desde la posición
horizontal a la vertical, dejándola
dispuesta para perforar.
El conjunto del motor diesel, refrigerado
por aire, con el compresor de alta
presión y alto caudal de aire.
El panel de mandos.
Un sistema de empuje y extracción
regulables hasta las máximas
capacidades.
El carrusel que es un conjunto portador
de varillaje que se utiliza para colocar
nuevas varillas en la sarta, conforme se
va profundizando el sondeo.
Un cabestrante auxiliar para recoger las
varillas y las tuberías de revestimiento.
Los gatos hidráulicos de nivelación del
equipo para la perforación.
Una bomba para introducir el
espumante dentro del circuito de aire a
presión.
Un equipo de soldadura y corte.
Sistema de alumbrado general para
poder trabajar por las noches.
Sarta de perforación:
La sarta de perforación de un equipo de
rotopercusión esta formada por los siguientes
elementos:
Un martillo con adaptador roscado. La
boca o tallante del martillo, suele ser de
botones de carburo de tungsteno.
Figura 22 Martillo y tallantes
En el caso de la circulación inversa es
necesario el empleo de un inversor de
flujo y de un estabilizador.
Adaptador o conexión roscada a la
cabeza giratoria.
Las varillas que están conectadas a
la cabeza de rotación. En el caso de
la circulación directa el varillaje es
liso (figura 23) y en el caso de la
circulación inversa es de doble pared
(figura 24). La longitud habitual
empleada en geotermia es de 3
metros, si bien dependiendo de los
diámetros oscilan entre 1 y 9 metros
los de simple pared, y entre 1 y 3
metros los de doble.
28
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 23 Varillaje simple pared
Fuente: Talleres Segovia sl
Figura 24 Varillaje simple pared
Fuente: Talleres Segovia sl
Hay que lubricar el martillo con aceite
especial con alta película lubrificante, buena
adhesión, viscosidad estable y alto punto de
encendido.
Una vez perforado el sondeo se puede
ensanchar con diversos útiles, todos ellos
denominados genéricamente “ensanchadores”.
Figura 25 Ensanchadores
Fuente: Talleres Segovia sl
Compresor:
La función del compresor en el sistema
de rotopercusión es suministrar aire, como
fluido de perforación, con el caudal y la presión
requerida.
El compresor es un elemento
fundamental, desde el punto de vista técnico y
económico, en el sistema de perforación a
rotopercusión, tanto a circulación directa como
a inversa.
A diferencia del sistema de perforación
a rotación, las limitaciones en cuanto a la
profundidad de perforación de un equipo de
perforación a rotopercusión no vienen
determinadas por la potencia de extracción del
equipo sino que esta condicionada
fundamentalmente por las capacidades del
compresor utilizado. Estas capacidades vienen
definidas en primer lugar por su presión
nominal, en cuanto a profundidad y por su
caudal de trabajo en cuanto al diámetro de la
perforación a realizar.
La presión de trabajo del compresor es
determinante a la hora de establecer la
29
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
profundidad teórica de perforación que es
posible alcanzar. Los compresores que se
utilizan en rotopercusión suelen ser de alta
presión (25-30 Kp/cm 2), Cuando se requiere
aumentar la presión de un compresor es
necesario el empleo de un “booster”, conectado
en serie.
Un “booster” actúa como un “compresor
de compresores” que, colocado a la salida de
un compresor de, por ejemplo 25 Kp/cm2,
permite elevar la presión de trabajo hasta unos
50-60 Kp/cm2. Este aumento de presión en el
aire produce una disminución del volumen del
mismo durante el paso por el “booster” por lo
que para mantener el caudal nominal de aporte
a la perforación, es necesaria la utilización de
varios compresores conectados en paralelo a la
entrada de la alimentación del “booster”.
En rotopercusión a circulación inversa
es necesario un mayor suministro de presión
que en directa al ser los conductos de paso del
aire (varillaje) mas estrechos y por lo tanto con
mayores perdidas de aire.
Figura 26 Compresor Atlas Copco
Por el contrario en rotopercusión directa
los requerimientos de caudal son mayores,
pues conforme aumenta el diámetro de
perforación, y por tanto las secciones de paso,
es necesario un mayor aporte de caudal para
garantizar la velocidad de circulación de aire
que permita la extracción de los detritus de
perforación. Para perforar con diámetro grande
en circulación directa es preciso el empleo de
dos compresores conectados en paralelo.
Las funciones del aire en la perforación
a rotopercusión son las de accionar el martillo
en fondo, enfriar y limpiar la boca de
perforación y conducir el “detritus” al exterior.
Del total de la potencia dada por el
compresor al menos un 20 % se emplea en el
accionamiento del martillo en fondo.
La presión de trabajo del compresor
empleado es fundamental para determinar la
profundidad máxima de perforación, de un
equipo de perforación a rotopercusión, tanto a
circulación directa como inversa.
Otro aspecto condicionante del
compresor viene definido por el caudal de aire,
que afecta fundamentalmente a los equipos
que operan por circulación directa, que son la
práctica totalidad de los existentes en el
mercado nacional. Aunque el uso de
espumantes biodegradables inyectados en el
aire permite disminuir las velocidades de
arrastre de detritus desde 1.500 m/min a 100-
120 m/min, existen grandes limitaciones en
cuanto a los diámetros de perforación que se
obtienen por este sistema.
En concreto para los compresores de
mayor capacidad empleados en rotopercusión
(30 m3/min), el diámetro de perforación no
suele superar, en sondeos no muy profundos,
los 320 mm al que corresponde un diámetro de
intubación de 250 mm, siempre y cuando se
trate de terrenos compactos en los que no sea
necesario acondicionar un empaque de grava.
30
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Para afrontar estas limitaciones, en
cuanto a diámetro, a veces se pueden conectar
en paralelo dos compresores. Los fabricantes
recomiendan resolver los problemas de mayor
diámetro del sondeo con el empleo de un
varillaje también de mayor diámetro que
disminuya el espacio anular entre el varillaje y
la pared del sondeo, y por lo tanto los caudales
necesarios. Ocurre que en este caso si que
habría una gran dependencia de la capacidad
de extracción del equipo debido al mayor peso
de la sarta de perforación.
Las dificultades de diámetro de
perforación en circulación directa pueden
resolverse mediante el empleo de la circulación
inversa con gran diámetro, si bien en nuestro
país este procedimiento se utiliza en escasas
ocasiones, y tiene un coste energético elevado.
Para finalizar con la descripción de este
sistema cabe destacar dentro del método de
rotopercusión el sistema ODEX que permite el
empleo de la técnica de perforación en terrenos
sueltos mediante el procedimiento de
entubación simultanea, aunque la profundidad
habitualmente esta restringida a unos 30-40
metros por el rozamiento lateral de la tubería
sobre el terreno atravesado.
El sistema de rotopercusión tiene la
gran ventaja de la rapidez de ejecución de las
perforaciones y de ser el sistema que permite
obtener una mayor información hidrogeológica
durante la realización de los sondeos. Puesto
que por este sistema se obtienen rendimientos
que superan los 80 m/día se puede saber muy
rápidamente si una determinada perforación es
adecuada como captación hidrogeológica.
Este método de perforación, junto con
la percusión, es el sistema mas adecuado para
rocas duras. En el caso de calizas carstificadas
la perdida de aire por las cavidades puede ser
un problema si el aire no arrastra el “detritus” y
por tanto quedan depositados en el fondo de la
perforación.
El método de rotopercusión es el único
recomendable para sondeos que se localicen
en formaciones muy duras. Entre este tipo de
formaciones se encuentran las rocas ígneas y
las metamórficas.
Otra limitación del sistema de
rotopercusión es que este método tiene poca
capacidad de respuesta frente a los problemas
que surgen en el sondeo durante su
construcción, especialmente en terrenos
sueltos (hundimientos, agarres, etc.). Esta
característica viene determinada por las
propiedades del fluido empleado que presenta
unas bajas posibilidades de estabilización de
las paredes de la perforación. Incluso la
utilización del aire como fluido de perforación
agrava el problema de la inestabilidad de las
paredes del sondeo al provocar su erosión,
debido a su elevada velocidad de circulación.
Además en terrenos sueltos la
rotopercusión no es el sistema de perforación
mas adecuado debido a la baja efectividad del
golpeo del martillo en terrenos blandos.
En el sistema de rotopercusión no se
suele controlar la distribución de esfuerzos en
la sarta de perforación como en el caso del
sistema a rotación, garantizando el trabajo a
tracción de una parte importante de la sarta,
por lo que es muy frecuente tener problemas
con la verticalidad del sondeo, especialmente
en el caso de formaciones heterogéneas que
presenten buzamientos. Las desviaciones que
se produzcan en la perforación de un sondeo,
pueden comprometer su posterior entubación.
La única forma de poder disminuir la desviación
31
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
del sondeo es limitar la presión trasmitida en
cabeza a la sarta de perforación, aun a costa
de tener un menor rendimiento en la
perforación.
Finalmente cabe destacar que los
equipos de perforación a rotopercusión tienen
un coste económico elevado y los consumibles
son muy altos.
Selección del método de perforación
Una vez que se han caracterizado los
sistemas de perforación que habitualmente se
utilizan para captaciones hidrogeológicas, y se
han establecido sus ventajas e inconvenientes,
se pueden establecer los criterios de selección
que con carácter general es preciso considerar
para la elección del sistema de perforación mas
adecuado para efectuar una determinada
captación hidrogeológica.
A continuación se describen los
criterios a considerar para cada tipo de roca:
Rocas muy duras:
Podemos considerar como rocas muy
duras aquellas cuya resistencia a compresión
es superior a 2.000 Kp/cm2. Como ejemplo de
estas rocas podemos citar las pizarras,
cuarcitas, granitos, basaltos, etc.
Además de su dureza estas rocas se
caracterizan generalmente por su consistencia
y por sus escasos aportes de agua a las
captaciones, por lo que en principio es muy
adecuado el empleo del sistema de
rotopercusión. Material ideal para instalaciones
geotérmicas. Podemos concluir que el sistema
más idóneo es el de rotopercusión a circulación
directa.
Rocas duras:
En este grupo incluiremos a las rocas
que presentan una resistencia a compresión
comprendida entre 800 y 2.000 Kp/cm2. Dentro
de este grupo pueden incluirse las calizas y
areniscas duras.
Los sistemas de perforación aplicables
son los de rotopercusión y percusión. Si el
diámetro es pequeño la perforación se realizara
a rotopercusión directa o inversa, puesto que
en la técnica de percusión los trépanos que
habitualmente utilizan los equipos disponibles
en el mercado suelen ser de diámetros iguales
o superiores a 400 mm.
Si se trata de mayores diámetros en el
caso de sondeos poco profundos se pueden
utilizar básicamente tanto el método de
percusión como de rotopercusión directa.
También pudiera plantearse el empleo de la
rotopercusión inversa, si bien el empleo de este
sistema supone unos costes de puesta en obra
que probablemente no sean asumibles para
sondeos cortos en la mayoría de los casos.
Rocas de dureza media:
En este grupo consideramos a las
rocas que presentan una resistencia a
compresión comprendida entre 200 y 800
Kp/cm2. Dentro de este grupo pueden incluirse
las calizas y areniscas.
Para este grupo de rocas es aplicable
lo expuesto en el apartado anterior (rocas
duras) si bien se ha considerado también la
posibilidad de utilizar la rotación a circulación
inversa pero con muchas reservas, en función
de la consistencia y dureza de la roca.
Rocas blandas:
En este grupo incluimos a las rocas que
presentan una resistencia a compresión inferior
32
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
a 200 Kp/cm2. Pueden considerarse en este
conjunto las arenas, limos, arcillas y margas,
entre otras.
Si la profundidad supera los 30 m y se
requiere un diámetro grande lo mas adecuado
es emplear la circulación inversa puesto que la
percusión, aunque se puede utilizar, quizás no
resulte competitiva desde el punto de vista
económico.
En el caso de pequeños diámetros,
como es el caso de la geotermia, lo mas
adecuado es considerar la rotación a
circulación inversa.
Rocas de diversa naturaleza y consistencia:
Cuando el sondeo atraviese distintas
formaciones será preciso realizar un análisis
global que permita una solución óptima,
compatibilizando todos los criterios anteriores.
En muchos casos será necesario el
empleo de sistemas de perforación mixtos,
definiéndose un método de perforación hasta
una determinada profundidad y continuándose
el sondeo por otra técnica, en función de la
litología.
Finalmente, una vez seleccionado el
método de perforación mas adecuado y
considerando las características geométricas
en cuanto a profundidad y diámetro del sondeo,
se puede proceder a la estimación de las
capacidades requeridas de los equipos de
perforación y elementos auxiliares para,
conjuntamente con otros criterios como el
económico, proceder a seleccionar a la
compañía de perforación mas adecuada que
lleve a cabo la ejecución de la perforación
Es de destacar que la ultima tendencia
de los fabricantes de equipos de perforación, es
la de poner en el mercado equipos multisistema
que disponen de compresores, varillaje liso,
varillaje de doble pared, etc., de manera que
puedan realizar perforaciones mixtas tanto a
rotación a circulación inversa como a
rotopercusión con un mismo equipo.
DUREZA LITOLOGÍA DIÁMETROCAPTACIÓN CAPTACIÓN
SUPERFICIAL PROFUNDA (pequeño <300 mm) (<100 m)
MUY DURA PizarrasGrande X X
Resistencia Cuarcitas
a compresión GranitosPequeño *Rotopercusión directa X
>2.000 Kp/cm2 Basaltos
DURA
Grande*Percusión
*PercusiónCalizas duras
*Rotopercusión directa Resistencia *Rotopercusión inversa
33
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
a compresión (inversa ?)
entre 800-2.000 Kp/cm2
Areniscas du-ras
Pequeño*Rotopercusión directa *Rotopercusión directa
(inversa ?)
MEDIA
Calizas Areniscas
Grande
*Percusión *Percusión
*Rotopercusión directa *Rotopercusión inversa
(inversa?)*Rotación a circulación inversa (?)*Rotación a
c. inversa (?)
Pequeño
*Rotopercusión directa *Rotopercusión directaResistencia
a compresión*Rotación a circulación inversa (?)
*Rotación a circulación inversa (?)entre 200-800 Kp/cm2
BLANDA
Grande
*Pozos abiertos*Rotación a circulación inversa (?)Arenas *Percusión
Limos*Rotación a circulación inversa
*Percusión
Resistencia Margas
a compresión ArcillasPequeño
*Rotación a circulación inversa
*Rotación a circulación inversa
menor que 200 Kp/cm2
Tabla 4: Procedimiento de selección del método de perforación
Ejecución de sondeos
La ejecución de los sondeos se efectúa
de acuerdo con una serie de etapas que se van
a describir a continuación:
Preparación de accesos y
emplazamiento del equipo
Perforación
Entubacion, si fuera necesaria
Introducción de sondas
Pruebas de presión
Introducción de relleno
Desarrollo y limpieza y acabado final.
.Preparación de accesos y emplazamiento del equipo
La primera fase en la ejecución del
sondeo es la preparación del acceso de la
maquina de perforación, así como del
emplazamiento de la maquinaria.
El carril de acceso de la máquina debe
de ser de anchura adecuada, esto es, de al
menos 1,5 veces la anchura de la máquina y
con pendiente adecuada a las características
mecánicas del vehiculo portador de la sonda de
perforación.
La superficie del terreno debe estar
completamente llana para verificar así que el
mástil del equipo de perforación esta colocado
verticalmente, antes del comienzo de la
perforación. De esta forma se evitan posibles
accidentes, así como problemas con la sarta de
34
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
perforación y efectos de desvió de la trayectoria
del sondeo durante la perforación.
En las inmediaciones del sondeo es
necesario habilitar una zona de descarga y
acopio de materiales, que permita colocar de
forma adecuada los distintos productos que se
utilizan para la construcción del sondeo
(tuberías, grava, cemento, impermeabilizantes,
combustibles, aceites, etc...).
Es necesario proteger la superficie del
suelo mediante material impermeable y telas
adsorbentes con el fin de evitar impactos sobre
el medio que puedan ser debidos a derrames y
vertidos.
Antes del comienzo de la perforación el
recinto de trabajo debe ser convenientemente
acotado y señalizado con el fin de evitar
accidentes, por acceso de personal ajeno a la
obra.
Previamente al comienzo de la
perforación es necesario preparar una balsa
para recogida de detritus. Si el método a
emplear es el rotación a circulación inversa es
necesario también proceder al llenado de la
misma con agua.
Perforación
Una vez que el entorno de ubicación
del sondeo esta en condiciones adecuadas, se
puede comenzar la perforación del sondeo.
Durante la realización de la perforación se
recogerán los detritus producidos, que serán
analizados por el geólogo supervisor y que
podrán establecer en cada momento la
columna litológica del terreno atravesado.
Durante la fase de perforación también
se llevará un riguroso control del detritus o lodo
de la perforación y de los valores de los
parámetros mecánicos de la perforación (peso,
rotación, par, etc...), de manera que se puedan
adoptar las correspondientes medidas
correctoras en caso necesario.
1.1.8. - Montaje de sondas geotérmicas
Con arreglo a la legislación hidrogeológica,
para la instalación de sondas generalmente se
debe solicitar un permiso. Además se debe
respetar una distancia mínima de 2 m con
respecto a los edificios, dado que las sondas no
deben comprometer la estabilidad de los
edificios.
Cuando se instalen varias sondas
geotérmicas, la separación entre las mismas
deberá ser, como mínimo de 5 m para las
profundidades de sonda inferiores a 50 m y de
mínimo 6 m para las sondas de más de 50 m
de profundidad, aconsejando en cualquier caso
que, si el espacio disponible lo permite, esta
separación sea de 9 metros.
En el caso de las sondas geotérmicas
utilizadas para cubrir demandas de
refrescamiento, la disposición de las mismas se
debería diseñar lo más abierta posible, con el
fin de prevenir afectaciones mutuas.
La distancia de tendido con
respecto a otras conducciones de suministro
debe ser 70 cm. Si la distancia es menor, se
deberán proteger las conducciones con un
aislamiento suficiente.
35
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Con el fin de facilitar la
instalación de la sonda, en el caso de pozos
mojados (llenos de agua), se recomienda llenar
las sondas del fluido a emplear, utilizando el
lastre para sonda de peso adecuado que facilite
adicionalmente la introducción de la sonda.
En el caso de pozos secos se deberá
llenar la sonda a más tardar en el momento de
poner bajo presión el pozo, con el fin de
prevenir un desplazamiento por ascensión de la
sonda.
Junto con la sonda, deberemos
introducir en el pozo el tubo de llenado del
relleno. Cuando la profundidad es importante
puede resultar necesario un tubo de llenado
adicional, con el fin de asegurar un llenado
uniforme. La misión de estos tubos, es la
realización del relleno del pozo desde el fondo
hacia la superficie, evitando de esta manera
propiciar la generación de bolas de aire que
dificulten la transmisión de calor del calor entre
el terreno y la sonda.
Por regla general se introduce
la sonda en el pozo con ayuda de un
mecanismo desbobinador fijado a la máquina
de perforación. También se puede extender la
sonda previamente, para introducirla en el pozo
a partir de un bucle que se fija a la máquina de
perforación, si bien este método no es muy
aconsejable, excepto en sondas de muy poca
profundidad, debido a que al arrastrar el tubo
sobre el suelo se pueden producir muescas,
estrías y otras erosiones, que reducirán
notablemente la vida útil del mismo.
Una vez introducida la sonda se debe
realizar una prueba de flujo y otra de presión.
La puesta bajo presión de las sondas
se debe realizar con arreglo a la norma VDI
4640, parte 2, de tal forma que quede
garantizada una integración duradera a nivel
tanto físico como químico y que el presionado
no contenga bolsas de aire ni cavidades. Sólo
realizando reglamentariamente, conforme a la
norma VDI 4640, esta puesta bajo presión del
intersticio anular del pozo se puede asegurar la
operatividad, sobre todo de las sondas de
mayor profundidad.
Una vez efectuado el relleno del pozo,
se llevan a cabo las pruebas finales: prueba de
funcionamiento de la sonda llena de agua y
prueba de presión a una presión mínima de 6
bar. En las siguientes condiciones:
Carga previa: 30 min.
Duración de la prueba: 60 min.
Caída de presión tolerada: 0,2 bar.
En caso de existir riesgo de
temperaturas bajo 0, vaciar la sonda a hasta 2
m por debajo de la rasante. Esto se puede
conseguir mediante una toma de aire
comprimido conectada en uno de los extremos.
De esta forma se expulsa el agua por el
extremo contrario. Cuando se reduce la
presión, la columna de agua se desequilibra
dentro de la sonda. Los tubos de la sonda
deben permanecer herméticamente cerrados
hasta que se efectúa la conexión. Para llenar
completamente el intersticio anular se utilizarán
materiales que se deberán determinar en
función de los modos operativos respectivos y
dependiendo de las condiciones geológicas.
Tender los tubos de la sonda
geotérmica hasta el distribuidor mediante
circuitos conectados en paralelo.
El distribuidor se instalará en el punto
más alto y se deberá prever un dispositivo de
desaireación en una ubicación adecuada. Los
distribuidores podrán equiparse con un
36
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
caudalímetro por cada sonda para efectuar el
reglaje de las mismas.
Antes de entrar en
funcionamiento todo el sistema se deberá
realizar una prueba de presión con una presión
1,5 veces la presión de servicio. Se deberá
comprobar que el flujo es uniforme en todas las
sondas.
Ejemplo de montaje.
Una vez finalizada la perforación, y transcurrido
el menor tiempo posible a fin de evitar posibles
desmoronamientos interiores que impidan la
posterior introducción de la sonda, se deberán
seguir los siguientes:
Pasos de montaje
Antes de desenrollarlas, comprobar si las
bobinas presentan desperfectos.
Cargar la sonda en el dispositivo
desbobinador o extenderla.
En caso necesario fijar el lastre o el
elemento auxiliar para la introducción en el
pie de la sonda.
Llenar la sonda con agua, para que ésta no
ascienda.
Introducir la sonda junto con el tubo de
llenado en el pozo.
Descender la sonda y el tubo de llenado
completamente dentro del pozo
Realizar la prueba de presión y de flujo de
la sonda llena de agua.
Realizar el relleno del pozo, a través del
tubo previsto a tal efecto hasta el fondo.
Realizar la prueba final de funcionamiento
de la sonda geotérmica llena de agua,
aplicando una presión de mín. 6 bar.
Empalmar las sondas a las tuberías de
conexión.
Conectar dichas tuberías al distribuidor
ubicado en el punto más alto de la
instalación.
Recircular el fluido por las tuberías hasta
que ya no contengan aire, con un esquema
similar al de la figura 27
Realizar una prueba de presión final del
sistema en su conjunto, aplicando 1,5
veces la presión de servicio
37
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 27: Esquema de purga de instalación geotémica
1.1.9. Dimensionado y montaje de pilotes energético
Para la realización del dimensionado y
montaje de los pilotes energéticos, es
aconsejable consultar las indicaciones de la
norma VDI 4640.
Dimensionado
El dimensionado de los pilotes
energéticos se realiza de forma análoga al de
las sondas geotérmicas, si bien se debe tener
en cuenta que los pilotes energéticos no deben
operar a temperaturas bajo 0. Esta limitación
debe considerarse en el cálculo.
Se debe prever un sistema de
desconexión termostático que evite su
funcionamiento en condiciones muy deseadas.
Por razones de coste se considera en
el dimensionado únicamente el número de
pilotes impuesto por el cálculo de la estructura.
Los costes de los pilotes adicionales no
estarían justificados. Las potencias de
calefacción o refrescamiento adicionales
quedarán cubiertas mediante otros sistemas
independientes.
La utilización de este sistema es
rentable a partir de una longitud de los pilotes
de 6 m.
Por regla general los pilotes de
cimentación se ponen en obra en las aguas
freáticas.
38
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Cuando se utilizan como sistema de
refrigeración, la temperatura de las aguas
freáticas sufre un incremento. Este extremo se
deberá aclarar con los organismos oficiales
competentes.
Figura 28: Tendido del tubo dentro de un pilote
energético
Variantes de colocación
En cuanto al tendido de los
tubos se pueden utilizar las variantes de
meandros en vertical y sonda en U.
Meandros en vertical
Los tubos se tienden dentro de
la jaula de armadura formando bucles de tubo
sinfín con forma de meandros. Este tipo de
tendido presenta ventajas, sobre todo de
simplicidad de montaje. La conexión de los
ramales de impulsión y de retorno a la red de
tuberías se efectúa en la cabeza del pilote.
Figura 29: Meandros en vertical
Fuente: Rehau
Sonda en U
Los tubos se tienden en forma de U
dentro de la jaula de armadura. El acoplamiento
de los diferentes bucles de tubo por medio de
un probado sistema de unión, de estanqueidad
duradera, incluyendo los fittings adecuados, se
efectúa en la cabeza de los pilotes.
Esta modalidad de tendido de los tubos
presenta ventajas, sobre todo relacionadas con
la desaireación de las tuberías.
La conexión de los ramales de
impulsión y retorno a la red de tuberías se
efectúa en la cabeza del pilote.
Figura 30: Sondas en U
Fuente: Rehau
39
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Pasos de montaje
Tendido de las tuberías en forma de
meandros dentro de la jaula de
armadura.
El tendido de los tubos se efectúa en
sentido longitudinal dentro de la jaula
de armadura.
La fijación mediante unión positiva de
los tubos se realiza a la armadura y en
las zonas de cambio de dirección de
los tubos por medio de conectores
para mallazo de pilote energético, a
intervalos de 0,5 m.(figura 31)
Figura 31: Colocación de tubería en pilote energético
Fuente: Rehau
Colocar un tubo protector sobre las
tuberías en la zona de la cabeza del
pilote. Fijar y cortar las tuberías.
Identificar las tuberías.
Las tuberías de conexión se deben
cortar en la cabeza del pilote y aplicar
un tubo protector sobre las mismas.
Llevar a cabo la identificación del
pilote energético con arreglo al
proyecto de montaje.
Figura 32: Identificación de tubería en pilote energético
Fuente: Rehau
Montar la unidad para realizar las
pruebas de presión.
Aplicar una presión de prueba de 6
bar y registrar dicha presión de
prueba en un protocolo.
Figura 33: Pruebas de presión en pilote energético
Fuente: Rehau
Poner en obra, verter y vibrar el
hormigón, manteniendo en presión
la tubería.
Realizar una 2ª prueba de presión tras
el fraguado del hormigón
Conectar las tuberías a los tubos
distribuidores
Registrar en un protocolo la presión de
prueba aplicada tras la puesta en obra
del hormigón.
Los pilotes energéticos se pueden
conectar directamente a las tuberías
de distribución o a los distribuidores
del circuito de calefacción o de
refrescamiento.
40
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
1.1.10. Montaje del distribuidor
Se debe posicionar el distribuidor en el
punto más alto del área de las tuberías,
tendiendo la tubería con una ligera pendiente
hacia el distribuidor.
Sobre las tuberías de agua glicolada se
forma fácilmente agua de condensación, por lo
cual se deberán aislar las mismas dentro de los
edificios con un material que haga barrera
contra la difusión del vapor de agua. Dado el
alto coste y gran esfuerzo que representa el
aislamiento de un distribuidor, se recomienda
instalarlo fuera de los edificios.
La conexión del distribuidor se realiza
mediante la rosca macho G 1½” ó G 2”. Debido
al riesgo de formación de burbujas de vapor, el
distribuidor tiene unos límites operativos. El
caudal para el tubo base de 2” está limitado a
8000 l/h cuando se utiliza agua glicolada con un
33 % de anticongelante. Si la proporción de
anticongelante es menor o se utiliza agua pura
se puede trabajar con caudales mayores.
En caso de precisarse un caudal
superior a 8000 l/h se pueden empalmar 2
tubos distribuidores en el centro con una pieza
en T. De esta forma se puede alcanzar un
caudal volumétrico de 16.000 l/h.
Figura 34: Distribuidor
Fuente: Rehau
Los distribuidores de latón sólo deben
trabajar con agua o con una mezcla de agua y
glicol. Si se utiliza un medio que fomenta la
corrosión, se deberá recurrir a un distribuidor
de material polimérico.
El distribuidor de material polimérico se
deberá utilizar asimismo en instalaciones en las
que el espacio disponible no resulte suficiente
para el distribuidor estándar.
Distribuidor para sonda geotérmica
Las impulsiones y los retornos
de una sonda geotérmica se pueden conectar
al distribuidor ya sea unidos en la cabeza de la
sonda mediante un tubo en Y o
individualmente.
En caso de no poder garantizar
una longitud igual de los tubos de sonda hasta
el distribuidor se deberán utilizar reguladores
de caudal.
Con una mezcla de agua y
glicol el regulador de caudal desempeña
únicamente la función de reglaje de los circuitos
individuales, pero no de fijación del caudal.
Esto es debido a la mayor densidad y
viscosidad de la mezcla de agua y glicol.
Conexión de los tubos distribuidores
Para que todos los tubos
reciban el mismo caudal de los distribuidores
de colector/sonda, se deberán conectar los
mismos según el principio de Tichelmann o de
retorno invertido. Véanse las figuras 35 y 36.
41
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Figura 35: Impulsión y retorno invertidos
Figura 36: Colectores invertidos
Conexión del distribuidor
El distribuidor se puede montar
en posición horizontal o vertical. Antes de
conectar los tubos al distribuidor se deberán
tender los tubos trazando un ángulo de 90°. De
esta forma las fuerzas del tubo causadas por
las variaciones de longitud de origen térmico no
actuarán sobre el distribuidor, sino que serán
compensadas en la curva del tubo.
Cuando se instale el distribuidor
en un patio de luces se deberá evitar que los
tubos queden apoyados sobre la pared del
edificio. Trasdosando unas planchas de
espuma rígida de poliestireno de 4 cm de
espesor se previene el humedecimiento de la
pared por la formación de condensado, así
como que los tubos resulten dañados al sufrir
variaciones de longitud.
Distribuidor para pilotes energéticos
Los pilotes energéticos se pueden
conectar a la red de tuberías de los
distribuidores mediante un distribuidor para
circuito de calefacción y refrescamiento, de
forma análoga a los sistemas de superficies
radiantes de calefacción y refrescamiento.
Para el corte y la regulación se
recomienda la utilización de válvulas de esfera
y de reguladores de caudal. Para el
dimensionado se debe considerar una pérdida
de carga máxima de 300 mbar por circuito, así
como circuitos de tamaños casi iguales.
Gracias al tendido de las
tuberías de distribución mediante el método de
Tichelmann se alcanza en éstas una pérdida de
carga casi uniforme.
1.1.11. - El fluido caloportador
Aspectos generales
En las instalaciones de bomba
de calor se adiciona al agua una determinada
proporción de glicol, de forma que se previene
la congelación del fluido caloportador.
En las instalaciones que no van a
operar a temperaturas bajo cero no es
necesario utilizar glicol, siempre que los tubos
sean tendidos de forma que no resulten
afectados por temperaturas bajo 0.
Antes de llenar la instalación se debe
conocer a qué temperatura se deberá ajustar el
fluido caloportador. En el caso de las
instalaciones de bomba de calor son, por regla
general, 10 - 20 °C.
42
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
Existen una amplia variedad de
productos anticongelantes factibles de utilizar
en instalaciones geotérmicas, dependiendo el
sistema empleado y su mayor o menor
incidencia medioambiental. La "International
Ground Source Heat Purnp Association",
(IGSHPA), (1988), recomienda los siguientes
líquidos caloportadores:
Agua.
Mezclas acuosas con las siguientes
sustancias anticongelantes:
• Etilenglicol.
• Propilenglicol.
• Metanol.
• Etanol.
• Cloruro sódico.
• Cloruro cálcico
Por su parte, la "Office Fédéral de
I'environemenl, des toréls et du paysage",
(OFEFP), en su "Lista de agentes refrigerantes
y de líquidos caloportadores autorizados para
protección de las aguas contra los líquidos que
puedan contaminarla"; del año 1999, incluye
como sustancias anticongelantes, además de
las mencionadas, las siguientes:
• Polietilenglicol.
• Cloruro magnésico.
• Cloruro potásico.
• Carbonato potásico.
• Acetato potásico.
• Formiato potásico.
• Carbonato sódico.
No obstante en nuestro país laas
sustancias más empleadas son:
• Etilenglicol.
• Propilenglicol
Estos anticongelantes se suministran
en forma concentrada y se puede mezclar con
agua siguiendo las indicaciones de las tablas
siguientes.
Etilenglicol:
-10ºC 22% etilenglicol 78% agua
-15ºC 29% etilenglicol 71% agua
-20ºC 35% etilenglicol 65% agua
Propilenglicol
-13ºC 30% propilenglicol 70% agua
-20,8ºC 40% propilenglicol 60% agua
-31,7ºC 50% propilenglicol 50% agua
Tabla 4: dosificación anticongelante
El agua adicionada no debe contener,
según lo señalado en la norma DIN 2000, más
de 100 mg/kg de cloro. Los glicoles contienen
inhibidores de la corrosión, con el fin de
proteger las partes de acero de la instalación.
Para que el glicol contenga una cantidad
suficiente de inhibidores de la corrosión, la
proporción de anticongelante no deberá ser
inferior al 20 % en el caso del etilenglicol. Por
otra parte se deberá mantener lo más baja
posible la proporción de glicol, con el fin de
ahorrar potencia de la bomba.
Antes de introducirlo en la instalación,
es necesario mezclar el glicol con agua en un
recipiente. Si se introducen los componentes
por separado en la instalación no se obtiene
43
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
una mezcla correcta y se pueden producir
daños por congelación.
Es necesario comprobar la dosificación
del anticongelante, para verificar que la
instalación se encuentra protegida hasta la
temperatura deseada, para ello debe ser
ajustada con el medidor de protección de
anticongelante.
Para los glicoles de base etileno se
debe utilizar un medidor de protección
anticongelante específico, denominado
refractómetro.
Con ayuda de una bomba y un depósito
o recipiente, recircular el fluido por cada circuito
de tubo para eliminar el aire contenido en el
circuito, tal como hemos visto en la figura 27.
Para su instalación las sondas
geotérmicas se llenan en la mayoría de los
casos con agua. Por esta razón, cuando se
vaya a llenar la instalación con mezcla de agua
y glicol se debe procurar que el agua haya sido
evacuada totalmente antes de introducir el
agua glicolada. Para un total vaciado de las
sondas, podemos utilizar un sistema de aire
comprimido que al inyectarlo por uno de los
extremos de la sonda, obligue al agua a salir
por el otro, siendo en todos caso, una volumen
insignificante de agua el que quede en el
interior de la sonda
De no ser posible esto, se deberá
graduar una concentración consecuentemente
mayor del agua glicolada, y mantener
recirculando como se indica en la figura 27
hasta que consideremos que se a producido la
mezcla adecuada del agua y el glicol.
Dimensión Volumen
D x exp l/m
20 x 1,9 0,2
25 x 2,3 0,32
32 x 2,9 0,54
40 x 3,7 0,83
50 x 4,7 1,3
63 x 5,8 2,1
75 x 6,8 2,96
90 x 8,2 4,25
110 x 10 6,36
125 x 11,4 8,2
140 x 12,7 10,31
160 x 14,6 13,43Tabla 5: contenido de agua por m de tubo
Para facilitar el cálculo del volumen
contenido en el circuito de la sonda, se facilita
la Tabla 5.
Al menos una vez por temporada, se
debe comprobar que la protección
anticongelante proporcionada por la mezcla de
agua y glicol es suficiente, así como su índice
pH, Debiendo situarse este en la zona neutra
(7).
.
1.1.12. Relleno
Del espacio intersticial de los pozos
El relleno se puede realizar bien por
gravedad con arena silícea o bien mediante
inyección con un sistema adecuado, desde el
fondo hasta la boca del sondeo, de cemento,
bentonita o materiales termoconductivos
específicos para este fin. La selección del tipo
de relleno y de su modo de ejecución está
determinada por las condiciones
hidrogeológicas del sustrato. Si la
permeabilidad del sustrato es baja podrán
realizarse rellenos granulares siempre que el
44
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
sellado alcance la máxima profundidad del nivel
piezométrico, mientras que si el sustrato es
permeable o se conoce de la existencia de
acuíferos es necesario sellar la perforación
para evitar afecciones hídricas.
De la excavación o de la zanja para tubos
En la medida en que la temperatura de
la tubería aumente considerablemente por
encima de la temperatura de la zanja a
consecuencia de la radiación solar directa, se
deberá cubrir ligeramente la tubería antes del
rellenado definitivo, con el fin de obtener un
tendido con un bajo nivel de tensiones.
A diferencia de lo señalado en
la UNE EN 1610, en el caso de los tubos PE-Xa
se puede reutilizar el material excavado para la
zona de la tubería y para el rellenado del resto
de la zanja, siempre que:
el material excavado se pueda apisonar
bien
no supere una granulometría de máx.
63 mm
no puedan depositarse piedras sobre el
tubo, que pudieran causar su
aplastamiento
En definitiva, en la zona del
tubo se puede utilizar gravilla, reciclado de
escombros y escoria molida.
Cuando el tendido sea bajo
carreteras se deberá efectuar el rellenado de la
zanja con arreglo a la instrucción ZTV A-Stb 97
“Condiciones contractuales y directrices
adicionales para excavaciones en superficies
para tráfico rodado”.
Es muy importante tener en cuenta que
los tubos PE100 deben tenderse siempre
sobre un lecho de arena.
Redes equipotenciales
Los tubos, en ningún caso se
deben utilizar como conductores de puesta a
tierra de instalaciones eléctricas según DIN VDI
0100.
1.1.13. Ensayo de tést de respuesta térmica del terreno (TRT)
La energía geotérmica de baja y muy
baja entalpia, constituye un recurso muy apto
para gran número de aplicaciones, algunas,
como la climatización de edificios, espacios,
etc...
Este tipo de instalaciones
habitualmente se componen de una bomba de
calor geotérmica y de un sistema de
perforaciones para aprovechar la temperatura
templada y constante del subsuelo.
La energía térmica es transmitida
desde la tierra a un fluido caloportador que
circula por unos tubos, preferentemente de
polietileno, insertados en la perforación con
diferentes formas de tubo, en “U”, doble “U”,
concéntricos, entre otros.
El espacio entre las tuberías y la pared
de la perforación es rellenado con cemento-
bentonita, mortero u otro material de relleno
para asegurar un buen contacto térmico y
prevenir la circulación vertical de agua
subterránea.
La bomba de calor es una máquina
basada en el ciclo de Carnot, que absorbe calor
45
UD 2: SONDAS GEOTÉRMICAS
de una fuente para entregarla a otra que está a
una temperatura superior.
El rendimiento de estos equipos
depende de la diferencia de temperatura entre
estas dos fuentes (captación y cesión de calor).
Las bombas de calor convencionales
(aerotérmicas) absorben el calor de la
atmósfera, que en invierno puede llegar a
temperaturas inferiores a los 0°C. A estas
temperaturas la captación de calor en el
evaporador es difícil, y el rendimiento de la
bomba bajo. Las bombas de calor geotérmicas
aprovechan el calor acumulado en el subsuelo
a una temperatura prácticamente constante
durante todo el año. En este caso, la diferencia
entre la temperatura de la fuente de calor y la
temperatura a la que se cede el calor, es
mucho menor, y por tanto el rendimiento del
equipo es notablemente superior. Además, la
estabilidad térmica del subsuelo permite que la
eficiencia de los equipos geotérmicos sea
siempre máxima y no dependa de las
condiciones meteorológicas ni estacionales, a
diferencia de lo que ocurre en los sistemas
aerotérmicos.
El intercambio de calor con el subsuelo
permite proporcionar el mismo confort pero con
una necesidad de energía eléctrica mucho
menor que la de una bomba de calor
aerotérmica.
Figura 37: Esquema de una instalación geotérmica báasica
46
La dificultad principal que surge es la
incertidumbre en la caracterización del
comportamiento térmico del subsuelo. Las
propiedades térmicas que es necesario
caracterizar en el diseño de este tipo de
instalaciones son la conductividad térmica
(), la difusividad térmica (α), y la capacidad
calorífica volumétrica (ρcp) del terreno donde
se van a efectuar las perforaciones. Estos
parámetros son los datos de entrada de los
programas informáticos que, mediante
simulación, permitirán obtener el rendimiento
de la instalación geotérmica.
La cantidad y la profundidad de las
perforaciones que se requieren para
satisfacer una determinada carga térmica,
dependen mucho de las propiedades
térmicas del terreno. La estimación precisa
del comportamiento térmico del terreno se
antoja fundamental para obtener un
dimensionado óptimo de la instalación
(número de perforaciones, profundidad de las
perforaciones, tipo de sistema), y poder así
reducir el coste de inversión aumentando su
rentabilidad económica.
El ensayo de TRT permite evaluar in
situ la capacidad de un sistema geotérmico
para poder determinar las condiciones
térmicas locales del subsuelo (conductividad
térmica efectiva del terreno), y los
parámetros característicos de la instalación
que afectan a su rendimiento (resistencia
térmica de la perforación).
Antes de proceder a explicar el
desarrollo teórico de la transferencia de calor
en el subsuelo se muestran los parámetros
geométricos, termofísicos e hidráulicos que
intervienen en el mismo.
Di : Profundidad de la zona aislada del pozo
[m]
Dm = Di + H/2: Profundidad media del pozo [m]
H: Profundidad eficaz del pozo [m]
Hb = Di + H: Profundidad total del pozo [m]
r : Radio [m]
r0: Radio del pozo [m]
Lp: Longitud total de tuberia [m]
Figura 38: Parámetros geométricos
T0: Temperatura media anual de la
superficie del terreno [K]
Tsur: Temperatura media del terreno
en condiciones normales (sin pozo)
[K]
Tr: Temperatura del terreno de la
pared del pozo [K]
Tf: Temperatura media del fluido
caloportador [K]
Q: Potencia termica intercambiada
[W]
q=Q/H: Flujo de potencia termica
intercambiado [W/m]
λ: Conductividad termica del
terreno [W/mK]
a: Difusividad termica del terreno
[m2/s]
Figura 38: Parámetros termofísicos
Parámetros hidráulicos
s: reducción del nivel de agua en el pozo [m]
Las capas rocosas del subsuelo se
consideran heterogéneas y anisótropas. El
principal mecanismo de transferencia de
calor es la conducción, aunque es importante
considerar también la convección que se
establece en las grietas y fisuras con aire y
agua, y que depende del tamaño de las
mismas y de las propiedades del fluido que
contienen. La radiación entre las superficies
de las fisuras de las rocas puede
despreciarse.
El ensayo de TRT se efectúa en una
perforación aislada, con una tasa de
intercambio de calor constante entre el
subsuelo y el fluido caloportador que se hace
pasar por la misma, y es por esto que no se
considera el efecto de las perforaciones
contiguas que puedan existir.
La temperatura del subsuelo
aumenta con la profundidad. Esto es lo que
se conoce como gradiente geotérmico.
El gradiente geotérmico no varía con
el tiempo y los cambios estacionales de
temperatura en la superficie no afectan a la
temperatura del subsuelo a partir de los 10
metros de profundidad.
No obstante, cuando se introduce o
se extrae calor en un pozo, el campo de
temperatura del subsuelo empieza a variar.
Si la tasa de intercambio de calor es
constante, el campo de temperatura
alcanzará un régimen estacionario en unos
20 o 25 años.
El campo de temperatura en el
subsuelo responde a la ecuación
fundamental de la conducción de calor:
La temperatura, T, en un punto de
coordenadas (x, y, z) está determinada por el
tiempo, t, y por la difusividad térmica del
terreno, a. La naturaleza lineal de esta
ecuación permite aplicar el principio de
superposición: si dos campos diferentes de
temperatura satisfacen la ecuación, entonces
la suma de ambos también lo hará.
La fase transitoria y el pulso de tempera-tura superpuesto
Hay dos diferencias fundamentales
entre la fase transitoria y el pulso de
temperatura superpuesto asociado a una
tasa de intercambio de calor no constante en
el pozo. En primer lugar, la fase transitoria
alcanza siempre un régimen estacionario
mientras que el pulso de temperatura no, ya
que está limitado en el tiempo. En segundo
lugar, el proceso transitorio de incremento o
descenso de la temperatura del subsuelo se
considera superpuesto a la temperatura del
subsuelo en condiciones normales (sin
intercambio de calor en el pozo), Tsur,
mientras que el pulso de temperatura
asociado a una tasa de intercambio de calor
variable en el pozo, se superpone a la
temperatura media estacionaria del terreno,
Tr.
Así, para la fase transitoria se puede
escribir:
Donde:
Tr (t): Temperatura de la roca de la
pared del pozo [K]
Tr: Temperatura de régimen
estacionario en la pared del pozo [K]
Tsur: Temperatura del subsuelo en
condiciones normales (sin pozo) [K]
Trq (t): Cambio de temperatura en la
pared del pozo debido al intercambio de
calor con el fluido caloportador [K]
Integrando la ecuación fundamental
de la conducción térmica se llega a la
siguiente expresión:
Donde:
T(r,t) es la temperatura en el punto
de coordenadas (x, y, z). La condición inicial
impuesta en la integración de la ecuación
diferencial de la conducción de calor, es una
fuente de calor q en el instante t=0,
localizada en el punto de coordenadas (x’, y’,
z’), y una temperatura inicial del material de
0°C. No obstante, el intercambio de calor en
una perforación del terreno se aproxima más
a una fuente de calor lineal. Integrando la
ecuación anterior se obtiene:
En este caso la fuente de calor es
lineal, pasa por el punto de coordenadas (x’,
y’) y es paralela al eje z.
La siguiente consideración que es
necesario introducir con objeto de aproximar
mejor la ecuación del campo de temperatura
en el subsuelo, es establecer una fuente de
calor, q, no instantánea sino continua en el
tiempo. Considerando que se intercambia
una potencia térmica _(t’), desde el instante
t=0 en el que la temperatura del material es
0°C, entonces la temper atura en el instante t
viene dada por la siguiente expresión:
Si se establece φ(t’)=q constante en
el tiempo y se integra la ecuación anterior se
obtiene:
Donde:
Lo realmente interesante es conocer
cómo varía la temperatura con el tiempo en
un punto situado a una distancia radial, r, de
la fuente lineal de calor. Por esto, conviene
expresar la ecuación anterior de la siguiente
manera:
Donde:
La función Et(T) representa el cambio
de temperatura con el tiempo a una distancia
radial r del pozo.
Para T ≥ 0,5 la expresión que sigue
es válida con un error máximo de 1%
Donde Υ=0,5772 (constante de
Euler).
Para el caso T ≥ 5 se puede
aproximar con un error máximo de 2%:
Sustituyendo en la expresión
obtenida para el campo de temperatura en el
terreno, se obtiene:
Tal y como se ha mencionado, esta
expresión es válida con un error máximo de
2% en el caso:
Introduciendo la expresión obtenida
en la ecuación de régimen transitorio ya
vista, y particularizando para r = r0 (pared del
pozo), se tiene:
Se define la resistencia térmica de
intercambio de calor en el pozo, Rb, como
sigue:
Donde:
Tf: Temperatura del fluido caloportador [K]
Introduciendo la expresión de la
resistencia térmica y despejando, se obtiene:
El régimen estacionario
Considerando que el radio del pozo,
r0, y la profundidad de su zona aislada, Di,
son pequeños en comparación con la
profundidad total del mismo, se llega a la
siguiente ecuación para régimen
estacionario:
El tiempo que transcurre hasta
alcanzar el régimen estacionario, ts, se
obtiene igualando las expresiones obtenidas:
El test de respuesta térmica
El objetivo del TRT es la
determinación de las propiedades térmicas
del sondeo in situ.
En la sección anterior se han
comentado los diferentes parámetros que
afectan a la inyección de calor en el sondeo.
La idea que subyace tras el ensayo de TRT
consisten en inyectar un flujo de calor
constante en un sondeo con una profundidad
y un radio conocidos. Mediante la
monitorización de las temperaturas de
impulsión y retorno del fluido calorportador
durante un periodo de tiempo, se determina
la temperatura media del fluido para
diferentes valores de t. La inyección de calor
inicia un proceso transitorio donde los
parámetros de conductividad térmica,
resistencia térmica del sondeo y la Tsur son
desconocidas. Estos parámetros se
determinan mediante la realización del
ensayo TRT.
Como se ha mencionado
anteriormente, la potenciad de calor
inyectada debe ser constante.
Temperatura del terreno sin perturbar
Es necesaria la determinación previa
del terreno sin perturbar con anterioridad a la
realización del ensayo TRT. Esta
temperatura puede ser determinada de dos
formas distintas. La primera de ellas consiste
en la medición de la temperatura a diferentes
profundidades en el sondeo para
posteriormente calcular la temperatura
media.
La segunda forma consiste en
circular agua sin aportar potencia calorífica.
Este método aporta una buena aproximación
siempre que la bomba de circulación no
caliente demasiado el fluido.
Conductividad térmica y resistencia térmi-ca
En la sección anterior, se ha obtenido
la expresión que relaciona la temperatura del
fluido calorportador con la temperatura del
terreno sin perturbar.
Donde:
Existe una relación lineal entre Tf y
ln(t) y podemos reescribir la ecuación anterior
de la siguiente forma
Con lo que la expresión anterior
queda de la siguiente forma
Para: t ≥ 5ro2 / α (con un error máximo del
2%)
Con esta expresión es sencillo el
cálculo de la conductividad térmica y la
resistencia térmica del sondeo
1. Se determina cuando se satisface la
condición de: t ≥ 5ro2 / α
Para ello, los parámetros a, λ y cr deben
ser supuestos (se toman de tablas) para
el subsuelo considerado.
2. Se representa el gráfico que relaciona Tf
frente al ln (t) para todos los valores
monitorizados
3. Se determina la pendiente k de la curva
representada en el paso 2 y teniendo en
cuenta las dos ecuaciones anteriores, se
deduce que esta pendiente k = Q / 4πλH,
y conocidas la potencia calorífica
inyectada y la profundidad del sondeo es
sencilla la determinación de la
conductividad térmica equivalente del
terreno.
4. Para cada pareja de datos de Tf y t, la
resistencia térmica del sondeo se
determina utilizando la conductividad
térmica equivalente calculada en el paso
3. Esta resistencia térmica del sondeo se
determina mediante la siguiente
expresión.
Equipo para la realización del TRT
El equipamiento básico para la
realización del TRT es muy sencillo. Es
necesaria una bomba de agua, una
resistencia térmica para el calentamiento, un
tanque y varios sensores para medida de
temperatura de entrada y de salida así como
un medidor de caudal. El único requisito para
el equipamiento móvil es la necesidad de
abastecimiento eléctrico que permita la
realización del ensayo.
Figura 39: Equipo móvil de TRT
Figura 40: interior equipo móvil de TRT
Ensayo de respuesta térmica en TKNIKA
El ensayo de TRT de las
perforaciones que componen nuestras
instalaciones geotérmicas, se realizo el día
19 de de junio de 2010.
La instalación está compuesta de 3
sondas de simple “U”, con una profundidad
de 100 m., con una distancia entre cada una
de ellas de 9 m.
El TRT, se realizo en una de las
sondas, la cual está equipada además con
sistema de control de temperatura a
diferentes niveles, para poder registrar la
evolución de las temperaturas del terreno.
Precisamente por esa razón, el
diámetro de perforación es mayor que en las
otras dos (160 mm).
En todos los casos hemos empleado
sondas de simple “U”, Ø 40 mm y relleno
intersticial mediante grava silicea.
Para la realización del TRT, se han
tomado dos instantes de tiempo para
representar los valores de conductividad
térmica equivalente del terreno y resistencia
térmica del sondeo.
Los criterios de tiempo que se han
definido para expresar los resultados
obtenidos durante el ensayo son los
siguientes:
tb1 ≥ 5ro2 / α
tb2 ≥ 50ro2 / α
El máximo error asociado al primer
caso es inferior al 2 % y considerablemente
menor para el segundo caso.
Determinación de la conductividad térmi-ca
Durante el inicio del ensayo se
inyectó agua al terreno sin aporte de energía
calorífica para realizar la estimación de la
temperatura del subsuelo sin perturbar. En el
siguiente gráfico puede observarse el
resultado de la primera fase del ensayo.
Grafico 1: Evolución de la temperatura a lo largo del tiempo (s) durante la primera fase del ensayo sin aporte de
energía eléctrica a la resistencia
Se observa que tras un período
transitorio inicial, la temperatura media del
subsuelo es del entorno a 16 ºC.
Una vez terminada esta primera fase,
se conectó la resistencia eléctrica del equipo
de ensayo para evaluar el comportamiento
del agua del circuito cerrado a lo largo del
tiempo monitorizando los datos de
temperatura de entrada y salida del agua así
como el caudal circulante. De esta forma, es
posible el cálculo de la potencia calorífica
que se aporta al fluido y puede estimarse la
conductividad térmica equivalente del terreno
mediante la metododogía descrita
anteriormente.
El resultado del ensayo se muestra
en el siguiente gráfico.
Grafico 2: Evolución de la temperatura a lo largo del tiempo (s) de las temperaturas de entrada y salida y representa-ción de la temperatura media del fluido.
Los instantes de tiempo en los que
se van a representar los resultados son:
tb1 = 4 horas y 42 minutos
tb2 = 46 horas y 57 minutos.
Para el cálculo de los instantes
mencionados, se ha supuesto que la
conductividad térmica del terreno es de 3
W/mK, la capacidad calorífica es de 1000
J/kgK y la densidad es de 2400 kg/m3.
Como se ha explicado anteriormente,
para la determinación de la conductividad
térmica equivalente es posible la utilización
de la función Tf es linealizada como
Donde k es la pendiente de la recta
que se representa en el siguiente gráfico.
Temperatura media del fluido frente a logaritmo neperiano del tiempo.
Gráfico 3: Variación de la temperatura del fluido frente al logaritmo neperiano del tiempo de ensayo
La potencia térmica que se aporta al
fluido, se calcula como el producto del flujo
másico de agua por el salto de temperatura y
la capacidad calorífica del mismo y se ha
tomado el valor medio que se ha obtenido a
lo largo del ensayo.
En el siguiente gráfico puede verse la
evolución del aporte de potencia térmica que
se ha producido durante la realización del
ensayo.
Gráfico 4: Evolución de la potencia térmica aportada al fluido durante la realización del TRT.
La potencia media aportada durante el ensayo fue de 6,52 kW.
Los resultados del ensayo se representan en la siguiente tabla
1.1.14. Bibliografia
Norma VDI 4640
REHAU. sistema raugeo para el aprovechamiento geotérmico
Herramientas de perforación. Talleres Segovia s.l.
Materiales de perforación. Krham 2000 s.l.
Guía técnica de sondeos geotérmicos superficiales. Fenercom
Guía técnica de bombas de calor geotérmicas. Fenercom
Energía geotérmica de baja temperatura. Antonio Creus Solé
Guide pour les maîtres d’ouvrage. Suisse énergie
Técnicas de construcción de sondeos de aguas subterráneas. Tomas
García Ruiz