geotermia y feflow

7/22/2019 Geotermia y Feflow

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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS

Titulacin: INGENIERO GELOGO

PROYECTO FIN DE CARRERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERAGEOLGICA

SIMULACIN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN

APROVECHAMIENTO GEOTRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA

EVA RIVAS POZO DICIEMBRE 2012


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TITULACIN: INGENIERO GELOGO

Autorizo la presentacin del proyecto

SIMULACIN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN

APROVECHAMIENTO GEOTRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA

Realizado por

Eva Rivas Pozo

Dirigido por

Francisco Javier Elorza Tenreiro

Firmado: Francisco Javier Elorza Tenreiro

Fecha:.


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I

NDICE

RESUMEN Y ABSTRACT...VI

DOCUMENTO 1 MEMORIA

1 OBJETIVOS Y ALCANCE ................................................................................... 2

2 ANTECEDENTES .................................................................................................. 3

2.1 SITUACIN Y DESCRIPCIN DE LA REGIN DE ESTUDIO ................. 4

2.1.1 Situacin de la regin de estudio .................................................................. 4

2.1.2 Marco Geolgico ............................................................................................ 5

2.1.3 Caractersticas Hidrogeolgicas................................................................... 7

2.2 ESTUDIOS ANTERIORES ................................................................................. 8

3 GEOTERMIA........................................................................................................ 10

3.1 DEFINICIN ...................................................................................................... 10

3.2 CLASIFICACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA ................................ 10

3.2.1 Clasificacin de la energa geotrmica ...................................................... 11

3.3 GEOTERMIA DE MUY BAJA ENTALPA O MUY BAJA

TEMPERATURA ...................................................................................................... 113.2.1 Generalidades y conceptos importantes .................................................... 12

3.2.1 Sistemas cerrados ........................................................................................ 13

3.2.1 Sistemas abiertos ......................................................................................... 15

3.4 ENERGA GEOTRMICA EN EL MUNDO Y EN ESPAA ...................... 19

3.5 MARCO LEGAL Y NORMATIVA APLICABLE ......................................... 21

4 EL PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLGICO ....................................... 23

4.1 CARACTERIZACIN DE LAS AGUAS SUBTERRNEAS ....................... 23

4.2 FORMULACIN PROBLEMA DE FLUJo HIDROGEOLGICO ............ 24

4.2.1 Ley de Darcy ................................................................................................ 25

4.2.2 Principio de continuidad ............................................................................. 26

4.2.3 La ecuacin fundamental del flujo ............................................................ 26

4.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS 26

5 MODELO DE TRANSPORTE DE CALOR ...................................................... 30

5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR ...................................................................... 30

5.1.1 Propiedades trmicas del suelo .................................................................. 30


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II

5.1.2 Mecanismo de transferencia del calor ....................................................... 31

5.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA DE TRANSPORTE DE CALOR ..... 32

5.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS 33

6 MODELO DE FLUJO CON EL PROGRAMA FEFLOW ........................... 35

6.1 EL PROGRAMA ................................................................................................ 35

6.2 MODELO CONCEPTUAL ................................................................................ 37

6.3 DATOS DE ENTRADA DEL MODELO ......................................................... 41

6.3.1 Geometra y mallado ................................................................................... 41

6.3.2 Configuracin del problema ....................................................................... 47

6.3.3 Parmetros del modelo ............................................................................... 48

6.4 SIMULACIN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO ................... 54

6.5 TRANSPORTE DE CALOR ............................................................................. 58

6.5.1 Configuracin del problema ....................................................................... 58

6.6 DATOS DE ENTRADA EN TRANSPORTE DE CALOR ............................. 58

6.6.1 Condiciones iniciales ................................................................................... 58

6.6.2 Condiciones de contorno ............................................................................. 61

6.6.3 Propiedades de los materiales .................................................................... 61

6.7 DATOS DE REFERENCIA: CALIBRACIN ................................................ 63

6.8 SIMULACIN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO YTRANSPORTE DE CALOR .................................................................................... 67

7 CONCLUSIONES ................................................................................................. 74

8 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................ 78

DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO

1 COSTES DE EJECUCIN DEL PROYECTO ................................................. 85

1.1 COSTE DE PERSONAL .................................................................................... 851.2 COSTE DE RECURSOS MATERIALES ........................................................ 86

1.2.1 Material informtico ................................................................................... 86

1.2.2 Material fungible ......................................................................................... 87

1.2.3 Gastos varios ................................................................................................ 87

1.3 COSTES PARCIALES ....................................................................................... 88

1.4 COSTES GENERALES Y GASTOS TOTALES ............................................ 88

1.5 COSTE TOTAL DEL PROYECTO ................................................................. 89


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III

NDICE DE FIGURAS

DOCUMENTO 1: MEMORIA

Figura 1: Distribucin del comienzo de la explotacin geotrmica en Zaragoza (Garrido

Schneider, E.2010). ....................................................................................................................... 3

Figura 2: Plano de la ciudad de Zaragoza (modificado de

http://www.mapasespana.com/espana/zaragoza/). ....................................................................... 5

Figura 3: Cuenca del Ebro (Fuente: http://conomene6a.wordpress.com/page/8/). ..................... 5

Figura 4: Distribucin de lneas isopiezas (m.s.n.m) en aguas altas (septiembre) deducidas de

un modelo de flujo. (Fuente: elaboracin propia). ....................................................................... 7

Figura 5: Variacin del gradiente geotrmico en el subsuelo. (Fuente: efitek geotermia). ....... 12

Figura 6: Captacin horizontal y vertical (Fuente: Hala Gerodur/CHYN. Gothermie.

LUtilisation de la chaleur terrestre.Suisse nergie). ................................................................. 14

Figura 7 Cimentaciones termoactivas (Fuente: Groen energy y www.Gquierosereco.com). .... 14

Figura 8: Esquema de un sistema ASET-A (Fuente: Gua Tcnica de Sistemas Geotrmicos

Abiertos)...................................................................................................................................... 16

Figura 9: Esquema de un sistema geotrmico abierto de recirculacin (Fuente: Gua Tcnica

de Sistemas Geotrmicos Abierto). ............................................................................................. 17

Figura 10: Produccin de calor ao 2000 (Fuente: Site Geothermie-Perspectives de lADEME

et du BRGM) ............................................................................................................................... 19

Figura 11: Mapa de zonas geotrmicas en Espaa (Fuente: IGME). ........................................ 20

Figura 12: Esquema de la discretizacin espacial que realiza el programa Feflow (Fuente:

White papper 1)........................................................................................................................... 27

Figura 13: Aprovechamientos geotrmico y piezmetros en la ciudad de Zaragoza. (Fuente:

elaboracin propia). ................................................................................................................... 37

Figura 14: Regin de estudio (en rojo) (Fuente: elaboracin propia)....................................... 38

Figura 15: Sistema geotrmico Aragonia e isopiezas. (Fuente: elaboracin propia)................ 38

Figura 16: Esquema fronteras de flujo de la regin de estudio (Fuente: elaboracin propia).. 39

Figura 17 Esquema de las unidades hidro-estratigrficas (Fuente: elaboracin propia). ........ 40

Figura 18: Imagen inicial de los archivos importados desde ArcGIS en Feflow. (Fuente:


Figura 19: Supermesh (Fuente: elaboracin propia)............................................................. 42

Figura 20: Propiedades del generador de malla Gridbuilder (Fuente: elaboracin propia).r. 43

Figura 21: Malla realizada en Feflow de 1000 elementos (Fuente: elaboracin propia). ..... 44

Figura 22: Detalle de la malla realizada (Fuente: elaboracin propia).................................... 45

Figura 23: Ventana del configurador 3D (Fuente: elaboracin propia). .................................. 45

Figura 24: Vista en 3D del bloque de 32 capas (Fuente: elaboracin propia).......................... 46

Figura 25: Bloque de 32 capas con relieve topogrfico (Fuente: elaboracin propia)............. 47

Figura 26: Panel de Datos Data Panel (Fuente: elaboracin propia). ................................. 48

Figura 27: Piezometra inicial (Fuente: elaboracin propia).................................................... 49

Figura 28: Condiciones de contorno de flujo (Fuente: elaboracin propia). ............................ 50

Figura 29: Pozos de captacin e inyeccin en funcionamiento (Fuente: elaboracin propia). . 51

Figura 30: Recarga (Fuente: elaboracin propia). .................................................................... 52Figura 31: Conductividad hidrulica o Permeabilidad (Fuente: elaboracin propia).............. 53


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IV

Figura 32: Porosidad eficaz (Fuente: elaboracin propia). ...................................................... 53

Figura 33: Diagrama error e iteraciones (Fuente: elaboracin propia). .................................. 54

Figura 34: Corte transversal del nivel piezomtrico (Fuente: elaboracin propia). ................. 55

Figura 35: Nivel piezomtrico en 3D (Fuente: elaboracin propia). ......................................... 55

Figura 36: Presin (Fuente: elaboracin propia). ..................................................................... 56

Figura 37: Balance hdrico (Fuente: elaboracin propia). ........................................................ 57Figura 38: Temperatura inicial (Fuente: elaboracin propia). ................................................. 59

Figura 39: Diagrama de serie temporal (Fuente: elaboracin propia). .................................... 60

Figura 40: Detalle de temperatura en los pozos (Fuente: elaboracin propia). ........................ 60

Figura 41: Condiciones de contorno de temperatura (Fuente: elaboracin propia). ................ 61

Figura 42: porosidad (calor) (Fuente: elaboracin propia). ..................................................... 62

Figura 43: Dispersin longitudinal (Fuente: elaboracin propia). ........................................... 62

Figura 44: Dispersividad transversal (Fuente: elaboracin propia). ........................................ 63

Figura 45: Situacin del piezmetro del IGME (Fuente: elaboracin propia) .......................... 63

Figura 46: Diagrama de temperatura tras simulacin en el piezmetro. (Fuente: elaboracin

propia). ........................................................................................................................................ 64Figura 47: Grfico de comparacin de las temperaturas medidas frente a las simuladas.

(Fuente: elaboracin propia) ...................................................................................................... 65

Figura 48: Diagrama temperatura tiempo transcurrido en los pozos de inyeccin. (Fuente:


Figura 49: Diagrama longitud de paso de tiempo-tiempo transcurrido. (Fuente: elaboracin

propia) ......................................................................................................................................... 68

Figura 50: Temperatura en 3D. (Fuente: elaboracin propia) .................................................. 68

Figura 51: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente:


Figura 52: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente:elaboracin propia). ................................................................................................................... 71








elaboracin propia). .....................................................................Er ror ! Marcador no defi nido.



Figura 58: Grfico de temperatura y de nivel piezomtrico medidos en el piezmetro. (Fuente:

Eduardo Garrido). ...................................................................................................................... 76


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V

NDICE DE TABLAS


Tabla 1: Parmetros hidrogeolgicos considerados en el proyecto. (Fuente: elaboracin

propia)......................................................................................................................................... 24

Tabla 2: Propiedades materiales para el calor (Fuente: elaboracin propia). ......................... 31

Tabla 3: Caudales de captacin o extraccin (Fuente: elaboracin propia). ............................ 50

Tabla 4: Caudales de inyeccin o vertido (Fuente: elaboracin propia). .................................. 51

Tabla 5: Parmetros hidrogeolgicos considerados en el proyecto (Fuente: elaboracin

propia)......................................................................................................................................... 52

Tabla 6: Propiedades trmicas. (Fuente: elaboracin propia) ................................................. 61

Tabla 7: Costes de Personal (Fuente: elaboracin propia). ...................................................... 85

Tabla 8: Amortizacin y coste de los equipos informticos (Fuente: elaboracin propia). ....... 86

Tabla 9: Amortizacin y coste del software (Fuente: elaboracin propia). ............................... 86

Tabla 10: Costes material informtico (Fuente: elaboracin propia). ...................................... 87

Tabla 11: Costes material fungible (Fuente: elaboracin propia). ............................................ 87

Tabla 12: Costes recursos materiales (Fuente: elaboracin propia)......................................... 87

Tabla 13: Costes recursos materiales (Fuente: elaboracin propia)......................................... 88

Tabla 14: Costes parciales (Fuente: elaboracin propia)......................................................... 88

Tabla 15: Costes generales y gastos totales (Fuente: elaboracin propia). .............................. 88

Tabla: 16 Coste total (Fuente: elaboracin propia)................................................................... 89


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VI

RESUMEN Y ABSTRACT

Resumen

El proyecto aqu presentado realiza un estudio de los problemas de flujo y transporte poraguas subterrneas. Matemticamente, tanto el problema de flujo como de transporte se

resuelven mediante el mtodo de elementos finitos. Primero se resuelve el problema de

flujo en rgimen estacionario y a posteriori, y sobre ste, se resuelve el problema de

transporte de calor. El cdigo que se emplea para este fin es el Feflow. Este programa

proporciona una serie de representaciones grficas y numricas del problema.

Este proyecto nace de la necesidad de estudiar la evolucin trmica del acufero aluvial

urbano en Zaragoza, pues ste ha sufrido un aumento de su temperatura debido a losdistintos aprovechamientos geotrmicos que existen en la ciudad. Con su aplicacin se

pretende apoyar el diseo y la implementacin de tcnicas de remediacin para la

problemtica actual, as como recomendaciones de seguimiento y control con el fin de

asegurar y alargar la vida de los aprovechamientos geotrmicos instalados.

Abstract

The project presented here made a study of the problems of flow and transport by

groundwater. Mathematically, both the problem of flow and transport are solved by the

finite element method. First, solve the problem of flow in stationary regime and "a

posteriori" and on this to solve the problem of heat transport. The code that is used for

this purpose is Feflow. This program provides a number of graphical and numerical

representations of the problem.

This project stems from the need to study the thermal evolution of the urban alluvialaquifer in Zaragoza, as this has suffered an increase in temperature due to the various

geothermal exploitation that exist in the city. Its application aims to support the design

and implementation of remediation for the current problematic techniques and

recommendations of monitoring and control to ensure and extend the life of installed

geothermal exploitation.


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VII

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar me gustara darle mi ms sincero agradecimiento a Patxi, primero por

confiar en m, segundo porque a pesar de estar muy ocupado siempre ha sacado un

hueco para atenderme y ayudarme y tercero, y sobre todo, por los muchos nimos y

consejos.

Me gustara agradecer tambin a todo el personal del IGME, en concreto al

departamento de aguas. A Jos Antonio de la Orden, a Leticia, a Ricardo, a Antonio

Azcn, y especialmente, a Eduardo Garrido y a Lola.

En esta ltima etapa ha habido tres personas que especialmente me han animado,

consolado y ayudado, son Laura, Ana, y Marga, muchsimas gracias chicas.

Tambin dar las gracias, a los muchos y buenos amigos que me llevo de la Escuela.

Por ltimo, y por los que, sin ellos, no hubiera llegado hasta aqu, mi familia, muchas

gracias a todos. Mencin especial a mis padres y a mi hermana, gracias por todo, por el

apoyo, por los nimos, por la confianza, por el soporte, por el cario y una lista tan

larga que no cabe en esta hoja, por todo, siempre os estar agradecida.


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SIMULACIN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UNAPROVECHAMIENTO GEOTRMICO EN LA CIUDAD DE

ZARAGOZA



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2

1 OBJETIVOS Y ALCANCE

El objetivo de la simulacin matemtica es analizar y obtener una representacin

espacial y temporal del comportamiento del flujo y de la trasferencia de calor en el

acufero aluvial urbano de la ciudad de Zaragoza, donde existen numerosos

aprovechamientos geotrmicos. Constituyendo una herramienta que nos muestra tanto

la problemtica actual: la interferencia trmica, la autointerferencia y el aumento de

temperatura del acufero; como su evolucin en un futuro prximo. Se podrn establecer

as medidas de control y seguimiento para que no disminuya el rendimiento de los

aprovechamientos, principalmente en cuanto a la refrigeracin (el uso principal) y

alargando de esta forma su vida til. As mismo, se podr determinar las afecciones

entre aprovechamientos y las zonas que son viables o no, de albergar nuevos

aprovechamientos geotrmicos.

Para llevar a cabo el estudio del comportamiento y evolucin del acufero y su relacin

con los aprovechamientos geotrmicos all implantados, se ha empleado el cdigo

Feflow. Este programa permite la simulacin del flujo agua subterrnea y del

transporte de calor en un acufero mediante el mtodo de elementos finitos.

En el presente proyecto se llev a cabo el estudio de un modelo de escala reducida en

un aprovechamiento geotrmico especialmente conflictivo desde el punto de vista

trmico. Con ello se obtiene, adems de lo citado anteriormente, una mejor compresin

de los datos necesarios, del modo en el que el cdigo los asimila y trata, y del manejo

del propio programa.

Con esto se quiere crear la base para una posterior ampliacin de la simulacin del

aprovechamiento geotrmico del acufero aluvial urbano de Zaragoza.


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3

2 ANTECEDENTES

La ciudad de Zaragoza se ubica sobre un acufero aluvial que por la mala calidad del

agua y la presencia en su composicin de ciertos elementos mayoritarios (cloruros,sulfatos y sodio) y en ocasiones algunos minoritarios, resulta imposible su uso para

consumo humano. [1]; [2]. Por lo que el agua del acufero se emplea en la actualidad

para:

Uso industrial: lavanderas, lavado de coches, procesos industrialesetc.

Regado y abastecimiento urbano: riego de parques, zonas verdes, prevencin de

incendiosetc.

Sistemas geotrmicos de climatizacin de edificios.

Precisamente ste ltimo punto es el de mayor demanda del agua del acufero, y en los

ltimos aos ha experimentado una gran expansin.

Figura 1: Di stribucin del comienzo de la explotacin geotrmica en Zaragoza (Garr ido Schneider , E .2010).

La temperatura en el subsuelo a cierta profundidad, unos 15-20 metros, se mantiene

constante a lo largo de todo el ao y por lo tanto tambin la temperatura del agua que

contiene, de esta situacin trmica se sirven los aprovechamientos geotrmicos. En este

caso los sistemas geotrmicos de climatizacin son de tipo abierto, lo que significa que

se extrae el agua directamente del acufero, se pasa por un intercambiador de calor, y

posteriormente se devuelve al acufero. Durante el invierno, en sistema de calefaccin,


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4

se capta el agua a una temperatura inferior a la que se encuentra en el exterior. El

intercambiador de calor, extrae el calor del agua, y el agua que se inyecta de vuelta al

acufero est a menor temperatura que la que se extrajo inicialmente. Por el contrario,

durante el verano, en sistema de refrigeracin, se extrae agua a una menor temperatura

que la del exterior, por lo que tras pasar por el intercambiador de calor, la reinyeccin

del agua que se introduce en el acufero se produce a una mayor temperatura de la que

exista en el acufero en el momento de la extraccin.

De lo anterior se explica, que durante la explotacin de un aprovechamiento geotrmico

de tipo abierto, como es el presente, exista una gran variacin de la temperatura del

acufero, y se entiende la necesidad de estudiar y comprender el comportamiento del

acufero, tanto desde la variacin del nivel piezomtrico, como desde el punto de vistatrmico. Por tanto, la simulacin numrica sirve, no slo para el estudio del flujo y el

transporte de calor, sino tambin como una herramienta de control y seguimiento. Es

por ello, que actualmente, la modelizacin est adquiriendo cada da ms importancia.

2.1 SITUACIN Y DESCRIPCIN DE LA REGIN DE ESTUDIO

2.1.1 Situacin de la regin de estudio

La ciudad de Zaragoza es la capital de la provincia homnima y de la Comunidad

Autnoma de Aragn. Es la quinta ciudad espaola en poblacin y concentra el 50% de

la poblacin de la Comunidad Autnoma de Aragn. Est situada en el centro de la

depresin del ro Ebro y donde desembocan dos de sus afluentes: el Gllego y el

Huerva. Tambin discurre por la ciudad el Canal Imperial de Aragn.

La regin de estudio se encuentra en la margen derecha del ro Ebro, prxima al Canal

Imperial de Aragn.


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5

Figura 2: Plano de la ciudad de Zaragoza (modif icado dehttp://www.mapasespana.com/espana/zaragoza/).

2.1.2 Marco Geolgico

La ciudad de Zaragoza pertenece a la parte central de la cuenca del ro Ebro. La cuenca

se origin durante el plegamiento alpino y su forma se aproxima a un tringulo, donde

un lado representara los Pirineos, otro la cordillera Costero-Catalana y el otro lado la

Cordillera Ibrica.

Figura 3:Cuenca del Ebr o (Fuente:http://conomene6a.wordpress.com/page/8/).

Se origin debido a la colisin de las placas Euroasitica y Africana con la Ibrica, lo

que caus la elevacin de los Pirineos y la formacin de la cuenca en el Terciario.

La erosin de los nuevos relieves origin la deposicin de los mismos en la cuenca. La

actividad tectnica se propici en varios episodios. Primero se fueron intercalando

etapas de sedimentacin y subsidencia de la cuenca con otros periodos erosivos. Tras
http://www.mapasespana.com/espana/zaragoza/http://conomene6a.wordpress.com/page/8/http://conomene6a.wordpress.com/page/8/http://www.mapasespana.com/espana/zaragoza/


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6

esos episodios, la cuenca pas a ser de tipo endorreico, donde el ambiente sedimentario

dominante era de tipo lacustre, y debido a la evaporacin se acumularon grandes

potencias de materiales evaporticos (yesos y sales) y carbonatos.

Posteriormente la Cuenca se abri hacia el mar Mediterrneo, y debido a la diferenciade altura, entre la cuenca y el mar, se produjo una gran actividad erosiva, eliminando los

materiales terciarios depositados anteriormente. Desde entonces y hasta la actualidad se

instala el sistema fluvial del Ebro y sus afluentes (Gllego y Huerva), intercalando

etapas de sedimentacin de materiales detrticos y etapas de erosin a lo largo del

Cuaternario. La alternancia de periodos de acumulacin de sedimentos con otros de

denudacin, caus el desarrollo de varios niveles de terrazas y glacis en la cuenca. [3]

En conclusin, el sustrato de la cuenca es paleozoico, y sobre ste sustrato se apoya una

cobertera muy irregular, mayoritariamente Terciaria (aunque tambin se observan

depsitos Mesozoicos). La sedimentacin de la cuenca del Ebro durante el Cuaternario

hasta la actualidad, produce el asentamiento de una potencia importante de materiales

detrticos sobre la cobertera Terciaria.

La acumulacin de gravas, arenas, limos y arcillas, en distintos episodios de erosin y

depsito durante el Cuaternario, han dado lugar a las terrazas aluviales del Huerva, del

Gllego y principalmente del Ebro. Estas terrazas son las que constituyen el acufero

aluvial urbano de Zaragoza. Las dimensiones del conjunto de las terrazas son muy

variables, en la margen derecha las terrazas se han escalonado, y la margen izquierda se

ha erosionado, por lo que el espesor de la formacin detrtica no es homogneo.

Las terrazas del Cuaternario presentan caractersticas litolgicas y granulomtricas

comunes. Cantos sub-redondeados a redondeados con dos modas: una de entre 1-5 cm y

la otra de 7-12cm. La matriz es mayoritariamente arenosa y en ocasiones cementada concarbonato, y en los depsitos ms antiguos llegan a constituirse una costra de caliche.

Pero la litologa predominante son: gravas, arenas, limos y lutitas. [3]

El presente proyecto se centra en la formacin acufera, que en este caso se trata de los

depsitos Cuaternarios y techo del Terciario y la interaccin entre ellos.

El valle que forman los ros Gllego, Huerva y Ebro a su paso por la ciudad de

Zaragoza, se encuentra encajado entre relieves terciarios. Las distintas transicionesTerciario-Cuaternario en los lmites de la cuenca producen:


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El desarrollo de extensos glacis al pie de los relieves Terciarios.

Enlaces imperceptibles con los niveles de terrazas del Cuaternario.

Zonas Terciarias elevadas, barrancos de dimensiones variables que

frecuentemente dan lugar a la formacin de vales o valles de fondo.

El lmite impermeable sobre el que se disponen las terrazas son formaciones de yesos,

halitas y lutitas del terciario. La circulacin de flujo por el contacto cuaternario-

terciario favorece la karstificacin y por tanto la disolucin, la subsidencia, el

hundimiento y colapso de los depsitos de terraza.

2.1.3 Caractersticas Hidrogeolgicas

La ciudad de Zaragoza, segn la terminologa de la Directiva Marco del Agua

(Directiva 2000/60/CE, de 23 de octubre de 2000), se asienta sobre dos masas de agua

subterrnea: el aluvial de Ebro y el aluvial del Gllego. ste es un lmite de carcter

administrativo, ya que existe una estrecha conexin entre ambos acuferos y

tcnicamente es conveniente definirlos como uno solo. [3]

El nivel fretico se encuentra entre cotas de 188 y 200 m.s.n.m con diferencias mnimas

entre la piezometra de aguas alta y aguas bajas [5].

Figura 4: Di stri bucin de lneas isopiezas (m.s.n.m) en aguas altas (septi embre) deducidas de un modelo de fluj o.

(Fuente: elaboracin propia).


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Desde el punto de vista hidrulico, el ro Ebro es un ro ganador ya que recibe una

importante transferencia subterrnea en el tramo de interseccin con el Gllego, que,

por lo tanto, es un ro perdedor. El ro Huerva se encuentra colgado, pues est

canalizado en la mayor parte de la ciudad. El Canal Imperial de Aragn situado al sur de

la ciudad se comporta como un lmite impermeable. [2].

El acufero es de tipo detrtico lo que resulta muy interesante desde el punto de vista

hidrogeolgico, ya que presenta un nivel piezomtrico poco profundo y proporcionan

caudales considerables.

En cuanto a los parmetros hidrogeolgicos ms importantes, si bien se describirn

mejor ms adelante, destacan valores altos de transmisividad. La transmisividad es un

valor que integra el espesor saturado del acufero y la permeabilidad, y en el acufero

aluvial urbano de Zaragoza toma valores entre los 2.500-3.500 m2/da. Estos datos son

relativos a todo el acufero y deducidos de ensayos de bombeo [3].

En cuanto a la geometra del acufero, estudios del IGME (Garrido Schneider, E.;

Moreno Merino., Azcn Gonzlez De Aguilar, A.)han permitido observar que la base o

sustrato del acufero cuaternario es muy irregular. En general el espesor del acufero es

de 20m, pero existen dos zonas donde se supera esta potencia de cuaternario. Una de

ellas est prxima al ro Gllego, en la margen izquierda del ro Ebro, donde se puede

llegar a profundidades de 80m, y la otra zona, en la margen derecha del ro Ebro,

situada al suroeste de la ciudad donde el espesor llega a 40m. [3]

2.2 ESTUDIOS ANTERIORES

El acufero aluvial urbano de Zaragoza ha sido objeto de numerosos estudios.

Se han realizado estudios de composicin qumica y calidad del agua subterrnea [5]

donde se ha visto un nivel elevado de afeccin por nitratos y altas concentraciones de

elementos mayoritarios que limitan y/o imposibilitan el uso del agua subterrnea para

riego o para consumo humano. Por este motivo se realiza un seguimiento y control del

agua subterrnea. [5]

Actualmente, el uso del agua que demanda ms agua del acufero es suaprovechamiento en sistemas geotrmicos. Por lo que, adems del estudio de la calidad


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y composicin qumica, se han llevado a cabo estudios para conocer el comportamiento

del flujo, la variacin de temperaturas del acufero y la posibilidad de afeccin trmica

del acufero.

La valoracin del impacto trmico [1] precis de la catalogacin e inventariado de todaslas caractersticas de los sistemas geotrmicos, diseo de los pozos, profundidad,

caudal, temperaturasetc. La conclusin tras el anlisis y control de la temperatura es

el aumento de la temperatura en el acufero y su relacin directa con los sistemas

geotrmicos, realizndose mapas de temperatura del agua. [6].

Complementando a lo anterior se realiz la primera modelizacin mediante el cdigo

VS2DHI. Desarrollado por Garca Gil, A. [6]. Se trata de un programa informtico

que resuelve problemas de transporte de energa en un medio poroso de saturacin

variable. Para la resolucin matemtica emplea el mtodo de diferencias finitas. En este

proyecto se realiz la simulacin de flujo y de transporte de calor de dos pozos

pertenecientes a un sistema geotrmico concreto. La conclusin a la que se lleg en este

caso fue que la pluma trmica se estabiliza a unos 300m y a los 5 aos.

Luego se ejecutaron dos modelizaciones con el programa Modflow. Realizados por

Garrido Schneider, E; Arce Montejo, M.V.; Van Ellen, W. El primer estudio abarc la

totalidad del aluvial del Ebro. El segundo estudio se llev a cabo dentro del proyecto de

la construccin del azud de la ciudad de Zaragoza. En ambos casos se estudi la

simulacin nicamente del flujo. Matemticamente el cdigo Modflow resuelve el

problema de flujo mediante el mtodo de diferencias finitas.

Para la concesin de explotacin de un sistema geotrmico, recientemente se ha

realizado una simulacin de flujo y transporte de calor mediante el cdigo Feflow,

Llevado a cabo por la empresa EGA2002.S.L. para Ibercaja. Matemticamente, esteprograma emplea el mtodo de elementos finitos. Las simplificaciones y la falta de

datos, en este caso, no llevan a un resultado realista del modelo.

Con el presente proyecto se pretende avanzar un paso ms en el conocimiento del

correcto funcionamiento del programa de modo que se aproxime lo ms posible a la

realidad actual del acufero. De esta manera este proyecto permitir seguir avanzando en

el estudio y evolucin de las afecciones trmicas que se producen debido a los

aprovechamientos geotrmicos.


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10

3 GEOTERMIA

3.1 DEFINICIN

Etimolgicamente hablando, geotermia, palabra de origen griego, deriva de geos, que

quiere decir tierra, y de thermos, cuyo significado es calor. Por lo tanto, geotermia se

entiende como: calor de la tierra. [7]

El trmino geotermia se emplea indistintamente para designar, tanto la ciencia que

estudia los fenmenos trmicos internos del planeta, como al conjunto de procesos

industriales que intentan explotar ese calor en la produccin elctrica, sistemas de

climatizacin, balneariosetc.

Los orgenes de este calor interno terrestre son de diversa naturaleza, siendo los ms

representativos:

1. La desintegracin de istopos radiactivos de larga vida, presentes tanto en la

corteza terrestre como en el manto. Los ms significativos son 235U, 238U, 40K,282Th.

2. Los movimientos diferenciales entre las capas principales que constituyen el

globo terrqueo, siendo las de mayor importancia las producidas entre manto y

ncleo

3. El calor inicial liberado en la formacin del planeta (datado en unos 4600

millones de aos) y que an se est liberando y llegando a la superficie.

4. La cristalizacin de la parte externa (lquida) del ncleo, proceso en el cual se

libera continuadamente calor. Especialmente en la zona de transicin al ncleo

interno (y slido).

Las grandes diferencias de temperatura entre la superficie de la tierra y la existente en

su interior originan un flujo continuo de calor hacia la superficie.

3.2 CLASIFICACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA

Las aplicaciones que se pueden dar a un fluido geotermal dependen de su contenido en

calor, o lo que es lo mismo, de su entalpa.


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11

Entalpa es la cantidad de energa trmica que un fluido, o un objeto, puede intercambiar

con su entorno. Se expresa en KJ/kg o en Kcal/Kg.

La correcta clasificacin terica de la energa geotrmica se basa en la entalpa. Dado

que la entalpa es una magnitud fsica difcilmente medible se emplea la temperaturapara la clasificacin de la energa geotrmica, ya que temperatura y entalpa pueden

considerarse proporcionales

3.2.1 Clasificacin de la energa geotrmica

a) Alta entalpa o alta temperatura (ms de 150C).

Con stas temperatura se transforma directamente el vapor de agua en energa elctrica

b) Media entalpa o media temperatura (entre 90C y 150C).

Su empleo se dirige a la generacin de electricidad, pero hay que utilizar un fluido de

intercambio, que es el que alimenta a las centrales. Se emplea tambin en procesos

agrcolas e industriales como: fabricacin de pasta de papel, secado de diferentes

productos, tintorerasetc.

c) Baja entalpa o baja temperatura (entre 30C y 90C).No es viable para la produccin de energa elctrica pero tiene aplicacin en la

calefaccin de edificios, agua caliente sanitaria y tambin en procesos agrcolas e

industriales.

d) Muy baja entalpa o muy baja temperatura (menos de 30C).

Se emplea en calefaccin, refrigeracin, climatizacin y produccin de agua caliente

sanitaria de edificios, pero es necesario el uso de bombas de calor. [8].

3.3 GEOTERMIA DE MUY BAJA ENTALPA O MUY BAJATEMPERATURA

El presente proyecto se encuadra dentro del grupo de los denominados

aprovechamientos geotrmicos de muy baja entalpa o muy baja temperatura. Los

recursos geotrmicos de muy baja entalpa se encuentran disponibles en la totalidad dela corteza terrestre y en principio, del mismo modo sus aplicaciones, pues es posible


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captar el calor almacenado en las capas superficiales del subsuelo o que se encuentran

relativamente a pocos metros de profundidad. En la realidad, la aplicabilidad de

proyectos geotrmicos de muy baja entalpa no es tan alta, pues aunque en temperatura

sea favorable, son en realidad los parmetros tcnicos y/o econmicos los definitivos

sobre la viabilidad del proyecto geotrmico. [8]

3.2.1 Generalidades y conceptos importantes

Las variaciones diarias de la temperatura ambiente no influyen ms all del primer

metro de profundidad, las variaciones estacionarias pueden influir en los primeros diez

metros de terreno. Pero si hacemos un estudio de la temperatura que tiene el subsuelo a

medida que profundizamos en distintas pocas del ao, se obtiene el grfico de la figura

5, en el que se observan cuatro curvas [8]:

Curva azul: representa el invierno donde a medida que profundizamos la

temperatura aumenta hasta un valor constante de 10C.

Curva roja: en el periodo estival ocurre a la inversa, a medida que se profundiza

la temperatura desciende a 10C.

Curvas amarilla y verde: el resto del ao (otoo y primavera) existen menos

variaciones pero finalmente se vuelven a alcanzar los 10C. [8].

Figura 5: Var iacin del gradiente geotrmico en el subsuelo. (Fuente: efitek geotermia).

El valor de esta temperatura de estabilizacin, en la figura 5(10C), suele ser

ligeramente superior a la media anual en superficie, de la zona en cuestin, y permite

realizar un intercambio trmico con el terreno, que eleva los rendimientos de las

instalaciones de climatizacin al disminuir los saltos trmicos en las bombas de calor.


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13

Es muy importante el correcto dimensionamiento en el proyecto geotrmico pues el

intercambio de calor con el subsuelo ha de ser cclico en el tiempo. Se ha de producir un

equilibrio entre el calor captado del subsuelo en la poca invernal (necesidades decalefaccin por parte del sistema) y el calor cedido al subsuelo en las pocas estivales

(necesidades de refrigeracin por parte del sistema). Si este equilibrio no se produce de

esta forma, o mediante disipacin y/o aportacin natural de calor por corrientes de

aguas subterrneas, entonces se corre el riesgo de saturar el terreno, es decir, de colapsar

el terreno trmicamente. De esta manera no ser posible realizar intercambio trmico, lo

que significa el fracaso de la instalacin geotrmica. [10]

Para la extraccin de energa geotrmica es necesaria la instalacin de una serie decolectores (un circuito) que se encargan de captar la energa trmica y transmitirla del

fluido de los colectores, al sistema de climatizacin y/o sistema de agua caliente

sanitaria (ACS) del edificio. Son dos circuitos independientes, uno, el del sistema

geotrmico y otro, el del sistema de climatizacin y/o el sistema de ACS del edificio. El

presente proyecto se centra en los sistemas abiertos, si bien tambin se realiza una breve

descripcin de los otros tipos existentes en el mercado para que quede clara la diferencia

entre unos y otros

3.2.1 Sistemas cerrados

Son los mtodos ms empleados. Se trata de una tubera de plstico resistente de tipo

PVC que se entierra bajo tierra. En su interior contiene una mezcla lquida de agua y

anticongelante que absorbe el calor del subsuelo y lo transfiere al interior del edificio.

La longitud del circuito depende de la demanda de calor/fro que requiere el edificio y la

conductividad del suelo de disipar el calor/fro. [9]

Segn el tipo de instalacin pueden ser:

Captacin vertical:

Consiste en la ejecucin de una o varias perforaciones en las que se introducirn

los captadores de energa. Ocupan poco espacio y proporcionan una gran

estabilidad de las temperaturas, pero su ejecucin es ms cara.


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Captacin horizontal:

Se ejecutan una serie de zanjas en las cuales se colocan los colectores de

energa. Es un sistema econmico, pero requiere de bastante superficie de

terreno.

Figura 6: Captacin hori zontal y vert ical (Fuente: H ala Gerodur /CHYN. Gothermi e. L Uti li sation de la chaleurter restre.Sui sse nergie).

Estructuras de cimentacin termoactivas:

Se trata de convertir la estructura resistente de cimentacin en sistemas

geotrmicos, en los que el propio pilote de la cimentacin acta de sistema

geotrmico, con un ahorro de trabajo y espacio al incluir la climatizacin en el

proyecto de construccin.

Figura 7 Cimentaciones termoactivas (Fuente: Groen energy y www.Gqui erosereco.com).


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3.2.1 Sistemas abiertos

Un sistema geotrmico abierto realiza el intercambio de calor directamente con un

acufero, mediante la perforacin de pozos de extraccin y de inyeccin en el terreno. El

agua funciona de fluido caloportador. Los sistemas abiertos no consumen agua

subterrnea, pues toda el agua extrada desde un pozo es reinyectada de nuevo al

acufero mediante otro pozo. Esto implica que la extraccin neta de agua subterrnea

sea cero.

Las explotaciones geotrmicas abiertas se consideran econmicamente interesantes para

aquellos proyectos en los que la potencia requerida se corresponde con la de un edificio

o bloques de vivienda de envergadura considerable, por ello en la ciudad de Zaragoza se

encuentran principalmente en edificios de oficinas, hospitales, hoteles, centros

comerciales, y edificios de dimensiones simulares., que cumplen con ese requisito. [11]

Segn su funcionamiento hay dos tipos de sistemas abiertos:

Sistemas Geotrmicos Abiertos de Recirculacin.

Sistemas ASET-A (Almacenamiento Subterrneo de Energa Trmica en

Acuferos).

El presente proyecto se centra en los Sistemas Abiertos de Recirculacin, si bien se

realiza una breve descripcin de los Sistemas ASET-A para que quede clara la

diferencia entre unos y otros.

3.3.3.1 Sistemas ASET-A

Consiste en el almacenamiento estacional de energa trmica en un acufero. En

invierno, se almacena energa trmica a una menor temperatura que la exterior (pozo

fro) y en verano se almacenaenerga trmica a mayor temperatura (pozo caliente).

Como en el intercambio de calor se extrae calor del agua, la inyeccin se produce en el

pozo fro y el agua inyectada estar a una menor temperatura que la captada,

almacenndose as, energa trmica en el agua. La captacin durante la poca estival se

realiza en el pozo fro, emplendose en la refrigeracin del edificio, pues se extrae

agua a menor temperatura que en el exterior. El intercambio trmico es el inverso que el


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del invierno, e inyectando el agua en el pozo caliente a una mayor temperatura de la

captada. De modo que, se almacena energa trmica en el agua, que se aprovechar en el

invierno. [11]

La diferencia con un sistema de recirculacin es que en sistemas ASET-A se cambia ladireccin del flujo, aprovechando as mejor la diferencia trmica alrededor de los pozos.

Figura 8: Esquema de un sistema ASET-A (F uente: Gua Tcni ca de Sistemas Geotrmi cos Abi ertos).

Este sistema presenta un mayor rendimiento que los sistemas de recirculacin, pero

exigen dos condiciones: el acufero ha de ser capaz de almacenar la energa trmica y el

proyecto debe tener una envergadura suficiente, a partir de una capacidad de 300 kW.

En el proyecto que nos ocupa, el acufero no es capaz de almacenar la energa trmica,

pues debido al flujo existente la energa trmica, se disipa, por lo que el nuestro es un

sistema abierto de recirculacin. [11]

3.3.3.2 Sistemas Abiertos de Recirculacin

El funcionamiento de este tipo de aprovechamientos reside en emplear la temperatura

natural del agua subterrnea del acufero. Como ya se ha explicado anteriormente, la

temperatura en el subsuelo suele mantenerse constante a lo largo de todo el ao.Durante el invierno la temperatura ambiental es inferior a la del acufero, entonces se


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extrae el agua del acufero a mayor temperatura que la del exterior, se pasa por una

bomba de calor y extrae ese calor que se emplear en la calefaccin del edificio. Como

resultado de extraer calor del agua, sta tendr una menor temperatura que ser a la que

se inyecta en el acufero.

De forma inversa ocurrir en verano, el agua que se capta se encuentra a menor

temperatura que la exterior, y se inyectar de nuevo en el acufero a una mayor

temperatura.

Los sistemas geotrmicos abiertos de recirculacin emplean como mnimo dos pozos,

uno de captacin o explotacin y otro de vertido o inyeccin. La circulacin del agua

subterrnea siempre tiene el sentido y direccin de flujo desde el pozo de captacin

hacia el pozo de inyeccin, es mono-direccional, tanto en calefaccin como en

refrigeracin, a diferencia de los sistemas ASET-A que cambian su sentido. [11]

Figura 9:Esquema de un sistema geotrmi co abierto de recir cul acin (F uen te: Gua Tcni ca de Sistemas

Geotrmi cos Abierto).

Los condicionantes que permiten una adecuada explotacin de este tipo de

aprovechamientos son:

Caudales relativamente altos.

Acuferos poco profundos, a partir de 200m de profundidad no compensa

econmicamente.

Espesores saturados grandes.


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Permeabilidades medias-altas, pues determina la eficiencia del pozo. Una

permeabilidad alta permite un caudal importante produciendo descensos poco

significativos.

El correcto dimensionamiento del pozo.

Por lo tanto, es imprescindible un estudio de detalle riguroso a escala local y una

revisin exhaustiva de la informacin existente de estudios previos relativos al

subsuelo.

Es muy importante para aumentar la vida til del sistema y para no producir un impacto

trmico del acufero mantener el equilibrio entre el calor extrado y el calor disipado por

el mismo. La mejor opcin para conseguir el equilibrio trmico es aplicar el sistema

tanto en refrigeracin como en calefaccin. Si slo se aplica para calefaccin, o slo

para refrigeracin se producir un desequilibrio, y habr que restaurar el balance

energtico, es decir, calentar o enfriar el agua hasta la temperatura natural del acufero

antes de la inyeccin del agua. [10]

De hecho, en algunos pases europeos con normativas especficas para sistemas

geotrmicos, el requisito para la concesin es presentar un balance energtico ptimo.

Todos los estudios que se realicen deben ir acompaados de modelizacin numrica

como apoyo en el diseo del sistema, mejora del aprovechamiento, estudio del balance

y evaluacin del impacto trmico asociado a su funcionamiento. He aqu la importancia

de este proyecto.

Tanto para los estudios, como para la adecuada gestin y control del aprovechamiento,

se recomienda como mnimo tener registros de:

Caudal del sistema Temperaturas de extraccin e inyeccin

Presin del sistema

Niveles de los pozos

Cantidad de agua bombeada

Cantidad de energa suministrada por el sistema geotrmico abierto, es decir,

calor extrado/disipado por el acufero.


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Con el control y seguimiento adecuados del aprovechamiento, no slo tenemos una

herramienta para advertir los problemas que puedan surgir, sino tambin la forma de

alargar la vida til del sistema. De esta forma se podrn estudiar las soluciones para la

interferencia de calor o para el aumento de temperatura como ocurre en este caso.

3.4 ENERGA GEOTRMICA EN EL MUNDO Y EN ESPAA

Desde la antigedad se ha empleado la geotermia, inicialmente en aguas termales en

balneoterapia. Pero el desarrollo de la geotermia actual, se produjo en las primeras

dcadas del S. XX. Islandia mediante el uso de la geotermia comienza a calefactar

invernaderos y suministrar calor en viviendas. En 1950 empieza la explotacin de la

energa geotrmica de baja temperatura en Islandia, Nueva Zelanda y Japn, y aprincipios de los setenta se incorporan Hungra, la URSS, Francia, Filipinas, Turqua y

EEUU. Desde entonces se produce una gran expansin, alcanzando en el ao 2000, 58

pases con aprovechamientos geotrmicos de cierta entidad. [8]

Figura 10: Produccin de calor ao 2000 (Fuente: Site Geothermi e-Perspectives de l ADEM E et du BRGM)

En cuanto al desarrollo de la geotermia de muy baja temperatura se produjo gracias la

evolucin de la bomba de calor. Su expansin en la dcada de los 80 es posterior a otros

tipos de aprovechamientos geotrmicos.

Por ltimo, la explotacin de la energa geotrmica para la produccin de electricidad

eclosion en la dcada de los setenta continuando hasta la actualidad, pero este


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aprovechamiento geotrmico presenta una mayor dificultad para su desarrollo ya que

requiere de reas geotrmicas de altas temperaturas.

En Espaa el Instituto Geolgico y Minero de Espaa (IGME) de 1970 -1983 realiz

investigaciones con el objetivo de determinar la viabilidad de diferentes tipos deexplotacin geotrmica. Los resultados de las investigaciones mostraron que existe

posibilidad y expectativas de emplear la geotermia en Espaa.

Figura 11: Mapa de zonas geotrmi cas en Espaa (F uente: IGME).

Debido al traspaso de competencias a las comunidades autnomas, la actividad

investigadora del IGME relativa a la geotermia ha ido disminuyendo. Actualmente

realiza investigaciones puntuales en este campo.

Como se observa en el Mapa de zonas geotrmicas en Espaa, no se consideraron los

aprovechamientos geotrmicos de muy baja temperatura (menos de 30C), ya que el

desarrollo de este tipo de explotacin comenz cuando ya se haba empezado a

menguar la investigacin.

La implantacin de la energa geotrmica de muy baja temperatura en Espaa es escasa,

y ms si la comparamos con el resto de pases Europeos. El poco desarrollo de este tipo

de energa puede deberse a factores climticos (ya que existen regiones donde la

variacin de temperatura es suave), la falta de promocin y de inters por el alto coste


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de ejecucin, la falta de apoyo institucional, la ausencia de la reglamentacin especfica

y el propio desconocimiento por parte de la gran mayora de la poblacin. [8]

En este sentido el estudio del aprovechamiento geotrmico de muy baja temperatura que

se lleva a cabo en la ciudad de Zaragoza es muy interesante, pues puede servir demodelo para el desarrollo de este tipo de energa en Espaa.

En Espaa la energa geotrmica est llamada a ocupar un papel importante dentro de

las energas renovables, especialmente la de muy baja temperatura, en la generacin de

climatizacin, pues se trata de una fuente de energa que puede contribuir a reducir la

dependencia energtica exterior.

3.5 MARCO LEGAL Y NORMATIVA APLICABLE

La regulacin existente en Espaa sobre sistemas geotrmicos es deficitaria, puesto que

no existe legislacin, reglamentacin, o normativa especfica estatal para la energa

geotrmica y sus distintos tipos de aprovechamientos. Por otra parte es compleja al

tener que adaptarse la reglamentacin general en distintos organismos, y normativas

estatales y autonmicas. Recientemente se ha creado una plataforma (GeoPlat) que se

adhiere a la Plataforma Europea de Energas Renovables y que cuenta con una parte

dedicada a la geotermia. Estas iniciativas permitirn definir reglas claras y eficaces que

mejoren el desarrollo tecnolgico de la geotermia. [12]

Los recursos geotrmicos en Espaa se regulan por las disposiciones estatales: Ley

22/1973, de 21 de julio, de Minas [13] y el Reglamento General para el Rgimen de la

Minera, aprobado por el Real Decreto 2857/1978, de 25 de agosto [14].

En la prctica y desde el punto de vista normativo-administrativo los recursos

geotrmicos tienen como autoridades competentes:

Autoridad competente para la realizacin de sondeos. Autoridad minera de la

correspondiente comunidad autnoma.

Es el rgano sustantivo, y es donde se debe iniciar los trmites. Ser el

responsable de autorizar los proyectos de aprovechamiento. [12] Se encargar de

trasladar el expediente al organismo Autnomo competente en materia


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22

Medioambiental, debido al Real Decreto Legislativo 1/2008 [15], de 11 de

enero, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Evaluacin de

Impacto Ambiental, y las Leyes de Evaluacin Ambiental de la Comunidad

autnoma.

El aprovechamiento de los recursos geotrmicos se desarrolla en la prctica a

travs de Instrucciones Tcnicas Complementarias (I.T.C.) del Reglamento

General de Normas Bsicas de Seguridad Minera (Real Decreto 863/1985, de 2

de abril [16]) y al cual se han de ajustar todas las prcticas mineras utilizadas en

la realizacin de un proyecto geotrmico.

Autoridad competente en materia de aguas. Confederacin Hidrogrfica

correspondiente.

Apoyar la aprobacin o denegacin del rgano sustantivo y valorar el impacto

ambiental que se pueda producir con el aprovechamiento y lo remitir al rgano

sustantivo que ser el que decida la aprobacin o negacin del proyecto.

Ha de tenerse en cuenta la normativa de aguas, Real Decreto Legislativo 1/2001,

de 20 de julio [17], por el que se aprueba el Texto Refundido de la Ley de Aguas

y el Reglamento del Dominio Pblico Hidrulico, que en el caso de sistemas

abiertos precisa de dos autorizaciones, una concesin para poder extraer agua y

una autorizacin de vertido. [11]

Tambin ha de considerarse el Plan Hidrolgico de la Cuenca correspondiente,

que en este caso es la del Ebro.

En cuanto a las leyes y normativas de carcter europeo se encuentra la Directiva

2009/28/CE [18], en la que la energa geotrmica resulta caracterizada explcitamente

como fuente de energa renovable.

El Reglamento de Instalaciones Trmicas (RITE), aprobado mediante el Real Decreto1027/2007 de 20 de julio [19], se basa en la necesidad de trasponer la directiva europea

2002/91/CE [20], modificando y derogando as el reglamento vigente en Espaa

aprobado en el Real Decreto 1751/1998 de 31 de julio.

En trminos de calificacin energtica de edificios, todas las nuevas edificaciones a

partir de 2007 deben secundar la directiva europea 2002/91/CE [20], mediante la cual se

fomenta la eficiencia energtica de Edificios, segn el Real Decreto 47/2007 de 19 de

enero [21], nacido para llevar a cabo esta directiva europea.


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4 EL PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLGICO

En este apartado se realiza una explicacin muy simplificada, primero del movimiento del

agua en el subsuelo y luego del problema matemtico asociado a este movimiento

4.1 CARACTERIZACIN DE LAS AGUAS SUBTERRNEAS

En el presente proyecto se trabaja en el acufero aluvial urbano de Zaragoza. Un acufero

es una formacin geolgica capaz de almacenar y transmitir agua, permitiendo el

movimiento del agua por gravedad. Este acufero adems es libre, es decir, la superficie delagua se encuentra a presin atmosfrica. [22]

Los parmetros hidrogeolgicos ms importantes, y que se han cuantificado en este

proyecto son: la porosidad eficaz, la permeabilidad o conductividad hidrulica y la

recarga.

La porosidad es la relacin entre el volumen de huecos total y el volumen total en un

medio poroso. Los huecos pueden estar ocupados con agua o con aire. La porosidad eficaz

es la relacin entre el volumen de huecos disponible para el flujo de agua y el volumen

total, esta ltima es ms interesante para estudiar el movimiento de agua en el subsuelo. El

coeficiente de almacenamiento representa el volumen unitario de agua liberado por el

acufero al descender el nivel piezomtrico, es un valor adimensional, y que en este caso al

tratarse de un acufero libre, es anlogo a la porosidad eficaz. [23]

La permeabilidad o conductividad hidrulica cuantifica la facilidad del acufero para dejar

pasar agua. En este caso se midi la transmisividad, que es la capacidad con que el mediodeja pasar el agua a travs de su espesor saturado, es decir, es la permeabilidad por el

espesor saturado.

Los parmetros de porosidad, permeabilidad y coeficiente de almacenamiento en

materiales detrticos dependen de la forma y el tamao de los granos, la distribucin de los

granos y de la compactacin y/o cementacin (ya que el cemento rellena los poros).

En las grandes cuencas sedimentarias, como la que nos ocupa, es frecuente el aumento de

porosidad y permeabilidad desde los bordes hacia el centro, aunque a una cierta distancia,


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24

al disminuir el tamao de grano si bien aumenta la porosidad disminuye la permeabilidad,

por lo que es complejo calcular con mucha precisin estos parmetros. [24].

En este caso la cuantificacin de la transmisividad se ha realizado mediante ensayos de

bombeo en distintos puntos de la ciudad, y conocido el espesor saturado, posteriormente,se convirti a Conductividad Hidrulica.

El dato de la recarga se extrajo de un trabajo realizado anteriormente mediante el programa

BALAN.

Para la zona de estudio que nos ocupa los valores considerados se muestran en la siguiente

tabla:

ConductividadHidrulica(m/s)

Porosidad Eficaz Recarga(m/d)

Primera unidad hidro-estratigrfica

15.10-4 0.08 1.608.10-3

Segunda unidad hidro-estratigrfica

20.10-4 0.05 1.608.10-3

Tercera unidad hidro-

estratigrfica22.10-4 0.1 1.608.10-3

Tabla 1: Parmetros hidrogeolgicos considerados en el proyecto. (F uente: elaboracin propia).

4.2 FORMULACIN PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLGICO

Partiremos de la ecuacin bsica de la dinmica de fluidos: la ecuacin de Bernoulli, que

expresa la energa de un fluido en movimiento en un punto, donde la carga o altura

hidrulica total (nivel piezomtrico) es igual a la suma de tres componentes, la alturageomtrica, la altura de presin y la altura de velocidad. Como la velocidad del flujo del

subsuelo es muy pequea, se puede despreciar este trmino. [25]

, donde:

Donde:


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25

El movimiento del agua se produce de zonas de mayor altura piezomtrica a zonas de

menor altura piezomtrica, la prdida de energa experimentada por unidad de longitud sedefine como gradiente hidrulico (i).

Donde:

4.2.1 Ley de Darcy

El presente proyecto se desarrolla en un medio poroso, la ecuacin que describe las

caractersticas del movimiento del agua subterrnea a travs de un medio poroso es la Ley

de Darcy. La velocidad del flujo de agua subterrnea, la velocidad de Darcy, depende del

gradiente hidrulico y de la permeabilidad. La velocidad real del agua subterrnea se

define como la velocidad de Darcy dividida por la porosidad. [22]

Donde:


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26

4.2.2 Principio de continuidad

Por ltimo se ha de considerar la ecuacin de continuidad o de conservacin de la masa.

Lo que nos indica que masa, o el volumen de lo que entra en un determinado medio poroso

debe ser igual a lo que sale. [11].

4.2.3 La ecuacin fundamental del flujo

Considerando la ley de Darcy , la ecuacin de continuidad, y la suma de entradas y

salidas de agua en un cubo poroso elemental, se obtiene la ecuacin fundamental del flujo.

Donde:

4.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS

La resolucin de la ecuacin fundamental del flujo en un medio poroso, en derivadas

parciales es muy compleja. Por lo que se recurre al mtodo de elementos finitos. Con este

mtodo convertimos la ecuacin, particularizndola a un dominio conocido, en un sistemade ecuaciones ms sencillas, y que gracias a los software informticos se resuelve ms

rpidamente.

Para que el sistema de ecuaciones funcione correctamente es importante considerar bien el

dominio y las condiciones, tanto de contorno del dominio, como las iniciales en el tiempo.

El dominio se discretiza mediante un mallado. El lugar donde se intersectan las rectas del

mallado se denominan nodos, y el rea que queda entre las rectas son los elementos. De


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27

esta forma ganamos precisin ya que algunas propiedades se definen en los nodos,

mientras que otras se definen en los elementos. [26];[27].

Como se puede deducir para un problema como el que se presenta en este caso, se precisan

infinidad de datos, establecer condiciones de contorno e iniciales del problema, y trabajarcon un sinfn de ecuaciones y algoritmos, por lo que el problema en este caso se resuelve

mediante del programa informtico Feflow.

Como se puede observar en la figura 12, el programa Feflow es capaz de realizar la

discretizacin espacial, tanto en una dimensin, como en dos y tres dimensiones.

Figura 12: Esquema de la discretizacin espacial que reali za el programa Fefl ow (Fuente: Wh ite papper 1)

En el captulo 6 se desarrollar ms detenidamente la metodologa del programa, ahora

brevemente se exponen las ecuaciones fundamentales que emplea el programa para la

resolucin del problema de flujo.

Las ecuaciones siguientes son las que emplea el programa para resolucin de los

problemas de flujo. [28]

Ecuacin 2-1, ecuacin de Richards, ecuacin que combina la ecuacin de Darcy y la

ecuacin conservacin de masas. [28]


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28

Ecuacin 2-2, es la ecuacin del flujo de Darcy. [28]

Ecuacin 2-3, ecuacin del transporte de masa. [28]

Donde:

So: coeficiente de almacenamientos

sf

: saturacin de la fase del fluido (0 < Sf 1)

:presin ( > 0 medio saturado, si 0 medio no saturado).

:porosidad

C: concentracin

h : nivel piezomtrico

t : tiempo

q: vector del flujo de Darcy

Qh : sumidero o fuente de fluidos

Kr= conductividad hidrulica relativa (0 < Kr 1, Kr= 1 si est saturado en sf= 1)

K:tensor de conductividad hidrulica para medio saturado.

: fase fluida

: viscosidad dinmica

: densidad del fluido


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29

0: densidad de referencia del fluido

e: vector unitario gravitacional

Rd: retardo derivado

Dd: difusin molecular en el medio poroso

I: tensor unidad

D: tensor de dispersin mecnica

R: retardo

:periodo de descomposicin qumica

QC: fuente / sumidero de masa


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5 MODELO DE TRANSPORTE DE CALOR

5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor es una forma de energa que se puede transferir de un sistema a otro como

resultado de la diferencia de temperatura. Por lo tanto, la transferencia de calor es una

transferencia de energa, slo se produce si existe diferencia de temperaturas, y siempre

tiene lugar del medio caliente al fro.

La temperatura del subsuelo depende del flujo de calor desde el ncleo de la Tierra, de las

caractersticas geotrmicas del subsuelo, la temperatura media de la superficie, de la

presencia de fuentes de calor en el subsuelo, y del flujo de agua subterrnea. [26].

5.1.1 Propiedades trmicas del suelo

Las principales caractersticas trmicas del suelo son: capacidad calorfica, la

conductividad trmica y la difusividad trmica. Se define primeramente el calor especfico

pues se emplear en las siguientes definiciones.

El calor especfico es la medida de la capacidad de un material para almacenar energa

trmica, es decir, la energa requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad

de masa de una sustancia. [29]

La capacidad calorfica es el producto del calor especfico por la densidad. Representa la

capacidad de almacenamiento de calor dentro de un material. Dado que en un acufero

existe agua y roca, y que cada uno de ellos presenta su propia capacidad calorfica, la

capacidad calorfica del acufero se expresa en la siguiente ecuacin. [11]

Donde:


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31

La conductividad trmica es la medida de la capacidad de un material para conducir calor.

Nos indica que material conduce el calor, mejor o peor que otros. Dicho de otra forma es

la razn de transferencia de calor a travs de un espesor unitario del material por unidad de

rea por unidad de diferencia de temperatura. Un valor bajo de conductividad implica un

material aislante desde el punto de vista trmico. Y sus unidades en el sistema

internacional son: J.s-1.m-1.K-1. [29]

La conductividad trmica en un acufero es la suma de la conductividad trmica del agua y

la conductividad trmica de la roca. [11]

)

Donde:

La difusividad trmica es la razn entre el calor conducido a travs del material y el calor

almacenado por unidad de volumen. Nos indica cun rpido se difunde el calor por un

material. A mayor difusividad trmica, ms rpida es la propagacin de calor en el medio.

Sus unidades en el Sistema Internacional son m2/s. [29]

Para la zona de estudio que nos ocupa los valores considerados se muestran en la siguiente

tabla:

PorosidadDispersividadLongitudinal

(m)

DispersividadTransversal

(m)

CapacidadCalorfica(J/m3/K)

ConductividadTrmica(J/m/s/K)

Para elslido

0.3 5 0.52.5210 3

Para elagua

0.3 5 0.54.2.10 0.65

Tabla 2:Propiedades materi ales para el calor (F uente: elaboracin propia).

5.1.2 Mecanismo de transferencia del calor


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El transporte de calor se realiza mediante tres mecanismos: conveccin, conduccin y

radiacin. En el subsuelo el transporte de calor se produce por conveccin, y por

conduccin. La radiacin no se considera ya que se asume que la temperatura del slido y

del lquido es la misma y que nicamente hay una temperatura en el medio poroso.

El transporte convectivo describe la propagacin del calor en el seno del agua subterrnea

y depende de la velocidad del fluido y del gradiente de temperaturas.

El transporte conductivo describe la propagacin del calor en el medio poroso. Se expresa

mediante la ley de la conduccin del calor o ley de Fourier, que indica que la velocidad de

la transferencia de calor es igual al producto de la conductividad trmica por el gradiente

negativo de temperaturas, ya que el flujo de calor se produce de zonas con mayor

temperatura a zonas de menor temperatura. [11]

Tambin hay que considerar el almacenamiento de calor en el medio poroso que

atraviesa el fluido, esto se realiza mediante la capacidad calorfica.

5.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA DE TRANSPORTE DE CALOR

Teniendo en cuenta lo explicado anteriormente y la suma de entradas y salidas de calor en

el dominio, [11] la ecuacin del transporte de calor queda:

( )

Donde:


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5.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS

Al igual que en el problema de flujo, la ecuacin del transporte de calor en derivadas

parciales es muy compleja, por lo que se recurre al mtodo de elementos finitos. Con este

mtodo convertimos la ecuacin, particularizndola a un dominio conocido, en un sistema

de ecuaciones ms sencillas, y que gracias a los software informticos se resuelve ms

rpidamente. [25]; [26]; [27]; [30].

De hecho el programa Feflow, resuelve el problema de transferencia de calor tras haber

realizado la simulacin del flujo en el acufero y sobre esta simulacin realiza el problema

de calor. [28]

La ecuacin que gobierna el transporte de calor en el cdigo Feflow es:

Dnde:

sf: saturacin de la fase del fluido (0 < Sf 1)

:presin ( > 0 medio saturado, si 0 medio no saturado).

:porosidad

: densidad del fluido

c : capacidad calorfica del fluido

s : densidad del slido

c s : capacidad calorfica del slido

q: vector del flujo de Darcy


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T: temperatura

: tensor de dispersin trmica hidrodinmica del fluido

s : conductividad trmica del slido

I: tensor unidad

T0: temperatura de referencia

QT: fuente o sumidero termal


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6 MODELO DE FLUJO CON EL PROGRAMA FEFLOW

6.1 EL PROGRAMA

El programa informtico Feflow, actualmente, es uno de los programas ms completo,

probado y fiable que existe en el mercado para la simulacin de flujo y transporte de

procesos en aguas subterrneas en un medio poroso. La versin que se ha empleado en este

proyecto es la 6.0, esta versin es mucho ms amigable que las versiones anteriores. Con

esta versin se pueden realizar simulacin de flujo, de transporte de sustancias (por

ejemplo, contaminantes, sales, etc.), de transporte de calor, o incluso de calor y sustancias

simultneamente. [31]

El paquete de software permite la resolucin de problemas:

Tri y bi-dimensionales.

De densidad variable del fluido.

De saturacin, no saturacin, y de ambas situaciones del acufero.

Problemas tanto en rgimen estacionario como no estacionario.

Es un cdigo muy eficiente para describir la distribucin espacial y temporal de las aguassubterrneas, simular, como en ste proyecto, procesos geotrmicos, y estimar la duracin

y los tiempos de transporte, en este caso de temperatura, pero podra ser del transporte de

contaminantes, y/o de ambos. Por ello es una herramienta muy valiosa para planear y

disear estrategias de remediacin, apoyar el diseo de alternativas y esquemas efectivos

de monitoreo.

Feflow se adapta tanto al sistema operativo Windows, que es el que se ha empleado en

este proyecto como, a Linux. [31]

La documentacin que trae consigo el programa, es muy extensa. Contiene un manual de

instalacin con un ejemplo prctico para comprender el manejo del programa, muy bien

expuesto. Un manual de usuario, con tutoriales para comprender mejor y asimilar el

funcionamiento del programa. Este ltimo en ocasiones es muy escueto en explicaciones, y

de cara al uso del programa se echan en falta ms tutoriales especficos, especialmente en

el problema del transporte de calor, del que no existe ninguna explicacin ni ejemplo al

respecto.


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Finalmente el paquete incluye documentacin relativa al funcionamiento desde el punto de

vista matemtico de programa. Estos documentos son los denominados White Papers, son

cinco, y abarcan todas las posibles situaciones que es capaz de resolver el programa. Estos

documentos son de carcter muy matemtico y quiz no son todo lo prcticos que

pudieran. Por lo que si no se dispone de conocimientos previos en simulacin y

conocimientos matemticos avanzados se dificulta mucho la compresin, seguimiento y

aplicacin del programa.

La interfaz del programa es totalmente personalizable. La ubicacin y visibilidad de todos

los componentes, a excepcin del men principal, puede ser elegido arbitrariamente. Los

componentes pueden acoplarse a un determinado lugar de la ventana principal, o pueden

estar flotando como ventanas independientes. Las barras de herramientas, los diagramas ylos paneles se pueden activar y desactivar segn se necesite. Esto es una clara ventaja,

pues la interfaz hace que se trabaje de una forma cmoda y eficiente.

Para la visualizacin se emplean distintas ventanas con distintas vistas. stas se pueden

abrir y cerrar segn se necesiten, o segn sea ms cmoda una vista u otra. [31] Los

distintos tipos de vistas son:

Vista de supermesh (Supermesh view).

Vista de la FE-rebanada (FE-Slice view).

Vista 3D (3D view).

Vista de seccin transversal (Cross-section view).

Los mapas son por una parte la base para la orientacin de la superficie del modelo y por

otra define el dominio del modelo y por lo tanto son el soporte geomtrico de la malla, a

partir de la cual se realiza la asignacin de datos y la propia simulacin.

El programa Feflow tiene un convenio con la empresa ESRI, por lo que es capaz de

trabajar con todos los archivos derivados del programa de sistema de representacin

geogrfica ArcGIS. Lo que es muy cmodo y prctico, ya que, aunque en Feflow es

posible el tratamiento y representacin de mapas, Arc-GIS es ms sencillo, ms cmodo y

contiene muchas ms aplicaciones de tratamiento y representacin de mapas, e incluso de

refinamiento de archivos.

.


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6.2 MODELO CONCEPTUAL

El objetivo de la simulacin matemtica es analizar y obtener una representacin espacial

y temporal del comportamiento del flujo y de la trasferencia de calor en el acufero aluvial

urbano de la ciudad de Zaragoza, donde existen numerosos aprovechamientos geotrmicos.

Constituyendo una herramienta que muestra tanto la problemtica actual: la interferencia

trmica, la autointerferencia y el aumento de temperatura del acufero; como su evolucin

en un futuro prximo. Se podrn establecer as medidas de control y seguimiento para que

no disminuya el rendimiento de los aprovechamientos, principalmente en cuanto a la

refrigeracin (el uso principal) y alargando de esta forma su vida til. As mismo se podr

determinar las afecciones entre aprovechamientos y las zonas que son viables o no, de

albergar nuevos aprovechamientos geotrmicos.

Figura 13: Apr ovechamientos geotrm ico y piezmetros en la ciudad de Zaragoza. (Fuente: elaboracin propia) .

En el presente proyecto se llev a cabo el estudio de un modelo de escala reducida en uno

de los aprovechamientos geotrmicos, especialmente conflictivo desde el punto de vista

trmico. Con ello se obtiene, adems de lo citado anteriormente, una mejor compresin de

los datos necesarios, del modo en que el cdigo los asimila y trata, y del manejo del propio

programa.


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Figura 14: Regin de estudio (en rojo) (Fuente: elaboracin propia).

La regin de estudio se ubica en el suroeste de la ciudad, dentro de la margen derecha de la

ciudad de Zaragoza. El sistema geotrmico en este caso se emplea en la climatizacin de

un centro comercial llamado Aragonia. Actualmente estn empleando dos pozos de

captacin y otros dos de vertido.

Figura 15: Sistema geotrmico Aragoni a e isopiezas. (Fuente: elaboracin propia).


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La figura 16 muestra seis pozos, son los cuatro pozos situados ms al norte los que se

emplean actualmente. P-5(C-9), y P-8(C-8) son los dos pozos de captacin y los pozos

P-6(I-2) y P-7(I-1) son los pozos de inyeccin. Actualmente los dos restantes (los que se

sitan ms al sur) no se emplean. Por ltimo el pozo situado ms a la derecha es elpiezmetro del IGME.

La geometra que representa el rea de la regin de estudio se realiz mediante un

polgono. En la elaboracin de este polgono se oblig a que sus lados fueran paralelos a

las isopiezas ms prximas y a que los lados restantes fueran lo ms perpendiculares

posible a las isopiezas, de modo que, las lneas del polgono paralelas a las isopiezas se

considerarn fronteras naturales de flujo, y los lados restantes del polgono al ser lneas

perpendiculares a las isopiezas representan lneas de flujo nulo.

El contorno paralelo a la isopieza situada a la izquierda en la imagen, isopieza aguas

arriba, tiene un valor de 205m. El contorno paralelo a la isopieza situada a la derecha en la

imagen, isopieza aguas abajo, tiene un valor de 203,5m.

Figura 16: Esquema fron teras de fl uj o de la regin de estudio (Fuente: elaboracin propia).

Como se ha explicado anteriormente la geologa del mbito del modelo comprende

sedimentos cuaternarios, de tipo aluvial, y por ello, desde un punto de vista estratigrfico,establecer con exactitud los distintos niveles de estratos resulta complejo, ya que exigira


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una descripcin muy detallada y en capas de potencia muy escasa. Por este motivo se llev

a cabo una descripcin ms esquemtica, de la que resultan cinco capas.

Figura 17 Esquema de las uni dades hidro-estratigrfi cas (Fuente: elaboracin propia).

Desde el punto de vista hidrogeolgico las capas tercera y quinta son muy similares por lo

que se consideraron como el mismo material. Por lo que finalmente, se llev a cabo una

agrupacin de los estratos en unidades hidro-estratigrficas, es decir, se agruparon por su

comportamiento hidrogeolgico. Resultando tres unidades hidro-estratigrficas que al

intercalarse dan lugar a cinco capas, como se muestra en la figura17.

La primera capa y unidad hidro-estratigrfica, contiene gravas, bolos y conglomerados,

esta capa forma parte de la zona no saturada del acufero, motivo por el que se incluyeron

los conglomerados, a diferencia de las otras capas donde los conglomerados se

consideraron capas independientes.


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La segunda y cuarta capas, y segunda unidad hidro-estratigrfica, son conglomerados,

propios de la zona, y se decidi considerar como unidad hidro-estratigrfica independiente

debido a que presentan propiedades hidrulicas ligeramente distintas a las otras capas.

Por ltimo, las capas tercera y quinta, tercera y ltima unidad hidro-estratigrfica songravas, materiales hidrogeolgicamente muy interesantes, ya que aportan grandes caudales,

es por ello que se sitan en esta capa las rejillas de los pozos, importantes sobre todo en la

captacin.

El rea del modelo se encuentra en una zona totalmente urbana. En el caso que nos ocupa,

esto fue motivo de un mayor esfuerzo, pues los pozos del aprovechamiento se realizaron en

distintas etapas, unos desde la superficie natural del terreno y otros en stanos, por lo que

fue complicado conocer con exactitud la nivelacin de los pozos, y por lo tanto su relacincon la superficie del terreno.

6.3 DATOS DE ENTRADA DEL MODELO

El programa requiere de planos de base para crear sobre stos la red de elementos finitos,

extender la a tres dimensiones y luego asignarle todos los parmetros requeridos en la

simulacin.

6.3.1 Geometra y mallado

Para definir el rea del modelo y construir la red, se necesitan planos de fondo, que

previamente se realizaron en el software de ESRI, Arc-GIS. Los archivos que se

necesitaron, fueron todos archivos del tipo Shapefile, estos archivos pueden contener

polgonos, lneas o puntos. Se georreferenciaron todos los archivos de modo que nosurgiesen incompatibilidades. El uso empleado fue el de las coordenadas de la ciudad de

Zaragoza, UTM 30 Norte. Para definir la regin de estudio se importaron los archivos:

Un archivo Shapefile de polgono, que define la regin de estudio.

Un archivo Shapefile de puntos, que contiene la situacin de los pozos de

captacin.

Otro archivo Shapefile de puntos, que contiene la situacin de los pozos de

inyeccin o vertido.


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Figura 18:Imagen i nicial de los archivos importados desde ArcGIS en Fefl ow. (Fuente: elaboracin propia).

6.3.1.1 Geometra

Despus de importar los archivos al programa, para que defina las fronteras exteriores, e

interiores en el modelo de elementos finitos, todos los archivos anteriores deben

convertirse a Supermesh, la interfaz del programa que proveer la estructura delmodelo.

Figura 19: Supermesh(Fuente: elaboracin propia).


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La frontera exterior, condicin de contorno, en este caso es el permetro de la propia regin

de estudio. Y las fronteras interiores sern los pozos, ya que se introduce informacin en

ellos. En la parte de flujo, se introducen los caudales de captacin e inyeccin, y en la parte

de calor, la variacin de la temperatura debida a los caudales.

6.3.1.2 Mallado

Definida la geometra en el programa, se procede a la realizacin de la red de elementos

finitos, tambin denominada malla, que se compone, como se explic anteriormente, de

elementos y nodos.

Tras infinidad de pruebas, incluso de rehacer el mapa de la regin de estudio, se obtiene un

mallado de 1000 elementos. El mallado se realiz mediante el mallador Gridbuilder uno de

los que presenta Feflow.

El generador de malla Gridbuilder fue desarrollado por Rob McLaren de la Universidad

de Waterloo, Canad es un algoritmo de triangulacin flexible. Es capaz de mallar

considerando polgonos, lneas y puntos en la supermesh, as como de realizar mallas

locales de refinamiento en puntos, lneas o borde del polgono. [7]

En este caso se realiz un refinamiento en el borde del polgono de la regin de estudio y

en los pozos, ya que se realizarn ms operaciones en ellos.

Figura 20: Propi edades del generador de malla Gr idbui lder (F uente: elaboracin propia).r


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Figura 21: Mall a realizada en Feflow de 1000 elementos (Fuente: elaboracin propia).

Para que una red de elementos finitos sea matemticamente correcta ha de cumplir que

[32]:

La variacin de tamao entre los elementos adyacentes sea progresiva.

La densidad de elementos en los pozos, que es donde se producen los mayores

gradientes, sea ms alta.

No se observan ngulos obtusos.

En general, los elementos sean suficientemente regulares.

Como se puede observar en detalle, el mallado realizado, desde el punto de vista

matemtico es adecuado, pues cumple con las condiciones antes citadas.


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Figura 22:Detalle de la malla realizada (Fuente: elaboracin propia).

Hasta este punto se ha diseado la geometra de un modelo bidimensional. La simulacin

se realiza en un modelo tridimensional, por lo que tendremos que ampliar la malla a tres

dimensiones. Un modelo de elementos finitos tridimensional consiste en un nmero de

planos con nodos, que denominaremos Slices (rebanadas). Estas Slices genera

geotermia y feflow

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