U D 02.Sondas geotérmicas

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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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– 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).

3


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

4


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


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:

6


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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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


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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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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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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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

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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


(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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Figura 23 Varillaje simple pared

Fuente: Talleres Segovia sl

Figura 24 Varillaje simple pared


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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



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


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


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


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

U D 02.Sondas geotérmicas

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