sumario - revista digital del cedex

S U M A R I O

PILOTES Y PANTALLAS TERMOACTIVAS. PROCESO CONSTRUCTIVO

Y CARACTERIZACIÓN TÉRMICA.

Alberto Mazariegos, Luis Carlos Antón, Rodrigo Valle, Javier Urchueguia,

Salvador Quilis, Salvador Martínez y Teresa Magraner 3

APLICACIÓN DE LA GEOTERMÍA DE BAJA ENTALPÍA EN EL NUEVO

HOSPITAL DE MOLLET DEL VALLÈS.

Mª Aranzazu Cuesta García y Gonzalo Roberto Mayoral Fernández 21

POTENCIAL DE LA GEOTERMIA PROFUNDA EN LA CUENCA DE MADRID.

R. Hidalgo, J. Sánchez y P. Ungemach 27

OPTIMIZACIÓN DE LAS INSTALACIONES DE BOMBA DE CALOR

GEOTÉRMICA MEDIANTE LA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS.

Teresa Magraner, Salvador Quilis y Salvador Martínez 35

GEOPLAT –PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE GEOTERMIA–.

Margarita de Gregorio 47

GEOTRAINET: INICIATIVA EUROPEA PARA FORMAR Y EDUCAR

A DISEÑADORES, SONDISTAS E INSTALADORES DE BOMBAS

DE CALOR GEOTÉRMICAS.

Isabel Manuela Fernández Fuentes y Burkhard Sanner, Philippe Dumas 51

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DEL TERRENO.

Ignacio Zuloaga Fábrega y Javier A. Sierra Galeano 61

OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA EN UNA INSTALACIÓN GEOTÉRMICA:

“MATERIAL DE RELLENO”.

Juan A. de Isabel 73

INTERCAMBIADORES GEOTÉRMICOS VERTICALES.

Guillermo Llopis Trillo y Carlos López Jimeno 82

IMPACTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS.

Rolf Katzenbach y Isabel M. Wagner 91

APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA SUPERFICIAL EN

LA OBRA PÚBLICA.

Cristina de Santiago Buey y Fernando Pardo de Santayana Carrillo 102

RECURSOS GEOTÉRMICOS EN ESPAÑA.

Celestino García de la Noceda Márquez 113

NUM. 156 - OCT.NOV.DIC. - 2009

Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas

Publicación incluida en el programa Editorial para 2009

COMITÉ DE REDACCIÓN

Presidente

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Secretario

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Vocales

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Víctor Elviro GarcíaAntonio Lechuga Alvaro

Mª Angeles de Pablo SanmartínAmparo Precioso de Murga

Francisco Javier Sainz de Cueto TorresFrancisco Sinis Fernández

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REDACCIÓN

Centro de Estudios y Experimentación de Obras PúblicasAlfonso XII, 3 - 28014 Madrid - Telf.: 913 35 72 69 - Fax: 913 35 72 49

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El Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas(CEDEX) no se hace responsable de las opiniones, teorías o

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NUESTRA PORTADA: Diversas instalaciones geotérmicas dereciente ejecución en España.

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Pilotes y pantallas termoactivas. Procesoconstructivo y caracterización térmica

ALBERTO MAZARIEGOS (*), LUIS CARLOS ANTÓN (**), RODRIGO VALLE (**), JAVIER URCHUEGUIA (***),SALVADOR QUILIS (****), SALVADOR MARTÍNEZ (****) y TERESA MAGRANER (****)

THERMOACTIVE PILES AND DIAPHRAGM WALLS BUILDING PROCESS AND THERMAL RESPONSE TESTABSTRACT Thermoactive foundation technology uses building foundation, “piles”, “diaphragm wall” and “slabs” asground heat exchangers to provide buildings with heating and cooling. This type of foundation is based on the use of theground temperature to enhance the heat pump coefficient of performance (COP).In this kind of structures, the heat exchange can be done through a closed circuit installed on the reinforced of the founda-tion. This closed circuit is made up of HDPE pipes “geothermal probes”, through which water or brine circulates producinga heat exchange between this fluid and the ground. This fluid is led to a geothermal heat pump “GHP”, generating theenergy required for air-conditioning a building.ENERGESIS, leading company in the air-conditioning field using geothermal energy and RODIO KRONSA, leading com-pany in the engineering field of soil and subsoil, with the collaboration of the Universidad Politécnica de Valencia (UPV)and the Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Obras Públicas (UPM), have developed an action line to design andimplement savings energy facilities by using geothermal energy associated with the foundations.A series of tests at work have been done in order to have a procedure to implement the thermal response of thermoactive pi-les and diaphragm walls.

RESUMEN La Cimentación Termoactiva es una tecnología aplicable a los elementos de las estructuras de hormigónarmado de las cimentaciones especiales, “pilotes”, “pantallas” y “losas”, para la obtención de energía para climatización deedificios a partir del subsuelo. Este tipo de cimentación se basa en el aprovechamiento de la temperatura del terreno paraaumentar el rendimiento de las bombas de calor geotérmicas. En estas estructuras de hormigón armado, el intercambio geotérmico se puede realizar por medio de un circuito cerradoinstalado en las armaduras de la cimentación. Este circuito cerrado esta formado por tubos de PEAD “sondas geotérmi-cas”, a través de los cuales circula agua o agua con anticongelante, produciéndose un intercambio de calor entre este fluidoy el terreno. El fluido es conducido a una bomba de calor geotérmica “BCG”, generando la energía suficiente para la com-pleta climatización de un edificio.ENERGESIS, empresa puntera en el campo de la climatización de edificios a través de la energía geotérmica y RODIOKRONSA, empresa puntera en el campo de la ingeniería del suelo, con la colaboración de la Universidad Politécnica de Va-lencia (UPV) y la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), han desarrollado una línea de actuación para proyectar y eje-cutar instalaciones de ahorro y aprovechamiento energético mediante el uso de la energía geotérmica para edificaciones,asociadas a las cimentaciones. La necesidad de disponer de un procedimiento de actuación para la ejecución de pilotes y pantallas termoactivas y su ca-racterización térmica, es el motivo para realizar una serie de pruebas en obra, con la finalidad de verificar el comporta-miento térmico de estos dos tipos de cimentación termoactiva.

3

Palabras clave: Pilote termoactivo, Pantalla termoactiva, Caracterización térmica de pilotes y pantallas,Bombas de calor geotérmico.

Keywords: Energy piles, Thermoactive diaphragm wall, Thermoactive foundations thermal response test,Ground coupled heat pump system.

(*) Departamento de Ingeniería Civil: Tecnología de la Construcción. E.U.I.T.O.P. Universidad Politécnica de Madrid.(**) RODIO KRONSA. (***) Departamento de Física Aplicada, Universidad Politécnica de Valencia.(****) Energesis Ingeniería.

Ingeniería Civil 156/2009

1. INTRODUCCIÓNEl Código Técnico de la Edificación (CTE), DB-HE “Ahorro deEnergía”, exige la aplicación mínima de energías térmicas re-novables “solar” y “fotovoltáica” para la edificación y abasteci-miento de agua caliente sanitaria, pero deja una puertaabierta a otras energías renovables o alternativas de ahorroenergético. Entre estas “otras alternativas” tienen cabida lasinstalaciones para el aprovechamiento de “energía geotér-mica”.

La energía geotérmica de muy baja entalpía, Tª < 25°C, sefundamenta en “la capacidad que tiene el suelo y subsuelopara acumular el calor del sol, manteniendo su temperaturaconstante a lo largo del año, a partir de determinada profundi-dad”. Una instalación geotérmica es por eso una fuente de“energía renovable sostenible y limpia”.

En España, a partir de los 5 m de profundidad, la tempera-tura del subsuelo comienza a ser más o menos estable, inde-pendientemente de las condiciones meteorológicas exteriores.A partir de los 15 m, la temperatura se estabiliza en torno alos 17°C, fluctuando cada vez menos con la profundidad y au-mentando en función del gradiente geotérmico. La consi-guiente estabilidad térmica supone que en verano el subsueloesté considerablemente más fresco que el ambiente exterior yen invierno a una temperatura más favorable de la existenteen el exterior.

La Cimentación Termoactiva es una tecnología aplicable alos elementos de las estructuras de hormigón armado de las ci-mentaciones para la obtención de energía para climatizaciónde edificios a partir del subsuelo y el agua subterránea. Sebasa en el aprovechamiento de la temperatura del terrenopara aumentar el rendimiento de las “bombas de calor”. Éstasfuncionan básicamente en dos condiciones: en “modo calefac-ción” transfieren calor del subsuelo al edificio, mientras que en“modo refrigeración” actúan a la inversa, al eliminar el calorque genera el edificio conduciéndolo al subsuelo.

En las estructuras de hormigón armado de cimentacionesespeciales “pilotes” y “pantallas”, el intercambio geotérmico serealiza por medio de un circuito cerrado instalado en las arma-duras de la cimentación. Este circuito cerrado esta formadopor tubos de PEAD “sondas geotérmicas” a través de los cualescircula agua o agua con anticongelante, produciéndose un in-tercambio de calor entre este fluido y el terreno. El fluido esconducido a una bomba de calor geotérmica “BCG” generandola energía suficiente para la completa climatización de un edi-ficio.

Dentro de las cimentaciones termoactivas, se han desarro-llado dos líneas de actuación, clasificadas por el procedimientoconstructivo, en los siguientes tipos:

• Pilotes termoactivos:– Pilote Termoactivo hormigonado “in situ”.– Pilote Termoactivo prefabricado hincado.

• Pantallas termoactivas:– Pantalla continua termoactiva.

Los “pilotes termoactivos” se definen como una cimentaciónprofunda (función resistente) con la capacidad de llevar a cabointercambio geotérmico (función térmica) con el subsuelo y elagua subterránea.

Las “pantallas termoactivas” se definen como un elementode contención de tierras para realizar excavaciones verticales(función resistente) con la capacidad de llevar a cabo intercam-bio geotérmico (función térmica) con el subsuelo y el agua sub-terránea.

En este artículo se presentan las actuaciones llevadas acabo para el desarrollo de estas dos líneas de actuación, pilotesy pantallas termoactivas, así como para la realización de lasmedidas de conductividad térmica que han permitido verificarsu comportamiento térmico.

2. PILOTES TERMOACTIVOS

2.1. PILOTE TERMOACTIVO HORMIGONADO “IN SITU”.PROCESO CONSTRUCTIVO

Este tipo de pilote lo ha realizado RODIO, para la cimentacióndel Complejo T-23, hangares y oficinas, de EADS CASA en Ge-tafe, Madrid.

2.1.1. Naturaleza y características del terrenoLa zona ocupada por Madrid y sus alrededores puede incluirseen el esquema típico de sedimentación en una cuenca conti-nental cerrada en condiciones subdesérticas: sedimentos detrí-ticos en el borde y evaporíticos en el interior, con una zona in-termedia en la que se produce deposicón mixta de materialesdetríticos interestratificados de materiales neoformados.

La franja norte del alfoz de Madrid está constituida, a par-tir de las formaciones rocosas del macizo de Guadarrama, porsedimentos típicamente rocosos del macizo de Guadarrama,por sedimentos típicamente detríticos, con proporciones decre-cientes de elementos gruesos y disminución del tamaño má-ximo de los mismos al irse alejando de la Sierra.

La ciudad de Madrid está situada en una zona afectada porlos tres tipos de sedimentos citados, y así, al moverse en direc-ción transversal a la Sierra, de NO a SE de la capital, se pasade las facies detríticas (arena de miga y tosco) a las interme-dias (peñuelas), para terminar con las evaporíticas (yesos).

En la zona en la que se inscribe el municipio de Getafe,franja sur del alfoz, los sedimentos terciarios están constitui-dos por facies típicamente evaporíticas, y lo conforman nivelessubhorizontales de arcillas y margas marrones y grises, duras,con intercalaciones de yesos tableados y nodulares. Estas in-tercalaciones de yesos presentan espesores variables, desde ni-veles milimétricos a métricos. En general, estos niveles no es-tán carstificados.

La capa superficial de la parcela, está constituida por un re-lleno arcillo limo arenoso. Infrayacente al nivel de relleno, sedescribe una serie de niveles constituidos por limos y arcillas detonos grisáceos a techo y margas yesiferas y yesos masivos amuro pertenecientes a las facies interiores de la cuenca, Tabla 1.

PILOTES Y PANTALLAS TERMOACTIVAS. PROCESO CONSTRUCTIVO Y CARACTERIZACIÓN TÉRMICA

4 Ingeniería Civil 156/2009

Litología

0,00–2,00 m. Arcilla limo arenosa marrón. Relleno.2,00–7,00 m. Limos y limos arcillosos grises y marrones.7,00–13,00 m. Arcillas y limos grisáceos.13,00–20,00 m. Margas yesíferas y yesos masivos.

Nivel freático –3,00 m.

Calidad del agua Agresiva por sulfatos.TABLA 1. Característicasdel terreno.

2.1.2. Características del pilote termoactivo hormigonado“in situ”

CAVEGA contrató a RODIO la ejecución de la cimentación,mediante pilotes termoactivos, del Complejo T-23, hangares yoficinas, de EADS CASA en Getafe, Madrid.

El tipo de pilote realizado fue un pilote hormigonado “insitu”, perforado con barrena continua de diámetro 620 mm, de17 m de profundidad media, con una longitud de armadura de14 m. Se realizó de acuerdo con el PEC-03, de RODIO.

El diámetro del pilote, 620 mm, permite la instalación de 2sondas geotérmicas por pilote, sin que se produzcan, en princi-pio, interferencias en su comportamiento térmico. Las sondasse colocaron a lo largo de los 14 m de longitud de la armaduradel pilote, Figura 1.

La distribución de los pilotes y sondas geotérmicas fue lamostrada en la Tabla 2.

La perforación de los pilotes se realizó con el equipo CM.-70de barrena continua (BC). El hormigonado se realizó medianteel bombeo del hormigón, tipo HA-30/L/20/IIa+Qb, por el inte-rior de la barrena continua, que es hueca, y extracción simul-tánea de ésta, que lleva alojada en sus alabes el terreno perfo-rado. Durante el proceso de hormigonado, se combinaadecuadamente la velocidad de ascensión de la barrena, elcaudal del hormigonado y la presión a que se realiza el mismocon el fin de evitar cortes en el fuste del pilote o sobreseccionesy excesos de hormigón innecesarios. Finalizado el hormigo-nado se procede a la limpieza de la zona del pilote para la pos-terior colocación de la armadura. En la Figura 2, aparece elequipo CM.-70 durante la perforación.

Finalizado el proceso de hormigonado del pilote, se intro-duce la armadura equipada con las sondas geotérmicas en el

hormigón con la ayuda de un vibrador, y una vez concluidasu colocación se procede a la colocación de la proteccionespertinentes en las barras de la armadura, así como tuberíasde protección para las sondas geotérmicas instaladas en elpilote, Figura 3.

Antes de iniciar las medidas de conductividad térmica paraverificar el comportamiento del pilote en este tipo de terreno,se espero un tiempo estimado de 14 días, para el fraguado yenfriamiento del hormigón. Se pretendía evitar la interferen-cia térmica producida por este proceso.

PILOTES Y PANTALLAS TERMOACTIVAS. PROCESO CONSTRUCTIVO Y CARACTERIZACIÓN TÉRMICA

5Ingeniería Civil 156/2009

TABLA 2. Distribución depilotes y sondas geotérmicas.

FIGURA 1. Detalle de la fijación de las sondas geotérmicas a la armadura del pilote.

Zona Nº de pilotes Nº de sondaspor pilote Nº de sondas ML de armadura

por pilote ML de sondas

Oficinas 196 2 392 14 5.488

Hangar 2 25 2 50 14 700

Área 3 22 2 44 14 616

TOTAL 243 486 6.804

FIGURA 2. Equipo de perforación CM.-70.

2.2. PILOTE TERMOACTIVO PREFABRICADO HINCADO.PROCESO CONSTRUCTIVO

La prueba con el pilote termoactivo prefabricado hincadohan tenido dos fases diferenciadas. La primera, la fabrica-ción de 8 pilotes de sección cuadrada, CK 300, en la factoríade KRONSA en Algete y la segunda, la hinca de cuatro deestos pilotes en la parcela SU - 24.2, propiedad de AMR Re-fractarios Hernani S.A., en el polígono industrial Ibaiondo,Hernani (Guipúzcoa), donde KRONSA estaba realizando lacimentación de varias naves con este tipo de pilotes.

2.2.1. Naturaleza y características del subsuelo

Los materiales naturales presentes en la zona están repre-sentados por depósitos aluviales del Cuaternario en contactodiscordante sobre una alternancia de margas y calizas are-nosas del Flysch detrítico-calcáreo del Cretácico Superior, dela Unidad Estructural San Sebastián, en la zona noreste dela Cuenca Vasco-Cantábrica.

La capa superficial de la parcela, está ocupada por un paquetede rellenos antrópicos heterogéneos compuestos por una tramagranosoportada de gravas, bolos y bloques poligénicos de caliza,ofita y escorias de fundición con matriz arenolimosa. Infraya-cente al nivel de rellenos se describen depósitos aluviales delCuaternario, constituidos por depósitos finos, arcillas y limos are-nosos, y gruesos, gravas con arenas y limos, del río Urumea, Ta-bla 3. El sustrato rocoso (Cretácico Superior), está constituido pormargas y lutitas calcáreas limosas que alternan en bancos centi-métricos a métricos con calizas arenosas y areniscas calcáreas.

2.2.2. Características del pilote termoactivo prefabricadoEl pilote termoactivo prefabricado, donde se han realizado lasmedidas de conductividad térmica, es un “pilote prefabricadode sección cuadrada CK-300”, habitualmente utilizado por laempresa KRONSA, especialista en la realización de este tipode cimentaciones con pilotes prefabricados. Para la pruebaprevista se fabricaron 8 pilotes (2 pilotes de cada tipo) en lafactoría de KRONSA en Algete (Madrid). Las característicasde estos pilotes se reflejan en la Tabla 4.

PILOTES Y PANTALLAS TERMOACTIVAS. PROCESO CONSTRUCTIVO Y CARACTERIZACION TÉRMICA


FIGURA 3. Colocación de la armadura del pilote termoactivo y pilotes termoactivos terminados.

Litología0,00–4,50 m. Gravas y bolos con matriz arenolimosa. Rellenos.4,50–19,00 m. Gravas, bolos y limos arenosos. Aluvial.19,00–25,00 m. Argilitas y limonitas con niveles de calizas arenosas.

Nivel freático –5,00 m.

Calidad del agua No agresiva.TABLA 3. Característicasdel terreno.

TABLA 4. Características del pilote termoactivo prefabricado. *Fecha de fabricación: 4 de febrero de 2008. *Fecha de hincado 3 Marzo de 2008.

Denominación Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4

Lado aproximado 300 mm 300 mm 300 mm 300 mm

Longitud 12,00 m 12,00 m 12,00 m 12,00 m

Nº de sondas geotérmicas por pilote 1,00 1,00 1,00 1,00

Distancia del pie de sonda al Azuche 200 mm 300 mm 400 mm 500 mm

Nº de pilotes fabricados 2 2 2 2

La fabricación de cuatro tipos de pilote, diferenciando úni-camente la distancia del pie de sonda al pie del pilote “azu-che”, se ha realizado con el fin de comprobar si durante lahinca del pilote el pie de la sonda geotérmica sufre alguna al-teración.

La fabricación se ha realizado en la Factoría de Pilotes quela empresa KRONSA tiene en Algete (Madrid). Los pilotesprefabricados CK cuentan con los sellos CE (UNE EN12794:2006) y N certificado por AENOR que garantiza su fa-bricación.

Las dimensiones del pilote propuesto, 300 x 300 mm, per-mite la instalación de una sola sonda geotérmica ya que másde una haría que se produjeran interferencias en su comporta-miento térmico.

En la Figura 4 se observan los detalles de la armadura, ple-tina de protección y sonda geotérmica en los moldes durante elproceso de hormigonado, y los pilotes termoactivos almacena-dos, listos para su transporte a obra.

La hinca de cuatro (4) pilotes termoactivos (uno de cadatipo fabricado, creando un encepado con una distancia entrecentros de pilote de 1 m), se llevó a cabo con un equipo JUNT-TAN PM 25 HLC 1450, con martillo de 9 Tn. Finalizada lahinca se procedió al descabezado de los pilotes y verificación desu estanqueidad, Figura 5.

2.3. PILOTE TERMOACTIVO. CARACTERIZACIÓN DE LARESPUESTA TÉRMICA DEL SUELO

La caracterización de la respuesta térmica del suelo mediantela realización de medidas “in situ” se introdujo en Suecia y Es-tados Unidos en 1995, y se ha desarrollado desde entonces enotros países.

Existen diferentes modelos analíticos y numéricos paraevaluar la respuesta térmica del suelo. En EE.UU y Canadáes frecuente emplear modelos cilíndricos conjuntamente contécnicas de estimación de parámetros, mientras que en Eu-ropa el método más empleado, y el que se ha seguido en este



FIGURA 5. Hinca de los pilotes termoactivos y detalle de un pilote descabezado con las sondas geotérmicas.

FIGURA 4. Detalle de la fabricación de los pilotes y los pilotes termoactivos almacenados fuera de los moldes.

trabajo, es el de la línea infinita debido a su simplicidad y ala rapidez de su aplicación.

El modelo de línea infinita se basa en la aproximación deque el intercambiador vertical es una fuente lineal infinita,considerando el suelo como un medio homogéneo a una tempe-ratura inicial constante Tg. El modelo inicial fue desarrolladopor Lord Kelvin; Ingersoll and Plass (1948) aplicaron el mo-delo a los intercambiadores de calor enterrados, mientras queinvestigaciones posteriores han validado el uso de este modelopara la estimación de las propiedades térmicas del suelo (Mo-gensen, 1983; Kavanaugh, 1984; Austin, 1998; Gehlin, 1998).

El modelo aproxima el proceso de extracción o inyección decalor mediante la fórmula:

(1)

donde:Tf : temperatura media del bucle enterrado.qv: caudal circulante.ρ: densidad fluido circulante.c: calor específico fluido circulante.Tout: temperatura de retorno del bucle enterrado.Tin: temperatura ida al bucle enterrado.Tg: temperatura estable del suelo.λ: conductividad térmica del suelo.H: longitud tubería enterrada.Rb: resistencia térmica del bucle enterrado.γ: constante de Euler.t: tiempo.ro: diámetro perforación.k: coeficiente de regresión Tf con ln (t).a: difusividad térmica.

Esta expresión puede emplearse bajo la siguiente condición:

Por lo que las propiedades térmicas se pueden estimar conlos datos medidos en el ensayo como:

(2)

y una vez obtenida la conductividad térmica (λ) se puede cal-cular la resistencia térmica del bucle enterrado (Rb) mediantela expresión (1).

La caracterización de ambos tipos de pilotes termoactivosla ha realizado ENERGESIS mediante el ensayo conocidocomo “Thermal Response Test” consistente en someter alterreno, durante un periodo predeterminado, nunca inferior a60 horas, a una inyección o extracción de calor constantes me-diante ensayos de inyección térmica a potencia constante. Esteensayo simula el comportamiento al que se vería afectado elpilote si se estuviera trabajando en modo refrigeración, mien-tras que el ensayo de extracción equivale al funcionamientodel sistema en calefacción.

A lo largo del proceso se van registrando telemétricamentelas lecturas de temperatura a la entrada y salida del bucle geo-térmico. La evolución temporal de dichas temperaturas permite,mediante ajuste al modelo de la línea infinita, obtener paráme-tros como la conductividad térmica efectiva y resistividad tér-mica del pilote. Dichos parámetros resultan críticos para conse-guir diseños geotérmicos con relaciones óptimas entre la longituddel intercambiador y la energía inyectada o extraída del terreno.

De esta manera se procede a inyectar un flujo de calorconstante, controlando el caudal de agua inyectado y las tem-peraturas a la entrada y salida de las sondas geotérmicas, Fi-gura 6. Finalmente se obtiene una gráfica que muestra la evo-lución de la temperatura media entre la entrada y la salida enfunción del tiempo.

Los resultados de los ensayos de caracterización térmica deambos pilotes se muestran en los siguientes apartados.

2.3.1. Pilote termoactivo hormigonado “in situ”La caracterización del pilote termoactivo realizado se ha lle-vado a cabo mediante ensayo de inyección térmica a potenciaconstante, Tabla 5.

El ensayo de inyección ha consistido en someter al pilotedurante un tiempo determinado a una potencia constante, esteensayo simula el comportamiento al que se vería afectado elpilote si estuviéramos trabajando en modo refrigeración. Deesta manera se procede a inyectar un flujo de agua constante auna temperatura determinada por la entrada de las sondasgeotérmicas (conectadas en serie) registrando el valor de dichatemperatura y la que se obtiene a la salida de las sondas geo-térmicas (ver Figura 6). Así se va registrando la evolución de

λρ

π=

− −( ( ))q c T THk

v out in

4

t

ra

≥5 0

2

T

q c T TH

atr

q c T T RH

Tfv out in v out in b

g=− − ⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥−

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥+

−+

( ( ))ln

( ))ρπλ

γρ

44

02



FIGURA 6. Esquema del ensayo de caracterización térmica del suelo y prototipo móvil para realizar medidas de conductividad térmica.

Calor Flujo

Tcaliente Tfría

Intercambiadorenterrado

Th Tc

estas temperaturas a lo largo del tiempo. Finalmente se obten-drá una gráfica que muestra la evolución de la temperaturamedia entre la entrada y la salida en función del tiempo.

En la Figura 7, se puede observar la potencia total del pi-lote y la potencia por metro de perforación térmica efectiva ala que se ha sometido el pilote en el ensayo. Se ha inyectadouna potencia de 62,13 W/m. En la Figura 8, se puede ver laevolución de todos los parámetros de control (temperatura deentrada al pilote, temperatura de salida, temperatura am-biente, caudal) que se han medido a lo largo del ensayo.

En el análisis de datos se ha despreciado la toma de datosdurante las 6 primeras horas, por considerarse un período noestabilizado del sistema. En la Figura 8, se observan pequeñasoscilaciones que se deben tanto a interferencias producidas porfluctuaciones diarias de la temperatura ambiente, como a unainyección de potencia del terreno no estrictamente constante,que presenta una desviación típica de un 7,2 %.

En la Figura 9 se representa la temperatura media delfluido (Tf) en función del ln del tiempo. La pendiente de lagráfica representa el coeficiente de regresión que nos permi-tirá hallar la conductividad térmica del suelo.

La pendiente de la gráfica representa el coeficiente de re-gresión que nos permitirá hallar la conductividad térmica delsuelo. Se observa que la conductividad del suelo es de:

K = 1, 02 ± 0,174 W / mK

La resistencia térmica asociada al pilote calculada a partirde la conductividad obtenida en el terreno es de:

Rb = 0,14 K / (W/m)

2.3.2. Pilote termoactivo prefabricado hincadoLos ensayos se han realizado considerando que en la tipologíade pilotes prefabricados, como tienen poca profundidad efec-tiva (unos 12 m.), el intercambio de calor se ve condicionadopor la evolución de la temperatura ambiente (la temperaturadel terreno es estable a profundidades mayores de 5 metros,en los primeros metros la evolución de la temperatura del te-rreno queda amortiguada y desfasada respecto a la ambiente).

Se han llevado a cabo dos ensayos, uno de inyección y otrode extracción, con valores de potencia constante inyectada, Ta-bla 6.



Ensayo Ensayo 1

Profundidad efectiva de transmisión de calor (m) 14

Diámetro de pilote (mm) 620

Sondas introducidas (ud) 2 (simples)

Conexión de las sondas En serie

Flujo de agua inyectado (m3/h) 0,25

Salto térmico mantenido (°C) 3

Potencia inyectada (W) 869,77

Potencia inyectada por metro de pilote (W/m) 62,13

Tiempo de ensayo (horas) 75,00

TABLA 5. Características delensayo realizado en el pilotetermoactivo hormigonado“in situ”.

FIGURA 7. Potencia inyectada/longitud del pilote.

0 20 40 60 80

940

840

740

640

540

440

340

240

140

40

Horas

Pote

ncia

Potencia pilote

Potencia/longitud

Potencia inyectada

Los resultados obtenidos se muestran en las Figuras 10 y 11.En la Figuras 10 y 11, se muestra la evolución de la tempe-

ratura ambiente y la temperatura media de entrada y salidaen cada uno de los ensayos.

Teniendo esto en cuenta, la selección de los ratios de poten-cia inyectada para cada ensayo se ha realizado con los siguien-tes criterios;

• 60 W/m en condiciones de temperatura ambiente favo-rable, en esta ubicación “modo refrigeración” (inyección).

• 30 W/m en condiciones de temperatura ambiente desfavo-rable, en esta ubicación “modo calefacción” (extracción).

3. PANTALLAS TERMOACTIVAS

3.1. PANTALLA CONTINUA TERMOACTIVA.PROCESO CONSTRUCTIVO

En la remodelación que esta llevando a cabo el Ayuntamientode San Sebastián del aparcamiento subterráneo de La Conchaen la Plaza de Cervantes, RODIOKRONSA ha realizando laspantallas continuas termoactivas del nuevo aparcamiento,para la UTE Ferrovial-Moyua.

La remodelación del actual aparcamiento va a consistir enla ampliación del número de plantas, pasando de las 2 actua-



FIGURA 8. Evolución de losparámetros de control.

FIGURA 9. Temperatura mediadel fluido/Ln del tiempo.

0.00 6.25 12.50 19.75 26.00 31.25 37.50 43.75 50.00 56.25 62.50 68.75 76.00

40.00

32.00

24.00

16.00

8.00

0.00

100

80

60

40

20

0

Simulation Time = 75.00 [hr]

Tem

pera

tura

s

Ta entrada

Ta salida

Ta ambiente

Caudal

10 10,5 11 11,5 12

40

35

30

25

20

15

10

5

LN (Ts)

Tem

pera

tura

(°C

)

Average Fluid T(°C)

y = 1,4664x + 11,604



FIGURA 10. Ensayo 1. Inyección.

FIGURA 11. Ensayo 2. Extracción .

TABLA 6. Características delos ensayos realizados en los

pilotes termoactivosprefabricados.

Ensayo Ensayo 1 (Inyección) Ensayo 2 (Extracción)

Número de pilotes (encepado de 4 pilotes) 3 3

Distancia entre centros de pilote (m) 1 1

Profundidad efectiva de transmisión de calor (m) 3 x 11,5 = 34,5 3 x 11,5 = 34,5

Dimensiones de pilote (cm) 30 30

Sondas introducidas por pilote (ud) 1 (simple) 1 (simple)

Conexión de las sondas En serie En serie

Flujo de agua inyectado (m3/h) 0,60 0,30

Salto térmico mantenido (°C) 3 3

Potencia inyectada (W) 2.087,45 1.045,00

Potencia inyectada por metro de pilote (W/m) 60,49 30,28

Tiempo de ensayo (horas) 69,50 63,50

10 20 30 40 50 60 70

10 20 30 40 50 60 70

30

25

20

15

10

5

0

30

25

20

15

10

5

0

Tiempo (h)

Tem

pera

tura

(°C

)

Ta terreno

Ta terreno

Ta ambiente

Ta ambiente

Tem

pera

tura

(°C

)

les, a 5 plantas de sótano, e integración, dentro del área deaparcamiento de un espacio para la práctica deportiva de per-sonas discapacitadas.

3.1.1. Naturaleza y características del terrenoLos materiales naturales presentes en la zona están represen-tados por depósitos aluviales de origen marino del Cuaternarioen contacto discordante sobre una alternancia de margas y ca-lizas arenosas del Flysch detrítico-calcáreo del Cretácico Supe-rior, de la Unidad Estructural San Sebastián, en la zona no-reste de la Cuenca Vasco-Cantábrica.

El aparcamiento de La Concha se ubica sobre unos rellenosantrópicos que descansan sobre una terraza aluvial de origenmarino de naturaleza arenosa. El sustrato rocoso (CretácicoSuperior) aparece a 30 m de profundidad junto al hotel Lon-dres y a 45 m junto al parque Alderdi Eder y está constituidopor calizas arcillosas y margocalizas, Tabla 7.

3.1.2. Características de la pantalla continuatermoactiva

La UTE Ferrovial-Moyua contrató a RODIOKRONSA la ejecu-ción de la pantalla continua termoactiva del aparcamiento subte-rráneo de La Concha en la Plaza de Cervantes, en San Sebastián.

Este tipo de pantalla continua ha sido realizada con hidro-fresa, de 800 mm de espesor y 40 m de profundidad media,con una longitud máxima de armadura de 32,50 m. La panta-lla se ha realizado de acuerdo con el PEC-24, de RODIO.

La dimensión de la armadura máxima, 2,85 x 32,50 m, per-mite la instalación del colector geotérmico acoplado a esta en ellado terreno. El colector geotérmico instalado en esta armaduratiene una longitud de 180 metros, formado por 3 bucles de 60 mde longitud cada bucle. La sonda se colocó a lo largo de los 32,50m de longitud de la armadura de la pantalla, Figura 12.

El total de paneles con colectores geotérmicos y el total demetros lineales instalados se refleja en la Tabla 8. Los paneleso bataches están formados, en general por dos columnas de ar-madura.

La perforación de las pantallas se realizó con una hidro-fresa, Evolution III, de Rodio. Se trata de una grúa LIEB-HERR HS 875HD modificada ligeramente a la que se le incor-pora, el conjunto de la fresa.

La perforación con hidrofresa, al contrario que el resto desistemas convencionales, es una actividad continua y perfecta-mente estructurada, que da lugar a un ciclo de trabajo for-mado por cuatro fases interrelacionadas entre sí:

1. Fabricación y almacenamiento del lodo de perforación.2. Impulsión del lodo hacia el panel de trabajo de la hidro-

fresa.3. Perforación continúa con hidrofresa e impulsión de re-

torno hacia la planta del material excavado mezcladocon el lodo de perforación.

4. Separación del material excavado y del lodo de perfora-ción, lodo que a su vez se incorpora a la impulsión haciael panel de trabajo de la hidrofresa.



Litología0,00–6,00 m. Grava con arcilla y arena. Relleno.6,00–45,00 m. Arena de playa y arena limosa. Aluvial de origen marino.45,00–47,00 m. Calizas arcillosas y margocalizas. Sustrato rocoso.

Nivel freático –6,00 m (+1,00 m.s.n.m.)

Calidad del agua Agua de mar.TABLA 7. Característicasdel terreno.

TABLA 8. Total de paneles concolector geotérmico.

Nº de panelescon colector

Nº de armaduraspor panel (m)

Longitud mediaarmadura (m)

ML de colectogeotérmico

40 2 27,50 12.800

FIGURA 12. Detalle del colector geotérmico fijado a la armadura de la pantalla.

En la perforación de los bataches, ya sean arranques, cierreso intermedios, la hidrofresa realiza, en el panel estándar de 6,40m, una primera perforación de 2,85 m de ancho (es el ancho decorte) de la totalidad de la perforación (a falta de realizar la lim-pieza y el desarenado) en uno de los extremos del batache, y acontinuación lo mismo en el otro extremo, dejando sin realizarla parte central que será la ultima a realizar. Durante la perfo-ración de los paneles, se mantendrá la zanja en todo momento

llena de lodos bentoníticos. En la Figura 13, aparece el equipoEvolution III durante la perforación de un panel.

Una vez el panel esté limpio y listo para proceder a su hor-migonado, se introducen las armaduras con los colectores geo-térmicos instalados, tomando las precauciones propias de cual-quier tipo de pantalla, Figura 14. El hormigonado de lospaneles se lleva a cabo de abajo hacia arriba a través de la tu-bería Tremie, de forma que el hormigón desplace al lodo deperforación, que será bombeado hacia la planta para su recu-peración. Finalizada la pantalla se procede a su descabezado yverificación de la estanqueidad de los colectores.

Antes iniciar las medidas de conductividad térmica, quepermitieran verificar el comportamiento térmico de la pantallaen este tipo de terreno, se controló la evolución de la tempera-tura del fraguado de la pantalla. A los 20 días se consideró quela interferencia térmica producida en el terreno por el procesode fraguado había desaparecido.

3.2. PANTALLA CONTINUA TERMOACTIVA. CARACTERIZACIÓNDE LA RESPUESTA TÉRMICA DEL SUELO

La caracterización de la pantalla continua termoactiva, al igualque en los pilotes termoactivos, la ha realizado ENERGESISmediante el ensayo “Thermal Response Test”. La pantalla enla que se ha realizado el ensayo está constituida por un panel de0,80 m de espesor, 2,85 m de ancho y 32,50 m de profundidad,en la que se ha instalado el colector geotérmico en el lado del te-rreno acoplado a la armadura de la pantalla. Este panel se sitúaa 15 m de distancia del mar, en la playa de La Concha. El colec-tor geotérmico instalado tiene una longitud de 180 metros for-mado por 3 bucles de 60 m de longitud cada bucle.

Se ha realizado la caracterización térmica de la pantalla in-troduciendo en el colector geotérmico varios niveles de poten-cia y se han chequeado las variaciones de temperatura de laentrada y de la salida del colector obteniendo una curva deevolución de temperatura a lo largo del tiempo. Para inyectarlos diferentes escalones de potencia se ha impulsado diferentesniveles de caudal y se ha mantenido constante el salto térmicoentre la entrada y la salida, Tabla 9.



TABLA 9. Caudales deinyección y salto térmico

mantenido.

FIGURA 14. Colocación de la armadura de la pantalla y pantalla termoactiva terminada.

FIGURA 13. Hidrofresa Evolution III.

Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3

Caudal (m3/s) 0,7 1,0 1,2

Salto térmico (ΔT) 3°C 3°C 3°C

3.2.1. Validación del modelo realizadoEn la gráfica obtenida, Figura 15, se aprecia la evolución delas temperaturas de entrada y salida del colector y el caudalinyectado en la pantalla. En esta se observa una fuerte depen-

dencia entre estas temperaturas y la ambiente, esto es debidoa la longitud de tubería existente entre el laboratorio móvil yla pantalla termoactiva. Dicha tubería tiene una longitud de25 metros tanto la de ida como la de retorno entre el test y la



FIGURA 15. Evolución de las temperaturas de la pantalla y caudal inyectado.

FIGURA 16. Comparativa entre losoutputs reales y del modelo.

0.0 17.9 35.8 53.8 71.7 89.6 107.5’ 125.4 143.3 161.3 179.2 197.1 215.0

60.0

48.0

36.0

24.0

12.0

0.0

1.500

1.300

1.100

900

700

500


Tem

pera

tura

s

Temperatura entrada

Temperatura salida

Ensayo 1. Q=0,7 m3/h


Temperaturas–– T_Inlet–– T_Outlet–– T_Inletreal–– T_Outletreal–– T_ambiente

Temperaturas–– _flujo


Evolución temperatura ambiente

0.0 17.9 35.8 53.8 71.7 89.6 107.5’ 125.4 143.3 161.3 179.2 197.1 215.0

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00


Tem

pera

tura

s

Temperaturas–– T_Inlet–– T_Outlet–– T_Inletreal–– T_Outletreal–– T_ambiente

Temperaturas–– _flujo

pantalla. Para minimizar los efectos de aporte de calor, estastuberías fueron aisladas y protegidas.

A partir de los datos obtenidos se verifica el modelo detransferencia de calor específico desarrollado para estecaso, frente el comportamiento real de la pantalla termoactivapara dar validez al modelo.

El modelo implementado ha tenido en cuenta los aportes decalor generados por la red de tuberías de conexiones entre ellaboratorio y las conexiones de la pantalla. Para validar el mo-delo se realiza una simulación con los parámetros reales del

ensayo realizado y se comparan los resultados, los reales y lossimulados, Figura 16. De esta manera se van ajustando las va-riables desconocidas hasta que se obtiene un error entre los re-sultados por debajo de un valor preestablecido.

En esta gráfica se observa que se produce un buen acopleentre la curva del modelo y los datos reales obtenidos, con unerror máximo entre las dos curvas de 0,5°C.

Debido al aporte de potencia de la red de tuberías de cone-xión ya comentada, el ensayo realizado ha sido a potencia va-riable a lo largo del tiempo. La potencia inyectada a la panta-



FIGURA 18. Evolución de latemperatura P = 10 W/m.

FIGURA 17. Evolución de la potenciainyectada a la pantalla.

Temperaturas–– T_Outlet–– T_Inlet

Heat transfer rates–– a–– label

0.0 17.9 35.8 53.8 71.7 89.6 107.5’ 125.4 143.3 161.3 179.2 197.1 215.0

0.0 16.7 33.3 50.0 66.7 83.3 100.0 116.7 133.3 150.0 166.7 183.3 200.0

50.00

41.00

32.00

23.00

14.00

5.00

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

80

60

40

20

0

–20



Tem

pera

tura

s

Hea

t tra

nsfe

r rat

es

–– Potencia

lla, definida como la potencia total del sistema (constante) me-nos la potencia de los ramales, se representa en la Figura 17.

3.2.2. Capacidad térmica de la pantallaUna vez validado el modelo, se realizaron tres simulacionespara diferentes niveles de potencia.

Las simulaciones se llevaron a cabo inyectando un ratio depotencia por metro lineal de colector de 10W/m, 15W/m y20W/m, durante un periodo de 200 horas. Las evoluciones delas temperaturas de entrada y salida para los ratios de poten-cia inyectada mencionados se representan en las Figuras 18,19 y 20.







0.0 16.7 33.3 50.0 66.7 83.3 100.0 116.7 133.3 150.0 166.7 183.3 200.0

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00


Tem

pera

tura

s

Hea

t tra

nsfe

r rat

es



0.0 16.7 33.3 50.0 66.7 83.3 100.0 116.7 133.3 150.0 166.7 183.3 200.0

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00

50.00

40.00

30.00

20.00

10.00

0.00


Tem

pera

tura

s

Hea

t tra

nsfe

r rat

es

4. CONCLUSIONESLos valores obtenidos en los ensayos dependen directamente en-tre otros parámetros, tanto de la conductividad del terreno comode la temperatura no alterada de este. El ajuste de los datos ob-tenidos en la presente serie de ensayos muestra cierta equiva-lencia en el funcionamiento de los pilotes a los sondeos usualesen geotermia. En todo caso, en un diseño a escala real de unaobra pilotada mediante tecnología de pilotes termoactivos, espreciso la realización de un TRT para poder obtener informa-ción a partir de la cual ajustar los modelos térmicos de la cimen-tación termoactiva. Además hay que tener en cuenta la afecta-ción térmica producida por los pilotes circundantes para evaluarla capacidad de absorción térmica de la estructura a largo plazo.

En cuanto a las pantallas continuas termoactivas, se ha de-sarrollado un modelo de transferencia de calor específico.Como se ha podido comprobar la aproximación del modelo a larealidad es muy buena produciéndose errores despreciables yvalidándose por lo tanto el modelo.

Estos trabajos constituyen una fase preliminar de un pro-yecto de investigación y desarrollo de estudios experimentalesde las estructuras de hormigón armado de cimentaciones espe-ciales, “pilotes” y “pantallas”, utilizadas como intercambiadorgeotérmico de muy baja entalpía, para la obtención de energíapara climatización de edificios a partir del subsuelo.

4.1. PILOTE TERMOACTIVO HORMIGONADO “IN SITU”Se observa en el ensayo de inyección realizado, Figura 8, laevolución de las temperaturas de entrada y salida en el pilote.A partir de dicha evolución, se representa, Figura 9, la evolu-ción de la temperatura media entre la temperatura de entraday salida frente al LN (t). Se observa que la tendencia de lacurva representada es la de una recta, en vista de la evoluciónde dicha curva, se puede modelizar el comportamiento térmicodel pilote conforme al modelo de línea infinita a partir del cál-culo de una longitud equivalente (H) de longitud de tuberíaenterrada. Esto permite concluir que el pilote es capaz de ab-sorber la potencia de 62,13 W/m de una manera satisfactoria alo largo de un pulso sostenido de inyección de calor de más dedos días, obteniéndose unas temperaturas de trabajo en unrango inferior a 30°C, muy satisfactorios para el rendimientode un sistema basado en bombas de calor.

Con la validación del modelo de línea infinita para pilotestermoactivos in situ se facilita en cierta media el diseño de ins-talaciones de bombas de calor acoplada a pilotes termoactivoshormigonado “in situ” puesto que el modelo de transferenciade calor es el mismo que el de intercambiadores verticales clá-sicos y por lo tanto a partir de la Rb y de la longitud equiva-lente (H) obtenida se puede estar en disposición de diseñarproyectos reales de pilotes termoactivos a partir de programascomerciales.

4.2. PILOTE TERMOACTIVO PREFABRICADO HINCADOEn el ensayo de inyección, Figura 10, la pendiente de la curvade la temperatura media de entrada y salida se va aproxi-mando a una horizontal, estabilizándose, lo que demuestraque el pilote es capaz de absorber los 60 W/m inyectados du-rante el tiempo que duró el ensayo.

En ensayo de extracción, Figura 11, tampoco se observa sa-turación térmica del terreno para una potencia de 30 W/m du-rante el ensayo, aunque la pendiente de la curva tarda mástiempo en estabilizarse.

Los ensayos se han realizado considerando que en la tipolo-gía de pilotes prefabricados, como tienen poca profundidadefectiva, unos 12 m., el intercambio de calor se ve condicionadopor la evolución de la temperatura ambiente. La temperatura

del terreno es estable a profundidades mayores de 5 metros,en los primeros metros la evolución de la temperatura del te-rreno queda amortiguada y desfasada respecto a la ambiente.

Hay que tener en cuenta que los valores de los ensayos de-penden directamente la conductividad del suelo, en esta ubica-ción bastante elevada, por lo que no son extrapolables los re-sultados a otro tipo de terrenos.

Para poder desarrollar el diseño de un proyecto de pilotestermoactivos prefabricados se debería analizar los resultadoobtenidos y desarrollar un modelo que permitiera simular elcomportamiento de dichos pilotes.

4.3. PANTALLA CONTINUA TERMOACTIVALa evolución de las temperaturas obtenidas a la entrada y sa-lida de la pantalla termoactiva, Figuras 18, 19 y 20, dependedirectamente de las características térmicas del terreno dondese ha ejecutado la pantalla.

Debido a la tipología del intercambiador geotérmico dondeel colector geotérmico se ha dispuesto dentro de la pantalla enla parte más cercana al terreno, no se ha hallado ningún soft-ware comercial que pueda modelizar esta configuración de in-tercambiador geotérmico. Por lo tanto se ha desarrollado unmodelo de transferencia de calor específico para este caso.Como se ha podido comprobar la aproximación del modelo a larealidad es muy buena produciéndose errores despreciables yvalidándose por lo tanto el modelo.

A partir del modelo desarrollado y realizando una caracte-rización térmica del terreno en cada proyecto se puede realizarun diseño real de un sistema de bomba de calor geotérmica.

5. AGRADECIMIENTOSLos autores de este artículo agradecen la colaboración de EADSCASA, CAVEGA, AMR Refractarios Hernani S.A., Ayunta-miento de San Sebastián, Federación Guipuzcoana de DeporteAdaptado, Ente Vasco de la Energía y TELURGyA., UTE Ferro-vial-Moyua, y del personal de ENERGESIS, RODIO y KRONSA.

6. BIBLIOGRAFÍAAUSTIN, W.A. (1998).: “Development of an In-Situ System forMeasuring Ground Thermal Properties”. Master’s thesis.Oklahoma State University. Stillwater, Oklahoma.164 pp.BRANDL, H. (2006).: “Energy foundations and other thermo-active ground structures”. Geotechnique, Volume 56, Number2, pp. 81-122.KAVANAUHG, S. and K. RAFFERTY (1997). “Design of Geot-hermal Systems for Commercial and Institutional Buildings”.ASHRAE.KLEIN et al. (2006) “TRNSYS A Transient System SimulationProgram, User`s Manual, Version 16”. Solar Energy Labora-tory, University of Wisconsin-Madison (2006).PAHUD, D., FROMENTIN, A., HADORN, J.C., (1996). “TheDuct Ground Heat Storage Model (DST) for TRNSYS Used forthe Simulation of Heat Exchanger Piles”. DGC-LASEN, Lau-sanne.URCHUEGUÍA, J.F. et al. (2008).: “Comparison between theenergy performance of a ground coupled water to water heatpump system and an air to water heat pump system for hea-ting and cooling in typical conditions of the European Medite-rranean coast”, Energy, Conversion and Management,doi:10.1016/j.enconman.2008.03.001.WITTE, H.J.L., et al (2002).: “In Situ Measurement of GroundThermal Conductivity: The Dutch Perspective” ASHRAETransactions, Vol. 108, Nº 1.



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1. INTRODUCCIÓN En 2007, TERMOTERRA. S. L., empresa especializada en laconstrucción e instalación de sistemas geotérmicos, pertene-ciente al grupo TERRATEST, emprendió la obra de geotermiade baja entalpía para climatización más grande ejecutadahasta el momento en España y la cuarta más grande de Eu-ropa por metros perforados: el nuevo Hospital de Mollet delVallés (Barcelona), que abrirá sus puertas a principios de 2010y que está siendo ejecutado por la UTE Hospital de Mollet (Ac-ciona Infraestructuras y EMTE). Este hospital dará asistenciasanitaria a más de 150.000 vecinos del municipio, ocupará26.649 metros cuadrados repartidos en cuatro plantas en lasque se reparten 140 camas para la hospitalización, 4 quirófa-nos y 17 box para la atención urgente, entre otros servicios.

Una vez terminado este edificio se convertirá además, enuna referencia de la sostenibilidad en España, ya que ha apos-tado por la energía geotérmica para su climatización, ademásde incluir sistemas de reaprovechamiento de aguas pluviales,aislamientos de última generación, etc.

La finalización de la instalación geotérmica está previstapara finales de diciembre de 2009. En este proyecto se han tra-tado de optimizar los rendimientos energéticos de los equipos

y sistemas que han de satisfacer esta demanda energética, sintener que recurrir a las torres de refrigeración, y así evitar elriesgo asociado a la contaminación por legionela.

Para cubrir las necesidades de climatización, se han reali-zado más de 20.000 metros lineales de perforaciones para laconstrucción del intercambiador geotérmico vertical que cu-brirá una potencia de 1.200 kW para calefacción y 1.000 kWpara refrigeración. El sistema cuenta con 2 bombas de calorgeotérmicas de 600 kW en modo calefacción y 500 kW en modorefrigeración con la que se pretende satisfacer la demanda decalor y frío base del hospital. El resto de potencia no cubiertamediante el sistema geotérmico, será satisfecho con métodosde climatización convencional, como chillers y calderas.

2. PRINCIPIO DEL SISTEMA DE BOMBAS DE CALORGEOTÉRMICO

Una bomba de calor geotérmica utiliza el subsuelo comofuente de calor, cuando funciona como calefacción, o como disi-pador de calor, cuando funciona en modo refrigeración. El in-tercambio de energía térmica con el subsuelo se realiza pormedio de la conexión de la bomba de calor con el intercambia-dor de calor terrestre. En este caso se ha realizado geotermiavertical en bucle cerrado que consiste en perforaciones de 145metros de profundidad en los que se introducen sondas de po-lietileno de alta densidad en forma de “U”. El principio de fun-cionamiento general de este tipo de sistemas se muestra en lafigura 1.

Aplicación de la geotermía de bajaentalpía en el nuevo hospital

de Mollet del Vallès

Mª ARANZAZU CUESTA GARCÍA (*) y GONZALO ROBERTO MAYORAL FERNÁNDEZ (**)

APPLICATION OF LOW-ENTHALPY GEOTHERMAL ENERGY IN THE NEW HOSPITAL OF MOLLET DEL VALLÈSABSTRACT The new Hospital in the city of Mollet del Vallès has chosen Geothermic energy for heating and cooling. Theinstallation, built between years 2007 to 2009, will turn the hospital into one of the most sustainable building of Spainbecause will supply more than 1 MW of heating and cooling peak load with Geothermic energy. Now, this project is thebiggest in Spain and it is one of the five biggest in all Europe.

RESUMEN El nuevo hospital de Mollet del Vallès ha apostado por la energía geotérmica para climatizar parte de sus depen-dencias. La instalación llevada a cabo durante los años 2007 y 2009, la han convertido uno de los edificios más sosteniblesde España, ya que cubrirá más de 1 MW de potencia de climatización sólo con Geotermia. Este proyecto es actualmente elmás grande de España y uno de los cinco primeros de Europa.

21

Palabras clave: Hospital pionero, Perforación, Refrigeración pasiva, Simultaneidad, Rendimiento.

Keywords: Pioneering hospital, Geothermic drilling, Free cooling, Simultaneous use, Performance.

(*) Responsable de proyectos Termoterra.(**) Jefe de grupo de obras de Termoterra.


3. FASES DEL PROYECTO3.1. ENSAYO DE RESPUESTA TÉRMICA DEL TERRENOEl primer paso consistió en la realización de un sondeo geotér-mico piloto y su correspondiente ensayo de respuesta térmicoERT (también conocido como TRT–Thermal Response Test).

Para ello, se realizó la perforación del sondeo exploratoriode 145 m de profundidad. El ensayo consiste en producir la cir-culación de un fluido portador de calor a través de la sonda du-rante 72 horas y monitorizar la temperatura de entrada y sa-

lida al sondeo. El ERT es un procedimiento experimental quepermite determinar “in situ” la conductividad térmica (λ) delsubsuelo. Una condición importante es que durante todo el pe-ríodo del experimento la potencia de inyección de calor perma-nezca constante y conocida. Ha de mencionarse que el sondeopiloto se realizó en el futuro campo de sondeos y con el mismotipo de sonda, diámetro y relleno que los sondeos constructi-vos; con este procedimiento se asegura el mismo comporta-miento que tendrán los futuros sondeos.

Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 1.

APLICACIÓN DE LA GEOTERMÍA DE BAJA ENTALPÍA EN EL NUEVO HOSPITAL DE MOLLET DEL VALLÈS


FIGURA 1. Principio de funcionamiento de un sistema de bomba de calor geotérmica.

Información hidrogeológica

Información local

Tipo de suelo Suelo detrítico

Nivel piezométrico 16 m

Temperatura media del suelo 16,7 oC

Conductividad térmica media 1,93 W/m.K

Columna litológica

Profundidad Características geológicas

0 a 70-72 m: Arcilla, arena fina, limosa, de compacidad media a alta

70 a 72 m: Nivel de aguas subterráneas confinadas

70 a 150 m: Nivel de gravas muy finas arenosas, ligeramente arcilloso.TABLA 1. Resultado delensayo ERT.

Demanda de calor Demanda de frío

Con los resultados obtenidos en el ensayo y el perfil de car-gas y demandas de climatización, se realizó la simulación ymodelización del sistema para dimensionar el proyecto. Deesta forma, se optimiza al máximo el proyecto en función delas propiedades del terreno, evitando así tanto posibles sobre-dimensionamientos y extracostes innecesarios como posiblespérdidas de rendimiento. Por tanto, es de suma importancia larealización del ERT y su correcta interpretación.

Una vez realizados los cálculos referidos, se concreta el di-seño final de la instalación y, finalmente se inicia la ejecuciónmaterial del intercambiador geotérmico.

3.2. CONSTRUCCIÓN DEL INTERCAMBIADOR TERRESTREEl intercambiador de calor terrestre se realizó durante los me-ses de junio a septiembre de 2007 en el espacio que ocupará elfuturo Hospital. Durante la ejecución llegaron a trabajar hasta3 equipos de perforación RB8R de la firma Prakla, simultáne-amente.

Las operaciones de perforación convivieron con los trabajosde cimentación del hospital como apertura de zanjas para lasriostras y encepados. Ello exigió una gran coordinación con lajefatura de obra y el resto de subcontratas presentes en el hos-pital.

El diseño definitivo del intercambiador de calor terrestreconsiste en 144 sondeos de bucle cerrado de 145 m de profun-didad que están conectados en 4 grupos de 36 pozos que seunen en arquetas de las que parten los colectores principaleshacia la sala técnica

Como se ha comentado, cada pozo tiene una profundidadmedia de 145 m en los que se realizó la instalación de sondas

de polietileno de alta densidad (PEAD 100 SDR 11) de buclesencillo de 40 mm de diámetro y 3,7 mm de espesor, certifica-das y probadas en fábrica. En cada sonda instalada se realiza-ron dos pruebas de estanquidad aplicando una presión de 3bar en cada prueba. La primera prueba se realiza previa almomento de introducirlas en el terreno y una vez se han intro-ducido en la perforación y antes de inyectar el pozo con el re-lleno de cemento-bentonita, se les realiza la segunda pruebacon el fin de certificar que la sonda no ha sido dañada en laoperación de instalación. Posteriormente, se realizó el selladode los pozos mediante la inyección de lechada de cemento-ben-tonita de alta conductividad térmica. La localización de lossondeos y el esquema de conexión se muestran en la figura 4.

La perforación del campo de sondeos se realizó de formaneumática aunque las intercalaciones de arenas existentes enel terreno hicieron que en algunos pozos se requiriese la circu-lación de lodos naturales con adición de polímeros biodegrada-bles.

Asimismo, durante las labores de instalación de la red hori-zontal para conectar los sondeos con la sala técnica existió unaesmerada coordinación con las subcontratas instaladoras delas redes de abastecimiento, saneamiento y drenajes ya quefueron realizadas simultáneamente.

3.3. DISEÑO Y MONTAJE DE LA SALA TÉCNICAEstá previsto finalizar la instalación de la sala técnica a fina-les de diciembre de 2009. Para un total éxito de la instalacióngeotérmica el diseño es fundamental, con un especial cuidadoen el establecimiento de los puntos de partida definitivos y elcálculo de las principales dimensiones del sistema geotérmico.



FIGURA 2. Vista de tres equipos deperforación trabajandosimultáneamente.



FIGURA 3. Vistaaérea del hospital.

FIGURA 4. Localización sondeos y conexiones horizontales.

1.3

1.10

1.4

1.11

1.5

1.12 1.13

1.15

1.17

1.19

1.21

1.23

1.25

1.27

1.29

1.31

1.14

1.16

1.18

1.20

1.22

1.24

1.26

1.28

1.30

1.32

1.33

1.35

2.33

2.35

3.333.35

4.13

4.15

1.34

1.36

2.34

2.36

3.34

3.36

4.14

4.16

2.17

2.19

2.21

2.23

2.25

2.27

2.29

2.31

2.18

2.20

2.22

2.24

2.26

2.28

2.30

2.32

4.33

4.35

4.11

4.9

4.7

4.5

4.3

4.1

4.34

4.36

4.12

4.10

4.8

4.6

4.4

4.2

4.17

4.19

4.21

4.23

4.25

4.27

4.29

4.31

4.18

4.20

4.22

4.24

4.26

4.28

4.30

4.32

3.20

3.21

3.22

3.23

3.25

3.27

3.29

3.31

3.24

3.26

3.28

3.30

3.32

1.6 1.7 1.8 1.9 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15

3.16 3.17

3.18

3.19

2.13 2.14

2.15 2.16

1.1 1.2 2.12.2

2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Los principales resultados que se deben obtener de la etapa dediseño son el diseño integrado del sistema, la explicación téc-nica del mismo y la planificación de los trabajos de montaje.Para ello hay que contar y conocer perfectamente la interac-ción entre el intercambiador geotérmico terrestre (entendidocomo el conjunto terreno+perforaciones) y el sistema de clima-tización del hospital, la localización exacta de los sondeos y dela sala técnica, recorrido de los tubos de conexión horizontalentre los sondeos y la sala técnica, organización y distribuciónde los equipos en la sala técnica y planificación de trabajos.

La sala técnica planificada para el hospital contiene los si-guientes elementos:

• Colectores de ida y retorno en la sala técnica para conec-tar el campo de sondeos.

• Colectores, frío y caliente, en la sala técnica para conec-tar con el sistema de climatización al hospital.

• Bombas de calor geotérmicas.• Tuberías y accesorios, incluyendo componentes, en la

sala técnica.• Bombas de circulación.• Depósitos de inercia y vaso de expansión.El hospital contará con una potencia de 1.200 kW para ca-

lefacción y 1.000 kW para refrigeración cubierta mediante lainstalación geotérmica.

Para ello se instalarán 2 bombas de calor geotérmicas de600 kW en modo calefacción y 500 kw en modo refrigeracióncon las que se pretende satisfacer parte de la demanda de ca-lor y frío base del hospital. En cuanto a las características deestas bombas de calor a instalar, en los proyectos geotérmicosde gran tamaño y en los que, además es necesario suministrarcalefacción y refrigeración simultáneamente durante una



FIGURA 5. Arquetas de distribución.

FIGURA 6. Conexioneshorizontales.

parte del año, es necesario que las bombas seleccionadas cum-plan las siguientes características:

• Funcionamiento en modo calefacción y refrigeración.• Funcionamiento en condiciones de carga parcial hasta

un 10% de la carga pico. • Elevado COP (Coefficient of Performance) en condiciones

de carga parcial, tanto en modo calefacción como refrige-ración.

Con las características de las bombas de calor geotérmicasconvencionales no es posible obtener estos resultados, por loque ha sido necesario realizar ciertas modificaciones para po-der asegurar un sistema geotérmico eficiente. Tanto el diseñode la sala técnica como las adaptaciones necesarias se han lle-vado a cabo con la estrecha colaboración de la empresa IFTECGeoenergía, expertos en sistemas de intercambio de energíatérmica con el subsuelo para suministrar una climatización(calefacción y refrigeración) sostenible y eficiente en edificios,procesos industriales e invernaderos.

El sistema geotérmico del Hospital de Mollet se ha dise-ñado buscando el máximo aprovechamiento energético, por locual permite diferentes modos de funcionamiento, ofreciendo:

• Refrigeración directa o free cooling. En este caso, el in-tercambio térmico se produce por medio de la circula-ción directa del fluido del intercambiador de calor desdeel campo de sondeos hasta el interior del hospital, sinnecesidad de funcionamiento de la bomba de calor. Estemodo de funcionamiento reduce el consumo eléctrico dela instalación ya que únicamente las bombas de circula-ción están en funcionamiento, pudiéndose así alcanzaruna elevada eficiencia del sistema.

• Refrigeración utilizando las bombas de calor o refrigera-ción activa. En este caso, el frío se obtiene de las bombasde calor geotérmicas disipando el calor del condensadoral subsuelo. En este modo de funcionamiento, el sub-suelo recibe el calor proveniente del condensador de labomba de calor.

• Calefacción utilizando las bombas de calor o calefacciónactiva. En este caso, el calor para suministrar al Hospi-tal se obtiene de las bombas de calor geotérmicas. Labomba de calor utiliza el subsuelo como fuente de calordel evaporador.

• Refrigeración y calefacción simultáneas. Pueden existirdos casos, cuando la carga dominante es la calefacción,

el fluido del evaporador (frío) es utilizado como fuente derefrigeración para la zona del hospital que lo necesite.En el caso opuesto, cuando el modo refrigeración es lacarga principal, el calor del condensador generado en laproducción de frío es utilizado como fuente de calefac-ción para otras zonas del edificio.

Gracias a estos modos de funcionamiento, el subsuelo esutilizado únicamente para la demanda neta del hospital, mejo-rando notablemente la eficiencia y COP global del sistema.Cuando la demanda de calor es mayoritaria en el hospital y lademanda de frío minoritaria, se utiliza el calor del condensa-dor como fuente de calor y únicamente la parte restante se ob-tiene del subsuelo.

Cabría resaltar también que todo el diseño de este sistemase basa en la posibilidad de de la cesión del sobrante de ener-gía (tanto para calefacción como para refrigeración) dentro delsistema de climatización a diferentes temperaturas de trabajo,como es el caso del sistema de climatización mediante calderasy chillers versus techo radiante.

Además, en verano, el calor de condensación generado porel sistema será utilizado para el precalentamiento del agua ca-liente sanitaria del hospital (ACS).

4. CONCLUSIONESEl sistema geotérmico en el nuevo hospital de Mollet del Vallésestá diseñado para obtener los mejores rendimientos y eficien-cias. Podría suponer un ahorro de hasta un 75% de la energíadestinada a refrigeración y calefacción, y una reducción del50% en emisiones de CO2.

Comparado con los equipamientos de climatización tradicio-nales, este sistema de energía geotérmica presenta varias ven-tajas como un mayor ahorro energético, una menor dependenciadel suministro eléctrico de la red, bajos costes de mantenimientoy un incremento de la vida útil de la instalación. Las estimacio-nes llevadas a cabo apuntan a que por cada kilovatio de energíaeléctrica consumida por el sistema geotérmico, se pueden gene-rar como mínimo 4 kW. Además, como se ha comentado, en épo-cas como la primavera, este sistema podría realizar refrigera-ción directa sin coste energético apreciable.

La instalación de aprovechamiento geotérmico para el Hos-pital de Mollet del Vallés es puntera en cuanto a diseño y opti-mización de uso, y es un referente para futuras instalacionessimilares en edificaciones de uso sanitario, tradicionalmentede gran consumo energético.



1. EVOLUCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN GEOTÉRMICAEN LA CUENCA DE MADRID

La presencia de yacimientos geotérmicos en el subsuelo delárea de Madrid, se puso ya de manifiesto en el sondeo petrolí-fero TIELMES (VALDEBRO, 1965) en la zona sur de la

cuenca de Madrid. La perforación se encontró agua calientesurgente a 60°C en niveles calcáreos del Cretácico.

Posteriormente, el “Inventario Nacional de ManifestacionesGeotérmicas” llevado a cabo por el Instituto Geológico y Mi-nero de España (IGME) en 1975, reafirmó la posibilidad deque en el subsuelo de Madrid existieran almacenes geotérmi-cos a temperaturas comercialmente explotables localizandovarios indicios.

En 1979 y dentro del Plan Nacional de Investigación Geoló-gico Minera de recursos Energéticos, el IGME publicó el “Estu-dio de los Materiales de la Cuenca de Madrid Susceptibles deconstituir Acuíferos Profundos capaces de ser soporte de ener-gía Geotérmica de Baja Entalpia” donde se hace un análisis

Potencial de la Geotermia Profundaen la Cuenca de Madrid

R. HIDALGO (*), J. SÁNCHEZ (**) y P. UNGEMACH (***)

DEEP GEOTHERMAL ENERGY POTENTIAL IN MADRID BASINABSTRACT The Madrid Basin geothermal potential was evidenced in 1980 thanks to an oil exploration well drilled byShell-Campsa which showed temperatures of 88°C and 150°C degrees at 1,700 mts and 3,400 mts depth respectively. The low enthalpy geothermal reservoir could be further assessed by four exploratory wells the first one, Pradillo (original’sShell-Campsa oil well), two drilled by ADARO and IGME (Geological survey of Spain) in San Sebastian de los Reyes andTres Cantos respectively. The latest well, Geomadrid 1, was drilled in 1990 by the Madrid Regional government. The afore mentioned wells have identified a dependable geothermal resource, hosted in a tertiary, clastic, consolidatedsandstone reservoir consisting of a thick multilayered sequence (200-800m) with temperatures ranging from 70° to 90°Cand depths of 1,500 to 2,150 m., overlying a Mesozoic sequence, suitable to be exploited for thermal uses in several districtheating grids around Madrid in areas displaying adequate heat loads.A medium temperature reservoir was also identified at the contact between Mesozoic Cretaceous limestones and fracturedbasement granites at 3,400mts depth, with measured temperatures of 156°C, that could be developed and exploited in viewof a combined power and heat production (CPH) within the Madrid suburban areas.

RESUMEN El potencial geotérmico de la Cuenca de Madrid fue puesto en evidencia gracias al sondeo de investigación petro-lífera Pradillo (Shell-Campsa 1980) situado en San Sebastián de los Reyes donde se midieron temperaturas de 88°C a 1.700mts y 156°C a 3.400 mts de profundidad respectivamente.Este hallazgo propició la evaluación detallada del potencial del reservorio de menor temperatura y profundidad, a partirde los ensayos realizados en el sondeo Pradillo y en los sondeos geotérmicos de nueva construcción de San Sebastián de losReyes y Tres Cantos, realizados por el ADARO y IGME a mediados de los años 80 y el sondeo Geomadrid, llevado a cabopor la Comunidad de Madrid en 1990.Estas perforaciones pusieron de manifiesto un reservorio geotérmico de baja temperatura asociado a los niveles detríticosdel paleógeno superior; un reservorio multicapa de potencia variable (200-800m) y temperaturas comprendidas entre los70 y 90°C localizado entre los 1.500 y los 2.100m de profundidad susceptible de proporcionar energía de manera directaque puede ser aprovechada en superficie para usos térmicos en zonas con una demanda adecuada, proporcionando calor,frío y agua caliente sanitaria a través de redes de distrito.Un segundo potencial reservorio geotérmico fue identificado a 3.400m en el sondeo Pradillo en el contacto entre los mate-riales cretácicos y el basamento Paleozoico donde se registraron temperaturas de 156°C. Este recurso podría ser aprove-chado para la generación combinada de energía eléctrica y calor directo supliendo en parte las demandas de energía de lazona note de la Comunidad de Madrid.

27

Palabras clave: Madrid, Geotermia, Baja temperatura, Recursos, Usos directos.

Keywords: Madrid, Geothermics, Low temperature, Resources, Direct uses.

(*) PETRATHERM ESPAÑA, Avenida Doctor Arce n°14, 28002 Madrid, Spain.(**) TECNOLOGÍA Y RECURSOS DE LA TIERRA SA - Pza. Castilla, 328029 Madrid, Spain.(***) GPC INSTRUMENTATION & PROCESS(GPC IP), Paris-Nord 2, 14, ruede la Perdrix, Lot 109. BP 50030. 95946 ROISSY CDG CEDEX. France.


detallado de las diferentes formaciones geológicas de la cuencade Madrid, de sus características litológicas e hidrogeológicasy de su potencial para albergar almacenes geotérmicos de bajaentalpía.

Ya en 1980, la perforación del sondeo de investigación dehidrocarburos, Pradillo 1, al norte de la ciudad de Madrid, porla asociación SHELL-CAMPSA, confirmó las hipótesis plante-adas por el IGME en los informes anteriores, encontrándoseun almacén en las areniscas terciarias entre 1.500 y 2.000 me-tros de profundidad, a temperaturas de 75-85 y otro potencialalmacén ligado a las calizas dolomíticas y dolomías del cretá-cico superior.

Posteriormente se desarrollaron en el área norte de Madridotros tres sondeos profundos con fines geotérmicos: el sondeoTres Cantos, situado en la localidad del mismo nombre, lle-vado a cabo por el IGME en 1981; el sondeo San Sebastián delos Reyes-1, realizado dentro del Plan Energético Nacional porla Empresa Nacional ADARO en 1981-82, y finalmente el son-deo GeoMadrid-1, llevado a cabo en 1989-90 por el InstitutoMadrileño de Desarrollo (IMADE), organismo dependiente dela Comunidad de Madrid, en las proximidades de la Residen-cia de Ancianos Ntra. Sra. del Carmen en la carretera de Col-menar, junto a la Universidad Autónoma de Madrid. Todosellos han permitido por un lado la confirmación la existenciadel yacimiento geotérmico en la zona norte de la cuenca deMadrid y por otro las características detalladas de este alma-cén de baja temperatura.

En diciembre de 2006 Petratherm España S.L. solicita unpermiso de exploración geotérmica al norte de la comunidadde Madrid en cuyo perímetro se circunscriben los sondeos deinvestigación geotérmicos descritos en los párrafos anteriores.En Noviembre de 2007 la Dirección general de Industria de lacomunidad de Madrid otorga el permiso de exploración a Pe-tratherm que está desarrollando dos diferentes líneas de tra-bajo dentro del área del permiso:

Por un lado el estudio de viabilidad técnico-económica parael desarrollo de una red de distrito geotérmica que aprovecha-ría el recurso somero de baja temperatura.

Por otro la modelización estructural de la cuenca de Madridcon el objetivo de definir las aéreas de mejor potencial para de-sarrollar un sondeo geotérmico que defina el potencial real delalmacén geotermal más profundo, bien como un sistema geo-térmico estimulado (EGS) bien como un sistema geotérmicoasociado a sedimentos profundos; susceptible de ser utilizadopara generar energía eléctrica.

2. ENCUADRE GEOLÓGICO DE LA CUENCA DE MADRIDLa Cuenca de Madrid es una depresión de morfología trian-gular que se encuentra en la parte norte de la cuenca hidro-gráfica del Tajo, limitada por el Sistema Central al norte, laSierra de Altomira al este y los Montes de Toledo al sur (Fi-gura 2).

Geológicamente es una cubeta sinclinal-monoclinal de di-rección NE-SW en la que se han acumulado sedimentos conti-nentales del Cretácico y Terciario, de gran potencia.

Estratigráficamente existe una clara diferenciación entrelas zonas norte y sur de la cuenca, con dominio de las faciesdetríticas propias de borde, al norte, y facies evaporíticas alsur. La localización de este cambio de facies es variable conla profundidad. En los materiales más superficiales se pro-duce justo al sur de la ciudad de Madrid, con paso de mate-riales arenosos a yesíferos. A niveles más profundos el trán-sito ocurre de forma más irregular, dando lugar a unasobreposición de niveles detríticos (arenas o arcillas) y eva-poríticos.

En el área norte, directamente sobre el basamento, se si-túan de forma discordante los materiales del Cretácico. Sobreél aparecen las formaciones terciarias de base, de edades Oli-goceno o Eoceno, completadas por los depósitos del Mioceno

POTENCIAL DE LA GEOTERMIA PROFUNDA EN LA CUENCA DE MADRID


FIGURA 1. Situación de lossondeos geotérmicos dentrodel Permiso de exploración

Cayena del que es titularPetratherm España S.L. 0 5 10 kilométros

Madrid Torrejón de Ardoz

Colmenar Viejo

TRES CANTOS PRADILLO-1

GEOMADRID-1SAN SEBASTIÁN DE LOS REYES

N

que se disponen de forma discordante en posición sub-horizon-tal. A continuación se describen los principales rasgos litológi-cos de cada una de estas formaciones:

• El basamento o zócalo de carácter impermeable en ge-neral está constituido por granitos y rocas metamórficastipo pizarras cuarcíticas, micacitas y gneises, de Somo-sierra y Guadarrama. Su intensa fracturación se reflejaen las fallas paralelas a los afloramientos cretácicos, quese traducen en una disposición en escalones del Cretá-cico en el borde de la cuenca. Los granitos y metagrani-tos de las series más evolucionadas presentan valoresanómalos en elementos radiogénicos tales como uranio,torio y potasio que podrían estar actuando como verda-deros focos de calor en profundidad. Este basamentogranítico fracturado se constituye en un entorno propi-cio para el desarrollo de sistemas geotérmicos estimula-dos (EGS).

• El Cretácico está representado por depósitos de calca-renitas, calizas, dolomías y margas de potencia varia-ble entre los 100 y 250 metros que podrían en algunoscasos y dependiendo de aspectos tales como grado dekarstificación y fracturación constituirse en buenos al-macenes geotérmicos por los caudales que podríanaportar al sistema geotérmico. El cretácico se sitúa enla zona norte de la cuenca de Madrid a más de 3.000m

de profundidad, donde ya se han definido temperatu-ras próximas a los 150°C y donde podríamos encontrarcaudales superiores a los 80 l/s. Estos parámetros ha-rían viable el desarrollo de sistemas geotérmicos aso-ciados a sedimentos profundos para la generación deenergía eléctrica.

• El Terciario Inferior está formado por depósitos lagu-nares donde predominan las litologías margosas y mar-gocalizas, que alcanzan potencias comprendidas entrelos 40 y los 200 metros.

• El Paleógeno Superior - Neógeno constituye la for-mación detrítica de la zona norte de la Cuenca de Ma-drid y tradicionalmente se divide en dos unidades deedad difícilmente diferenciable debido a su carácter con-tinental y de litología similar.– La unidad detrítica inferior se encuentra, hacia los

bordes de la cuenca, sobre el Terciario Inferior carbo-nato-evaporítico. Constituida de elementos aluvialesconglomeráticos y areniscas que lateralmente setransforman en arenas y arcillas. Su potencia es muyvariable y se le atribuye edad de Oligoceno Medio aSuperior. Esta es la unidad sobre la que se encaja elreservorio geotérmico multicapa de muy baja tempe-ratura (70-90°C) asociado a los niveles de arenas yareniscas intercalados entre niveles de arcillas.



FIGURA 2. Síntesis geológicaCuenca de Madrid modificado deCalvo et al (1989).

Pradillo-1Madrid

ToledoAranjuez

Relleno sedimentario

Rocas carbonáticas

Rocas metamórficas

Rocas graníticas

Cenozoico

Mesozoico

Paleozoico

Guadalajara

Segovia

Ávila

Área Noroeste

Área Sur

Área Este

MONTES DE TOLEDO

DEPRESIÓNINTERMEDIA

CUENCA DE MADRID

SIER

RA D

E A

LTO

MIR

A

S I S T E MA

CE N

T R AL

CORDILLERA IBÉRICA

0 50 Km

Área Norte

– La unidad detrítica superior es reconocible en todo ellímite próximo a la Sierra Norte. Litológicamenteestá formada por elementos detríticos, conglomera-dos y areniscas.

Hacia el sur de la cuenca el registro sedimentario Ter-ciario sufre un notable cambio generalizado a faciesevaporíticas con ausencia casi total de sedimentaciónclástica.

3. POTENCIAL GEOTÉRMICO DE LA ZONA NORTE DE MADRIDEl volumen y calidad técnica de la información generada en elárea norte de la comunidad de Madrid nos permite tener datosmuy detallados para poder valorar en detalle el potencial delalmacén geotérmico de baja temperatura encajado en los nive-les permeables de arenas y areniscas terciarias localizados aprofundidades que oscilan entre los 1.500 y los 2.000 m. Tam-bién permite definir con bastante fiabilidad el potencial del po-sible almacén geotérmico situado en el límite Cretácico-basa-mento Hercínico, si bien en este caso aunque se confirmen lastemperaturas por encima de 150°C quedaría por estudiar y de-finir los caudales de producción que podrían obtenerse de ma-nera natural en los materiales cretácicos o de forma estimu-lada en el basamento granítico fracturado. (Ver figura 3).

3.1. CONTINUIDAD Y POTENCIA DEL ALMACÉN DE BAJATEMPERATURA

En términos generales puede decirse que el acuífero multi-capa del paleógeno superior se halla presente en toda laCuenca de Madrid. Sin embargo, su espesor es muy variable

desde los más de 600 metros en la zona más próxima a laSierra hasta los 50 metros en las áreas al Sur de Madrid(Pinto, Arganda, etc.). La información de los cuatro sondeosgeotérmicos profundos y los estudios de sísmica de reflexiónhan permitido realizar una estimación precisa de las posibili-dades y potencial geotérmico de la formación, que confirmala continuidad del almacén al menos dentro de un área de 50Km2 constituida por el limite de los sondeos, si bien entende-mos que el área de influencia del almacén y por tanto su po-tencial geotérmico se extiende hacia el norte, este y oesteprincipalmente.

La potencia estimada para el tramo productivo de la forma-ción en esta zona de 50km2 (figura 5) está comprendida entrelos 300 y los 600 metros, ENADIMSA (1983). Los datos de loslímites litológicos de techo y muro reconocidos por estos son-deos se recogen en la tabla 1. La continuidad lateral y el rangode potencias confirmado permiten asignar una buena capaci-dad productiva.

3.2. TEMPERATURADurante la perforación del sondeo petrolífero El Pradillo-1 seobtuvieron los primeros valores de temperatura en profundi-dad; dos medidas dentro del acuífero terciario detrítico (67°C a1.500 m y 88°C a 1.750 m), ADARO (1981).

La perforación posterior de los otros tres sondeos profun-dos, permitió confirmar un nivel térmico superior a los 70°Cdentro del área de estudio. Los datos de temperatura disponi-bles se recogen en la tabla 2. A partir de ellos se obtuvieron losvalores del gradiente geotérmico en dos de los sondeos, con lossiguientes resultados: en el sondeo Tres Cantos el gradiente



SONDEO PROFUNDIDAD TECHO (m)

PROFUNDIDADMURO (m)

POTENCIARECONOCIDA (m)

El Pradillo-1 1.210 1.992 782

Tres Cantos 1.710 (2.417) 707

SS. de los Reyes 1.537 (2.130) 593

GeoMadrid-1 1.585 (2.000) 415

FIGURA 3. Corte geológico interpretativo de la Cuenca de Madrid. En rojo se muestra la posición de los diferentes almacenes geotérmicos. (Modificadodel IGME).

TABLA 1. Geometría delalmacén geotermal de bajatemperatura.

EGS Reservoir ≈ 150°C

Tres CantosGeomadrid

Pradillo

SS de losReyes

Direct heat reservoir ≈ 80°C

Dep

th (m

)

1.000

0

1.000

2.000

3.000

calculado es de 3,04°C por cada 100 metros de profundidad; enel sondeo San Sebastián de los Reyes la temperatura varía arazón de 3,25°C por cada 100 metros de profundidad. Ambosvalores son muy similares y pueden considerarse correspon-dientes a un gradiente geotérmico normal, en cuencas sedi-mentarias.

3.3. CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS

Los sondeos que atraviesan la formación permeable en el áreade estudio confirmaron buenas características hidráulicas. Suscompletos programas de ensayos aportan datos estimables so-bre la mayoría de los parámetros hidráulicos, permitiendo una



FIGURA 4. Isotermas dentro del almacén de baja temperatura definido en los materiales del paleógeno superior.

SONDEO TEMPERATURA(°C)

PROFUNDIDADDE LA MEDIDA (m) OBSERVACIONES

El Pradillo-167 1.500

88 1.750

Tres Cantos

55 1.365 Medido con termómetro de máxima



SS.de los Reyes

64 1.480 Durante testificación geofísica

77 1.520 Termómetro registrador kuster


81 2.130 Durante testificación geofísica


GeoMadrid-1 73,5 1.500 Estimadas por fluido geotérmicodurante ensayo air-lift

TABLA 2. Datos detemperaturas correspondientes

al acuífero terciario detríticoen la zona norte de la Cuenca

de Madrid.

Alcorcón

Tres Cantos

Geomadrid–1

El Pradillo–1S. Sebastiánde los reyes

90°C

80°C

70°C

60°C

50°C

Alcalá de Henares

MADRID

Colmenar Viejo

Las Matas

Torrelodones

Galapagar

Embalse de Valmayor

Embalse del Pardo

R. Guadalix

R. Manzanares

R. Hen

ares

Valdemorillo

Brunete

buena caracterización del acuífero (tabla 3). Los sondeos TresCantos, San Sebastián de los Reyes y GeoMadrid-1 teníancomo objetivo ensayar el almacén geotérmico. Sin embargo, elsondeo El Pradillo-1 no fue perforado con fines geotérmicos,por lo que los resultados de sus ensayos hidráulicos se recogensolo a título orientativo. Ha de resaltarse, no obstante, que susvalores están en concordancia con los del resto de los sondeos.En todos ellos los datos de perforación, litológicos, digrafías,ensayos hidráulicos, etc., coinciden indicando la presencia deun reservorio geotérmico de gran productividad.

La potencia de los tramos de alta permeabilidad varíaentre 250 y 300 metros aproximadamente. Son almacenesmulticapa compuestos de series de arenas y areniscas conintercalaciones arcillosas. Estas secuencias están descritasen las columnas litológicas de los sondeos a partir de 1.500metros de profundidad. La naturaleza detrítica del acuífero,formado por arenas y areniscas limpias en sus tramos per-meables, establece un modelo de flujo a través de un mediode porosidad primaria (intergranular), en estas condicioneslos valores de porosidad constituyen un excelente indicadordel comportamiento hidráulico del acuífero. En general, laporosidad en el almacén nunca es inferior al 10-12%, a ex-cepción de tramos con presencia de materiales evaporíticos(anhidrita o yeso).

En los cuatro sondeos se realizaron ensayos hidráulicos me-diante pruebas de descenso y recuperación. Los resultadosconfirman la excelente productividad del almacén, en el que semidieron transmisividades comprendidas entre 20,3 Dm (TresCantos) y 44,4 Dm (GeoMadrid-1). Las permeabilidades me-dias inferidas varían entre los 88 md y los 453 md, obtenidasen los mismos sondeos. La capacidad específica del acuífero ob-servada durante los bombeos de ensayo está comprendida en-tre 0,87 l/sm-1 y 1,5 l/sm-1. El nivel piezométrico en el área deestudio se sitúa aproximadamente entre los 500 y los 570 msobre el nivel del mar.

3.4. CALIDAD DE LAS AGUASLas variaciones de salinidad en el agua dentro del acuíferoterciario detrítico fueron estudiadas principalmente me-

diante análisis cuantitativo de diagrafías. Los logs revelandistribuciones de salinidad con la profundidad muy pareci-das en todos los sondeos, a excepción del sondeo Geomadrid-1, donde se observa la presencia de agua más dulce a pro-fundidades similares. En general, la degradación de lacalidad del agua es progresiva hasta los 900-1.000 metros,en donde los logs reflejan aumentos más bruscos de salini-dad hasta valores aproximados de 10.000-15.000 ppm. Amayor profundidad se produce otro salto cuantitativo impor-tante sobre los 2.000 metros de profundidad, en donde lassalinidades superan fácilmente las 30.000 ppm. Los datos desalinidad obtenidos a partir de diagrafías se recogen en latabla 4.

3.5. ESTIMACIÓN DEL RECURSO GEOTÉRMICOEn 2008, P. Ungemach et al., llevaron a cabo una primera ten-tativa al cálculo de los potenciales recursos geotérmicos que al-berga la cuenca de Madrid; particularmente en su zona norte.Se han realizado dos estimaciones (Ver figura 5).

La primera considera un área de 150 km2 que se circuns-cribe a la zona reconocida por sondeos descritos en los capítu-los anteriores.

La segunda contempla un área más amplia, de 1.400 Km2

sin una información tan detallada como la que se encuentra enlos sondeos pero que se circunscribe a un entorno geológico si-milar donde se esperan obtener resultados de temperaturaflujo térmico, caudales, etc similares a los encontrados en lossondeos ejecutados hasta ahora.

El potencial geotérmico profundo ha sido evaluado por de-bajo de los 1000 mts y hasta profundidades de 5 kilómetros,estimándose tanto los recursos de baja temperatura suscepti-bles de ser aprovechados para usos térmicos, como los de me-dia temperatura que podrían tener doble aplicación; la genera-ción de energía eléctrica y los usos térmicos (ver tabla 5).

Según estos cálculos se estima que el recurso geotérmicoprofundo potencialmente explotable en la zona norte de lacuenca de Madrid es de unos 22.000 Petajulios lo que corres-pondería aproximadamente a 20 veces el consumo anual detoda la energía eléctrica de España.



PARÁMETROSSONDEOS

Tres Cantos SS.de los Reyes GeoMadrid-1 El Pradillo-11

Nivel piezométrico (msnm) 550 565 575 496

Espesor tramo productivo (m) ≈300 265 ≈235 (295)

Capacidad específica (l/sm–1) 0,87 1,5 1,26

Porosidad a partirde log (%)

Promedio 15 13 102 20

Máxima 20 20 152 30

Mínima 7 7,5 32 15

Transmisividad (md.m) 20.300 35.300 44.400 (46.600)

Permeabilidad media (md) 88 447 453 (1.294)

Tramos más productivos (%QTDT)1.675–1.750

(>50%)1.8275–1.8542

(15%) 1.595-1.825

TABLA 3. Parámetros hidráulicos medidos sobre el almacén terciario detrítico en la zona norte de la Cuenca de Madrid.1 Sondeo con fines no geotérmicos. Valores entre paréntesis considerados orientativos.2 Diagrafías y flowmeter realizados sobre sondeo entubado.



SONDEO SALINIDAD(ppm)

PROFUNDIDAD(m)

Tres Cantos

12.000 1.550

13.000 1.680

14.000 1.815

40.000 20.25

50.000 2.200

96.000 2.370

SS.de los Reyes

4.000 1.600

7.500 1.750

12.000 1.850

28.000 2.000

30.000 2.100

El Pradillo-1 42.000 1.800

TABLA 4. Datos de salinidad del aguade formación a partir de digrafías en el

acuífero terciario detrítico (zona norteCuenca de Madrid).

FIGURA 5. Recursos Geotérmicos en la Cuenca de Madrid. Localización de las areas objeto del estudio y características del almacén detrítico terciario(Adaptado del Atlas geotérmico Europeo).

Alcorcón

Móstoles

S. Sebastiánde los reyes

AREA GRANMADRID

AREA REDUCIDAMADRID 140 Km2

BasamentoHercínico

MADRID

+++ basemento.45 transmisividad (dm)–90–isoterma °C–350–isopaca (m)

0 5 10km

ColmenarViejo

TorrelodonesGalapagar

R. Guadalix

R. Manzanares

R. Guadarram

a

R. Hen

ares

Brunete

4. REFERENCIASIGME (1979) “Estudio de los Materiales de la Cuenca de Ma-drid Susceptibles de constituir Acuiferos Profundos Capacesde ser Soporte de Energía Geotérmica de Baja Entalpia”. PlanNacional de Investigación Geológico Minera de recursos Ener-géticos.ADARO (1981) “Estudio Geotérmico Cuenca de Madrid, Son-deo Pradillo 1” Estudio para el Plan Energético Nacional.ENADIMSA. (1983) “Evaluación de Recursos Geotérmicos en laCuenca de Madrid ” Estudio para El plan energético Nacional”.ANTICS, M. SANNER, B (2007) “Status of GeothermalEnergy Use and Resources in Europe” Proceedings European

Geothermal Congress 2007, Unterhaching, Germany, 30 May-1 June (2007).

SANCHEZ GUZMÁN J. (2007) “Síntesis de datos Geotérmicosdel Yacimiento Detrítico-Terciario de la Cuenca de Madrid”,informe interno realizado para Petratherm España S.L.

SANCHEZ GUZMÁN J. (2007) “Exploración geotérmica en laCuenca de Madrid”, Jornada sobre energía geotérmica. 7 denoviembre de 2007. Dirección General de Industria, Energía yMinas. COMUNIDAD DE MADRID.

UNGEMACH, P., and M. ANTICS, M. (2006). “GeothermalReservoir Management – a Thirty Year Practice in the ParisBasin.” ENGINE Lauching Conference, Orléans, France.



ZONA Area(Grand Madrid)

Area restringida(NE Madrid)

AREA (km2) 1.400 150

VOLUMEN 5 km profundidad (km3) 7.000 750

Densidad de Flujo térmico (Wm–2) 9 10–2 9 10–2

Temperatura (°C)2.500 m5.000 m

80-100160-180

80-100160-180

ACCESSIBLE RESOURCE BASE (ARB) 5 km 1019 J 560 6.2

HEAT RESUPPLYPower (MWt)Energy (GWht/yr)

1261130

13.5104

HEAT IN PLACE (HIP) (1018 J) Calor AlmacenadoDeep GTHUltra-deep GTH

27115

3.113.1

TOTAL 152 1018 J 16.32 1018 J

Calor extraible.- RECOVERABLE HEAT (RCH) para 75 añosproduccion.Deep GTH (1018 JUltra-deep GTH (1018 J))

9.55.8

1.10.7

TOTAL 15.3/22.6 1018 J 1,8 1018 J

Calor explotable EXPLOITABLE HEAT (AND POWER) OVER75 yrsDeep GTH (1017 J)Ultra-deep GTH CHP (1017 J)

4.41.2

1.10.3

TOTAL 5.6 1017 J 1.4 1017 J

TABLA 5. Resumen Estimación de recursos (extraído de Ungemach et al. 2008).

1. INTRODUCCIÓNLa Directiva 2009/28/EC del Parlamento Europeo y del Con-sejo 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energíaprocedente de fuentes renovables fija un valor de rendimientoestacional mínimo (SPF) para catalogar una instalación debomba de calor como fuente de energía renovable. Es decir,serán las características de la bomba de calor y las tempera-turas de trabajo de la misma en la instalación proyectada lasque determinen el aprovechamiento renovable del sistema.Para garantizar unas temperaturas de trabajo adecuadas enel circuito del intercambiador de calor enterrado hay que cer-

tificar mediante el procedimiento de diseño del sistema geo-térmico que no se va a alterar la temperatura del subsuelo alo largo de la vida útil de la instalación.

Cuando un sistema de climatización geotérmica está propor-cionando calefacción a un edificio, a su vez está enfriando elsubsuelo o, lo que es lo mismo, extrayendo su calor. Por el con-trario, cuando la instalación geotérmica funciona en modo refri-geración está cediendo calor al subsuelo calentándolo. La situa-ción ideal de funcionamiento se da cuando, a lo largo de todo unaño, la misma cantidad de calor que se extrae del subsuelo eninvierno se cede en verano, es decir, el balance de energía en elterreno es nulo. Generalmente, las demandas energéticas delos edificios no son equilibradas, por lo que para mantener latemperatura estable del terreno sin calentarlo ni enfriarlo senecesita enterrar un intercambiador de calor mayor, lo que,para sistemas de grandes potencias, encarece considerable-

Optimización de las instalaciones debomba de calor geotérmica mediante la

implementación de sistemas híbridos

TERESA MAGRANER (*), SALVADOR QUILIS (*) y SALVADOR MARTÍNEZ (*)

OPTIMIZATION OF GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEMS THROUGH THE IMPLEMENTATION OFHYBRID SYSTEMSABSTRACT One of the fundamental aspects to consider in the design of a ground heat pump system is the heat balance in theground, since thermal saturation of the ground produces a decreasing of the performance of the system throughout its useful life.The hybrid geothermal systems which combined geothermal heat pump systems with other systems for generation or dissipationenergy are very suitable for balancing the heat balance in the ground and optimizing the heat exchanger meters needed for theproper functioning of the system, important aspect to reduce costs and achieve attractive return periods of the initial investment.Energesis Ingeniería has developed and implemented in two office buildings, a design of hybrid systems based on the com-bination of a geothermal heat pump and air-condensed units (drycoolers) that can ensure energy efficiencies comparable togeothermal pure systems, reducing substantially the investment cost.

RESUMEN Uno de los aspectos fundamentales a tener en cuenta en el diseño de un sistema de bomba de calor geotérmica esel balance de energía térmica en el subsuelo, ya que la saturación térmica del mismo conlleva pérdidas en el rendimiento delsistema a lo largo de su vida útil. Los sistemas geotérmicos híbridos, que combinan instalaciones de bomba de calor geotérmi-ca con otros sistemas de generación o disipación energética, son muy adecuados para equilibrar el balance térmico en el sub-suelo, optimizando los metros de intercambiador de calor necesarios para el correcto funcionamiento del sistema, aspecto cla-ve para disminuir los costes de implantación y conseguir atractivos periodos de retorno de la inversión inicial.Energesis Ingeniería ha desarrollado e implantado en dos edificios de oficinas un diseño de sistemas híbridos basados en la combi-nación de un sistema de bomba de calor geotérmica con unidades condensadas por aire (aerotermos) que permiten garantizar ren-dimientos energéticos comparables a los de los sistemas geotérmicos puros reduciendo sustancialmente el coste de implantación.

35

Palabras clave: Sistemas de calefacción y refrigeración, Bombas de calor geotérmicas, Eficiencia energética,Energías renovables, Simulación computacional.

Keywords: Heating and cooling systems, Ground coupled (geothermal) heat pumps, Energy efficiency,Renewable energy, Computer simulation.

(*) Energesis Ingeniería S.L.


mente la instalación. Una solución son los sistemas híbridosque combinan distintas tecnologías que permiten balancear laenergía inyectada y extraída del subsuelo. Por ejemplo, en lospaíses del norte de Europa, donde la demanda de calefacciónprima sobre la de refrigeración, la combinación de las instala-ciones de bomba de calor geotérmica con instalaciones de pane-les solares térmicos es muy frecuente. Así, en verano, cuando laproducción térmica de los paneles solares es mayor, se empleanlos excedentes del calor generado por los mismos para calentarel terreno que se ha enfriado en invierno.

Otro tipo de sistemas híbridos son los que combinan el inter-cambio de calor con el suelo y con el aire y representan una so-lución muy adecuada para aquellos casos en los que la demandaenergética anual en climatización está descompensada, predo-minando la carga de refrigeración, por ejemplo en climas medi-terráneos y/o edificios con elevadas cargas internas (ocupantes,equipos, luminarias, etc.). Esta tecnología de sistemas híbridosconstituye una parte muy pequeña del desarrollo de los siste-mas geotérmicos a nivel internacional. Algunos trabajos han im-plementado una metodología para el dimensionado de este tipode sistemas ajustándose a la potencia pico de calefacción (Kava-naugh, 1998) o han validado diferentes estrategias de control(Yavuzturk and Spitler, 2000) para optimizar el coste.

El uso de este tipo de instalaciones híbridas permite:• Reducir considerablemente el tamaño del intercam-

biador geotérmico puesto que el dimensionamiento del in-tercambiador se realiza para la potencia de refrigeración no-minal del edificio, no para la potencia pico. De esta maneraen los momentos en donde por simultaneidad u otros facto-res se demande una potencia por encima de la nominal sepondrán en funcionamiento ambos sistemas (intercambiadory aerocondensador) para condensar las bombas de calor.

• Reducir considerablemente el coste del intercam-biador y el tiempo de amortización de la instalación de-bido a la reducción de los metros de perforación.

• Mejorar la eficiencia de la instalación. Desarrollandoun sistema de control adecuado se puede llegar a ahorrarmás de un 30% respecto a un sistema convencional.

• Utilizar en todo momento el foco de calor más efi-ciente. En épocas de primavera-otoño donde se puede te-ner demanda de refrigeración es posible que sea más efi-ciente trabajar contra el ambiente que contra el terreno.

• Regenerar el terreno. Cuando en épocas de refrigera-ción aumenta la temperatura del terreno se puede evacuarel calor al ambiente mediante el aerocondensador. De estamisma manera también se puede preparar el terreno parala época estival disminuyendo su temperatura.En resumen, la base de la optimización consiste en que el

sistema geotérmico absorbe la mayor parte de la demandaenergética, con lo que disminuye el consumo energético al es-tar trabajando con un foco de intercambio muy eficiente y,solo en algunas ocasiones puntuales en las que se sobrepasala potencia base, entra en funcionamiento el sistema aire.Esto permite reducir la dimensión del intercambiador de ca-lor enterrado sin variar el punto de funcionamiento de má-xima eficiencia de la bomba de calor.

Los principales componentes de un sistema híbrido son lossiguientes y se muestran esquemáticamente en la figura 1:– intercambiador de calor enterrado– bomba de calor condensada por agua– aerocondensadores– bombas de circulación y válvulas de tres vías– sistema de control

Energesis Ingenieria ha desarrollado una metodología dediseño de este tipo de sistemas que se ha validado mediantela instalación, monitorización y seguimiento de su funciona-miento en dos edificios de oficinas ubicados en Gandia y Al-buixech (Valencia).

OPTIMIZACIÓN DE LAS INSTALACIONES DE BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA MEDIANTE LA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS HÍBRIDOS


FIGURA 1. Esquema delos componentes de un sistema híbrido.

Bombade

calor

Válvulasde 3vías

Bombadecirculación

Aerocondensadores

Intercambiogeotérmico

2. DISEÑO Y MODELADO DEL SISTEMAEl criterio de dimensionado de un sistema híbrido, es decir, eltamaño del intercambiador de calor enterrado (metros de per-foración necesarios) y la potencia del aerocondensador auxi-liar se basa en el periodo de retorno de la inversión. En la fi-gura 2 se observa que existe un punto óptimo de diseño sirepresentamos el cociente entre el coste de la instalación (C) yel ahorro energético en la explotación (A) en función de la po-tencia condensada en el foco aire. Esto significa que, en fun-ción del factor de utilización de la instalación, la instalacióngeotérmica puede estar más o menos sobredimensionada parala demanda base de energía, con lo que el aumento de costede inversión es más significativo que el ahorro económico enla explotación.

En las figuras 3 y 4 se muestra el modo de funcionamientode la instalación híbrida a lo largo de todo el año y a lo largo deun día de verano. En este caso, la potencia absorbida por el in-tercambiador geotérmico es de 100 kW, cuando se sobrepasaesta potencia, el aerocondensador entra en funcionamiento.



FIGURA 2. Criterio de dimensionado. Selección de la potencia delaerocondensador.

FIGURA 3. Modo defuncionamiento del sistemageotérmico híbrido a lo largodel año.

FIGURA 4. Modo defuncionamiento del sistema

geotérmico híbrido en un díade verano.

Periodo de retorno

Pi=Ci/Ai

Pf=Cf/Af

Pot. de diseño delaerocondensador

Pot. aerocondensador

1 12 23 34 45 56 67 78 89 100 111 122 133 144

160

140

120

100

80

60

40

20

0

días

Pot.

(kW

)– T

(°C

)

Pot. máxima diaria

Pot. geotérmica

Temperatura media

Temperatura terreno

Funcionamientoaerocondensador

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Horas de utilización

Pot.

(kW

)

Potencia instantaneaPotencia aerocondensador

Funcionamientoaerocondensador

En un día de verano, como se observa en la figura 4, el ae-rocondensador únicamente entra en funcionamiento en deter-minadas horas del día en refrigeración, cuando el sistema de-manda una potencia superior a la de diseño del sistemageotérmico.

El modelado de la instalación se ha realizado mediante elprograma TRNSYS, que es un programa para la resolución deecuaciones algebraicas y diferenciales que incorpora una li-brería con los sistemas termoenergéticos más comunes y quese ha diseñado especialmente para simulaciones transitorias.Adopta una estructura modular para la resolución de siste-mas de componentes, que permite analizar un sistema enterocomo la suma de componentes o sistemas individuales y la in-terconexión entre éstos. Las simulaciones pueden realizarseen los rangos de tiempo especificados por el usuario: desde va-rias horas hasta varios segundos, dependiendo del tipo deproceso que requiera ser estudiado. La modularidad del pro-grama permite al usuario tener tantos elementos, (bombas decalor, intercambiadores enterrados, controladores, refrigera-dores, etc.), como sea necesario, en cualquier configuración ycuyo funcionamiento está totalmente validado y contrastado.Además, como los modelos de los componentes están escritosen FORTRAN, el usuario puede fácilmente modificarlos y ge-nerar nuevos componentes para tecnologías no incluidas en lalibrería standard. En la figura 5 se puede ver el diseño modu-

lar del sistema híbrido mediante el programa TRNSYS.La estrategia de control del sistema híbrido definida para

la simulación del sistema es la siguiente:1. Control de la temperatura de fluido del intercambiador.2. Mejor foco de intercambio de calor el ambiente que el te-

rreno.3. Regeneración del terreno.

En la figura 6 se puede observar los resultados de la simu-lación del sistema a lo largo de un año.

La primera condición descrita en la estrategia de controles la que indica que el intercambiador de calor enterrado estádisipando más energía que para la que está diseñado, con loque debe ponerse en funcionamiento el sistema de aerocon-densadores. Es la estrategia que rige el funcionamiento básicode un sistema híbrido. En la figura 6 se puede ver la evolu-ción de las temperaturas de entrada (color naranja) y salida(color verde) del intercambiador de calor enterrado duranteun año junto con la evolución esperada de la temperatura enel terreno (línea morada) y la temperatura ambiente (enazul). Se observa cómo cuando aumenta la temperatura delagua en el intercambiador de calor enterrado se produce laentrada en funcionamiento del sistema de aerotermos.

El segundo paso en la estrategia de control diseñada con-siste en que el sistema emplee en todo momento el foco de



FIGURA 5. Diseño del sistema híbrido en el programa TRNSYS.

Equa

Type14h

Type55

Type753d

Type647

Type65d-2

Type647-2

Type557a

Type753d-2

Type109-TMY2-2 Type503

Type65d

control

CARGA

control-3

DEGS Outputs-3

DEGS Outputs

DEGS Outputs-2

intercambio de calor más eficiente. Esta estrategia se aplicafundamentalmente en épocas de primavera y otoño, dondese puede tener demanda de refrigeración, y es posible quesea más eficiente trabajar contra el ambiente que contra elsuelo.

Por último, la tercera condición implementada en el sis-tema de control es la que permite la regeneración del terreno.Es decir, cuando en épocas de primavera y otoño con demandade refrigeración aumenta la temperatura del terreno, sepuede evacuar el calor al ambiente mediante el aerocondensa-dor por las noches, cuando la temperatura exterior es suave yla instalación no está en funcionamiento. De esta manera sepuede preparar el terreno para la época estival disminuyendosu temperatura y aumentando la eficiencia del intercambia-dor geotérmico en esta temporada. En la figura 6 se ve cómofunciona el aerocondensador para regenerar el terreno en lasépocas de primavera y otoño (línea roja).

En la tabla 1 se resumen las estrategias de control descri-tas que permiten que entre en funcionamiento el sistema deaerocondensadores. Para programar el control, hay que fijaruna temperatura límite que determine la máxima potencia a

disipar en el terreno, así como unas bandas de temperaturaen los modos en los que se trabaja con el aire como foco tér-mico o en regeneración. En este último caso también se debeprogramar el horario nocturno de funcionamiento.

3. INSTALACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO EN GANDÍA(VALENCIA)

Energesis Ingeniería ha implantado un sistema geotérmicohíbrido en un edificio de oficinas en la ciudad valenciana deGandia. El edificio consta de una planta sótano, una semisó-tano, 4 plantas sobre rasante y la planta de cubierta. Alrede-dor del edificio existe una zona de paso donde se ha ubicado elintercambiador de calor enterrado (Figura 7).

El edificio dispone de una sala de conferencias, una sala deexposiciones, varias aulas de formación, etc. cuyo uso no escontinuo, por lo que al estudiar su perfil energético se observóque la demanda base diaria era muy inferior a la demanda to-tal. Por este motivo y por las restricciones de espacio paraubicar el intercambiador de calor enterrado, se decidió reali-zar un sistema geotérmico híbrido.



FIGURA 6. Resultados de la simulación en Trnsys de la instalación hibrida a lo largo de un año.

ESTRATEGIA CONDICIÓN

Control T intercambiador Tsalida intercambiador > Tlímite

Mejor foco intercambio Tamb + ΔT1 < Tsal

Regeneración terreno Tamb + ΔT2 < Tsalida intercambiador 0 < t < 6 hTABLA 1. Estrategias decontrol implementadas.

Evolución temperaturaambiente

Entrada del aerocondensador en días pico de verano

Evolución temperaturaen el terreno

Entrada de fto. aerocondensador pararegenerar el terreno

TemperaturascaudalFlujo_ghoFlujo_aeroconden

Heat transfer ratesTentTsalPotenciaT terreno2

3Tentraero

60

48

24

12

0.0

Simulation Time=8760.00(hr)0 730 1460 2190 2920 3650 4880 5110 6340 6670 7800 8080 8760

A partir de los datos del perfil energético del edificio y dela conductividad térmica de la parcela, determinada “insitu” mediante el laboratorio móvil que dispone EnergesisIngeniería, se concluyó que era necesario realizar un inter-cambiador de calor enterrado de 16 perforaciones de 100metros de profundidad para disipar una potencia en refrige-ración de 100 kW, y el resto de potencia instalada se disipa-ría en tres baterías de aerocondensadores de 33 kW cadauna. Las bombas de calor instaladas son unidades Mitsu-bishi de refrigerante variable.

Con el objeto de comparar resultados, además de la simu-lación para diseñar el sistema de control descrita en el apar-tado anterior, se ha realizado la simulación del mismo edifi-cio con una bomba de calor convencional. Los rendimientosobtenidos en la época estival para ambos sistemas se refle-

jan en la figura 9. Como se observa, con el sistema híbridose alcanzan valores de rendimiento mucho más elevados,con valores medios de 2.8, mientras que el rendimiento me-dio del sistema convencional es de 1.9. Los valores de rendi-miento medio de la instalación hibrida permiten catalogarlacomo una instalación de energía renovable, según el criteriode la directiva 2009/28/EC. Hay que tener en cuenta quepara determinar el rendimiento estacional de la instalaciónhíbrida, se considera tanto el consumo eléctrico de los gru-pos hidráulicos como de los aerotermos, además del de lasbombas de calor.

En cuanto a la inversión en la instalación, ejecutada en elaño 2007, en la siguiente tabla se puede ver la comparativade costes respecto a un sistema todo geotérmico. Como se ob-serva, el sistema híbrido es un 25% más económico.



FIGURA 7. Edificio de oficinasclimatizado en Gandia(Valencia)

FIGURA 8. Bombas de calor y unidades de aerotermos de la instalación.

4. INSTALACIÓN DE UN SISTEMA HÍBRIDO ENALBUIXECH (VALENCIA)

En Albuixech se ha instalado un sistema geotémico híbrido enel edificio de oficinas de la planta de Cemex, la instalación di-señada tiene una potencia de 30 kW de refrigeración, una ter-cera parte de la potencia necesaria para climatizar al edificio.

Esta potencia se ha seleccionado para ajustarse a las especifi-caciones de tamaño del proyecto de investigación en el que seenmarca la instalación. El intercambiador geotérmico disponede cuatro perforaciones de ochenta metros de profundidadmás una potencia de 18 kW disipada en los aerotermos.

En la figura 10 se puede ver una de las fases de la eje-cución del sistema, llevada a cabo durante el mes de marzo



FIGURA 9. Evolución de losrendimientos del sistema

híbrido y del sistemaconvencional.

Sólo geotérmico Sistema híbrido

Longitud de la perforación (m) 2.400 1.600

Coste intercambiador enterrado (€) 175.138 116.758

Coste instalación aerocondensador (€) 0 12.472

Coste sistema de control (€) 0 1.948

Total coste (€€€€) 175.138 131.178

TABLA 2. Comparativa entrela inversión de un sistemageotérmico puro y un sistemahíbrido

FIGURA 10. Ejecución delintercambiador de calor enterrado en

la planta de Cemex de Albuixech.

4

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

COP sistema híbrido COP sistema convencional

CO

P

4800

4835

4870

4905

4940

4975

5010

5045

5080

5115

5150

5185

5220

5255

5290

5360

5395

5430

5465

5500

de 2009. Uno de los aspectos más importantes durante lafase de instalación ha sido la implementación de un sis-tema de monitorización que permite analizar los paráme-tros más importantes durante el funcionamiento de lamisma para validad el rendimiento de los sistemas híbri-dos.

El sistema de monitorización diseñado consta de diecinuevesondas de temperatura, tres caudalímetros, un analizador deredes, una centralita y un ordenador (véase figura 12). Con to-dos estos elementos se podrán determinar las diferentes tempe-raturas de funcionamiento, el consumo de energía eléctrica delsistema y el caudal circulante por cada uno de los circuitos.



FIGURA 11. Ejecución de una arquetapara la instalación de sensores de

temperatura.

FIGURA 12. Esquema deprincipio de la instalacióngeotérmica hibrida de CEMEXen Albuixech (Valencia).

afancoil

sensor de temperatura

caudalímetro

IZE-60

IZE-60

Con estas medidas y mediante la siguiente fórmula se ob-tiene la potencia térmica instantánea en cada uno de los cir-cuitos de la instalación que son: el circuito interno, entre lasalida de la bomba de calor y las unidades terminales del edi-ficio (fancoils), el circuito de los aerotermos, entre la entrada ala bomba de calor y los aerotermos, y el circuito geotérmico,entre la entrada a la bomba de calor y el intercambiador ente-rrado. La fórmula general a emplear es:

Potencia_termica = m*Cp (t)*(Te–Ts) (1)

Cp (t) es una función de la temperatura del agua que supon-dremos constante e igual a Cp (20), estando t expresado en°C, m es el caudal registrado por el caudalímetro del circuitocorrespondiente y Te y Ts son las temperaturas de entrada ysalida del circuito correspondiente.

Por tanto, mediante esta fórmula se podrá determinar lacarga térmica que está demandando el edificio aplicando laecuación al circuito interno, la energía cedida o extraía del te-rreno, si se aplica esta expresión al circuito geotérmico, asícomo la potencia disipada en los aerotermos si se toman losvalores registrados en este último circuito.

El cálculo del COP del sistema se determina con los valoresde potencia eléctrica consumida por la instalación registradospor el analizador de redes y la potencia térmica cedida al edificio.

Potencia_termica_edificoCOP = –––––––––––––––––––––––– (2)

Potencia_electrica

La puesta en marcha, pruebas y calibración de la instala-ción de monitorización se ha realizado durante el verano de2009. En las siguientes gráficas se muestran algunos de losvalores registrados durante el funcionamiento del mes de sep-tiembre.

En la figura 13 se puede observar el funcionamiento deinstalación durante dos días del mes septiembre. Se repre-senta el caudal circulante por el intercambiador geotérmico yel caudal que trasiega por el aerocondensador. La instalacióncondensa todo el caudal por las sondas geotérmicas y cuandose supera el punto de consigna, parte de este caudal es deri-vado al aerocondensador.

La línea horizontal de las figura 14 es la que marca elpunto de consigna en el que entra en funcionamiento el aero-condensador. Esta alarma se activa cuando la temperatura deretorno del intercambiador geotérmico supera los 32ºC, en esemismo momento salta la alarma y las válvulas cambian suposición permitiendo que parte del caudal se derive a la con-densación por aire.

Las figuras 15 y 16 muestran diferentes tipos de uso de lainstalación. El punto 1 corresponde a las horas centrales deldía donde la carga de refrigeración es mayor produciéndoseun uso intensivo de la instalación. En el punto 2 es un com-portamiento en el que la instalación está constantementearrancando y parando debido a que se alcanza rápidamentela temperatura de confort en los espacios climatizados. Por úl-timo queda el punto 3 en el que la instalación esta parada.



FIGURA 13. Caudal de la instalación entre las 13:00 del 14/09/2009 y las 12:59 del 16/09/09.

Caudal geotermia

Caudal aerocondensador

Temperaturascaudal_geocaudal_aero214215T_salida_fancoil

Heat transfer ratesPotenciaT_entrada_fancoil

T_amb

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0.000

15.00

12.00

9.00

6.00

3.00

0.001.000

Simulation Time



FIGURA 15. Potencia eléctrica consumida por la instalación entre las 13:00 del 14/09/2009 y las 12:59 del 16/09/2009.

FIGURA 14.Temperatura salida

en el colectorgeotérmico y en elaerocondensador

entre las 13:00 del14/09/2009 y las

12:59 del16/09/2009.

T salida aerocondensador

T salida aerocondensador

T consigna

TemperaturasT_sal_geoT_ent_geoT_sal_aeroT_ent_aero204

Temperatura207205

206

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

50.00

44.00

38.00

32.00

26.00

20.00

50.00

44.00

38.00

32.00

26.00

20.001.0

Simulation Time

Punto 1Punto 2

Punto 3



T_amb

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

0.000

15.00

12.00

9.00

6.00

3.00

0.001.000

Simulation Time

5. CONCLUSIONESEl objetivo de los trabajos llevados a cabo por Energesis Inge-niería en el campo de los sistemas híbridos es optimizar tantoel funcionamiento como los costes de inversión de los sistemasde climatización geotérmica. En este trabajo se han presen-tado los resultados de diseño de un sistema hibrido implan-tado en un edificio de oficinas de Gandia, realizando una com-parativa de rendimientos energéticos frente a un sistema declimatización convencional y de costes de inversión frente aun sistema geotérmico puro. Se puede concluir que el sistemahibrido es más eficiente que un sistema convencional, conrendimientos medios estacionales que lo pueden certificarcomo un sistema de energía renovable y es significativamentemás económico que un sistema geotérmico puro.

También se ha presentado el diseño, la ejecución y monitori-zación de una planta piloto de un sistema geotérmico híbridorealizada, durante el año 2009, en las oficinas de la planta deCemex de Albuixech. La ejecución de esta planta se ha reali-zado con el objetivo de que el análisis de todos los parámetrosmonitorizados permita caracterizar el funcionamiento de laplanta y determinar su rendimiento estacional para demostrarla viabilidad técnica y económica de este tipo de sistemas.

6. AGRADECIMIENTOSEnergesis Ingeniería agradece a la empresa CEMEX la cesiónde sus instalaciones para la ubicación de la planta piloto asícomo la colaboración del personal de la planta de Albuixech

durante la ejecución del proyecto. Este trabajo ha sido reali-zado financiado por el Centro para el Desarrollo TecnológicoIndustrial (IDI-2008915).

También cabe mencionar a la empresa Azimut Electronicspor la apostar por la instalación del primer sistema de clima-tización geotérmica híbrido de España en su nueva sede deoficinas.

7. BIBLIOGRAFÍAKAVANAUHG, S. and K. RAFFERTY (1997). “Design of Geot-hermal Systems for Commercial and Institutional Buildings”.ASHRAE.KAVANAUHG, S. (1998). “A Design Method for HybridGround-Source Heat Pump”. ASHRAE Transactions: Sympo-sia 1998.YAVUTZTURK, C. and J.D. SPITLER (2000) “ComparativeStudy to Investigate Operating and Control Strategies forHybrid Ground Source Heat Pump Systems Using a ShortTime-step Simulation Model” ASHRAE Transactions: Sympo-sia 2000. KLEIN et al. (2006) “TRNSYS A Transient System Simula-tion Program, User`s Manual, Version 16”. Solar Energy La-boratory, University of Wisconsin-Madison (2006).MAGRANER et al. (2008) “Optimización de sistemas geotér-micos mediante la implementación de sistemas híbridos”. Li-bro de Actas del I Congreso de Energía Geotérmica en la Edi-ficación y la Industria.



FIGURA 16. Temperatura de entrada/salida en el fancoil y temperatura ambiente entre las 13:00 del 14/09/2009 y las 12:59 del 16/09/2009.

Punto 1 Punto 2 Punto 3

T ambiente



T_amb

30.00

24.00

18.00

12.00

6.00

0.00

15.00

12.00

9.00

6.00

3.00

0.00

Tem

pera

tura

Simulation Time

1. INTRODUCCIÓNEl día 11 de mayo de 2009 se presentó oficialmente la Pla-taforma Tecnológica Española de Geotermia –GEOPLAT–.Se trata de un grupo de coordinación científico-técnica sec-torial que estará compuesto por todos los agentes del sectorde la geotermia en España. Sus actividades están subven-cionadas por el Ministerio de Ciencia e Innovación, quejunto con CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico In-dustrial - MICINN) e IDAE (Instituto para la Diversifica-ción y Ahorro de la Energía - MITYC) han impulsando supuesta en marcha.

GEOPLAT tiene por objeto principal la identificación ydesarrollo de estrategias sostenibles para la promoción ycomercialización de la energía geotérmica en España. Vaabarcar todas las actividades de I+D+i tanto en lo referentea la identificación y evaluación de los recursos, como a lastecnologías de aprovechamiento y uso de esta energía reno-vable. Los aspectos de sostenibilidad y marco regulatorioserán considerados dentro de todas las actividades de laPlataforma, así como la relación y colaboración con otrasPlataformas afines, tanto nacionales como de la Unión Eu-ropea.

2. OBJETIVOS DE LA PLATAFORMA TECNOLÓGICAESPAÑOLA DE GEOTERMIA

Los objetivos específicos de GEOPLAT son:1. Proporcionar un marco en el que todos los sectores im-

plicados en el desarrollo de la geotermia, liderados porla industria, trabajen conjunta y coordinadamente paraconseguir la implantación comercial de esta fuente deenergía renovable y su crecimiento continuo de formacompetitiva y sostenible.

2. Analizar la situación actual de la geotermia en Españaconsiderando todas las etapas de la cadena de valor,desde los diferentes tipos de recursos hasta su uso final,pasando por todas las tecnologías que permiten su apro-vechamiento.

3. Detectar las necesidades en I+D+i y recomendar la fi-nanciación en investigación en áreas estratégicas paratodo el sector de la energía geotérmica, considerando to-das las etapas y tecnologías implicadas en el proceso.

4. Identificar las barreras existentes (normativas, financie-ras, tecnológicas, etc.) que dificultan la implantación dela geotermia, y plantear estrategias y alternativas soste-nibles, en particular de tipo tecnológico, que contribuyana disminuir sus riesgos e impulsen su desarrollo.

5. Promover la coordinación entre los diferentes agentesdel sistema ciencia-tecnología-empresa implicados en lacadena tecnológica, y fomentar la participación empre-sarial en el establecimiento de planes de acción sobre lageotermia y de forma particular, en los proyectos deI+D+i y de comercialización.

GEOPLAT –Plataforma TecnológicaEspañola de Geotermia–

MARGARITA DE GREGORIO (*)

GEOPLAT –SPANISH GEOTHERMAL TECNOLOGY PLATFORM–ABSTRACT It was recently created the Spanish Geothermal Technology Platform –GEOPLAT- to provide a frameworkwithin which, all sectors involved in the development of geothermal energy, leading by the industry, work together in acoordinated way to ensure the commercial settlement of this renewable energy and its continuous growth, in a competitiveand sustainable form. Its main objectives and structure are briefly described in the paper.

RESUMEN Se ha puesto en marcha recientemente la Plataforma Tecnológica Española de Geotermia –GEOPLAT- queengloba a todos los agentes del sistema ciencia-tecnología-empresa del sector de la geotermia en España, y cuyo cometidoprincipal es situar a dicho sector en la vanguardia tecnológica, de forma que se promueva un tejido empresarial altamentecompetitivo. Sus objetivos y estructura se describen sucintamente en el presente artículo.

47

Palabras clave: Geotermia, Investigación, Desarrollo, Innovación, Plataforma tecnológica, Sistema ciencia-tecnología-empresa.

Keywords: Geothermal, Research, Development, Innovation, Technology platform, Science-technology-business system.

(*) Responsable de Energías Termoeléctricas de APPA -Biomasa, SolarTermoeléctrica y Geotérmica - Coordinadora de la Secretaría Técnicade GEOPLAT.


6. Participar en los distintos foros y actividades que se de-sarrollen internacionalmente en el ámbito de esta ener-gía renovable.

7. Difundir las posibilidades de la geotermia y en particu-lar los resultados y recomendaciones de la Plataformaen todos los sectores relacionados.

8. Fomentar las actividades de formación a todos los nivelesrelacionadas con la energía geotérmica, sensibilizando ymovilizando a las administraciones, tanto a nivel nacionalcomo regional y local, y a la sociedad en general.

3. ESTRUCTURA DE LA PLATAFORMA GEOPLAT se ha estructurado en los siguientes grupos de tra-bajo, desde los cuales se abordarán las cuestiones que perte-nezcan a su ámbito (figura 1):

3.1. GRUPO DE GEOTERMIA PROFUNDASu objetivo principal es la identificación de las medidas nece-sarias para el desarrollo de la geotermia profunda atendiendotanto a los diferentes tipos de tecnologías (geotermia conven-cional y estimulada) como a los distintos tipos de aprovecha-miento posibles (usos térmicos directos, generación de energíaeléctrica y usos combinados).

3.2. GRUPO DE GEOTERMIA SOMERASu objetivo principal es la identificación de las medidas nece-sarias para el fomento de la geotermia superficial, y el estable-cimiento de los factores tecnológicos clave para el desarrollo deesta fuente de energía renovable.

3.3. GRUPO DE IDENTIFICACIÓN DE RECURSOSu objetivo fundamental es precisar las metodologías y estra-tegias de investigación adecuadas que permitan la identifica-

ción de los recursos geotérmicos existentes en nuestro país, yestudiar sus posibilidades de aprovechamiento en función desu localización, potencial energético y tecnología disponible.

3.4. GRUPO DE MARCO REGULATORIOSu objetivo principal es la recomendación de medidas/actua-ciones que favorezcan que los regímenes jurídico y económicoque conforman el marco regulatorio de la geotermia, compren-dan las normas y cambios legislativos necesarios para conse-guir que se desarrolle con éxito el sector, experimentando uncrecimiento sólido y bien estructurado.

3.5. GRUPO DE FORMACIÓNSus objetivos principales son, por un lado, fomentar la mejoradel conocimiento y el incremento de la formación sobre estetipo de energía renovable en las enseñanzas regladas, y porotro, impulsar la creación de los conocimientos específicos re-queridos por el sector para la formación adecuada de los futu-ros profesionales.

3.6. GRUPO DE RELACIONES INTERNACIONALESSu objetivo fundamental es fomentar la participación de enti-dades españolas (públicas y privadas) dentro de los programasde Investigación Europeos relacionados con la geotermia. Paraalcanzar dicho objetivo se pretende ampliar el conocimiento delos participantes de GEOPLAT en relación a los ProgramasEuropeos de Investigación, las normas de participación en losmismos, y la generación de nuevos programas de trabajo.

3.7. GRUPO CONSULTIVOSu objetivo es aumentar la coordinación entre las diferentesadministraciones y otras instituciones afines, para la promo-ción y el desarrollo de las tecnologías relacionadas con la ener-gía geotérmica.

GEOPLAT –PLATAFORMA TECNOLÓGICA ESPAÑOLA DE GEOTERMIA–


FIGURA 1. Estructura de la Plataforma GEOPLAT.

SECRETARÍA TÉCNICA GRUPO RECTOR

GTGeotermiaProfunda

GTGeotermia

Somera

GT Marco

Regulatorio

GT Formación

GT Relaciones

Internacionales

GT Consultivo

GTIdentificaciónde recurso

RELACIONES CON OTRASPLATAFORMAS NACIONALESY EUROPEAS

4. LÍNEAS DE ACTUACIÓN La participación en GEOPLAT es libre, y su único coste es eldel tiempo de dedicación que pueda ofrecer cada participante.Además se trata de una participación que se rige por niveles,en función de dicha disponibilidad de cada uno:

• Nivel 1, Participativo: gran interés en participar,tanto asistiendo a reuniones como ayudando a la elabo-ración de documentos.

• Nivel 2, Informativo: bajo interés en participar, sola-mente se quiere estar informado.

Desde la puesta en marcha de la Plataforma, ya se han lle-vado a cabo reuniones de todos los grupos de trabajo, en lacuales se han identificado a los participantes de los mismos, sehan establecido las líneas de actuación que desarrollará cadagrupo, y se ha comenzado a planificar la primera actividad allevar a cabo por el conjunto de GEOPLAT: el documento deVisión a 2030. En dicho documento se realizará en primer lu-gar un amplio análisis del estado actual del sector de la geo-termia en España, para a continuación señalar sus retos yoportunidades para el futuro. Además deberán plantearse dosescenarios de visión para el sector a 2020 y a 2030.

Una vez esté elaborado este documento de Visión a 2030,en cuya elaboración participarán todos los miembros de GEO-PLAT, el siguiente paso a dar por la Plataforma será la elabo-ración de una Agenda Estratégica de Investigación que es ob-jeto fundamental de la Plataforma.

En dicha Agenda trabajarán codo con codo los agentes delsector de la energía geotérmica en España para estructurar un

conjunto de acciones con objetivos e hitos concretos que se es-tablecerán a corto, medio y largo plazo; cuya implementaciónsupondrá una evolución tecnológica en el sector de la geoter-mia en España, que esperamos se traduzca en un aumento dela producción de energía geotérmica en nuestro país.

A partir de ese momento, desde GEOPLAT se trabajará in-tensamente en la implementación de las líneas estratégicas deinvestigación para el sector, con objeto que se traduzcan enproyectos de I+D+i que se oferten desde los distintos progra-mas y planes de ayudas a la I+D tanto de la AdministraciónEspañola como de la Unión Europea.

Además las actuaciones que se lleven a cabo en el ámbitode GEOPLAT estarán coordinadas con las actuaciones que seestán llevando a cabo por otras plataformas tecnológicas tantonacionales como europeas. Las plataformas tecnológicas nacio-nales que más vinculadas estarán a GEOPLAT serán la Plata-forma Tecnológica Española de CO2 (PTE CO2), la PlataformaTecnológica Española de Eficiencia Energética (PTE EE) y laPlataforma Tecnológica Española de la Construcción (Cons-trucción 2030).

En Europa se acaba de constituir la Plataforma Tecnoló-gica de Climatización Renovable (European Technology Plat-form for Renewable Heating and Cooling-RHC-ETP) promo-vida por la Dirección General de Energía y Transporte de laComisión Europea (DG TREN).

Esta Plataforma se ha constituido a partir de la PlataformaTecnológica Europea de Energía Solar Térmica (ESTTP – Eu-ropean Solar Thermal Technology Platform), que ha dejado deexistir de forma independiente para entrar a formar parte de



FIGURA 2. Estructura de la Plataforma Tecnológica Europea de Climatización Renovable.

SecretaríaTécnica

Junta ETP-RHCMiembros: representantes de

todos los paneles y grupos de laETP

Grupo de ApoyoMiembros:

Expertos de la Industriay la I+D de todas las

tecnologías declimatización renovable

Áreas de Investigación

Áreas de Mercado y Política

Grupo de Trabajo de Implantación en Mercado

Panel de Solar Térmica

Comité Directivo deSolar Térmica

Panel de Biomasa

Comité Directivo deBiomasa

Panel de Geotermia

Comité Directivo deGeotermia

Panel Horizontal(Calor de distrito,almacenamiento,instalaciones derefrigeración, ...)

Grupo de Trabajo de Políticas de I+D

Set Plan, JTI, …

un conjunto que será la nueva Plataforma Tecnológica Euro-pea de de Climatización Renovable, la cual contará además decon un panel Solar, con un panel de Biomasa y con un panel deGeotérmica.

Al igual que las plataformas tecnológicas nacionales, elobjetivo fundamental de esta Plataforma Europea es consti-tuirse como el foro en el que los distintos agentes de los sec-tores implicados en el ámbito de la climatización renovablese agrupen para señalar sus necesidades en I+D+i, de formaque éstas sean transmitidas a las instituciones de la UniónEuropea con competencia en diseño de planes de I+D, proyec-tos de investigación, etc. para que aparezcan reflejadas en losmismos.

En la figura 2 se muestra la estructura propuesta para lanueva Plataforma Tecnológica Europea de Climatización Re-novable (RHC-ETP).

En concreto, el Panel de Geotermia se ha estructurado dela siguiente forma:

• Focus Group 1: GEOTERMIA SOMERA– Grupo de trabajo 1.a: Tecnologías y sistemas subte-

rráneos e instalación.– Grupo de trabajo 1.b: Investigación del terreno, di-

seño y sostenibilidad.– Grupo de trabajo 1.c: Explotación y monitorización.– Grupo de trabajo 1.d: Sistemas superficiales.

• Focus Group 2: GEOTERMIA PROFUNDA– Grupo de trabajo 2.a: Sistemas superficiales: usos di-

rectos y en cascada, climatización de distrito, cogene-ración.

– Grupo de trabajo 2.b: Perforación profunda.– Grupo de trabajo 2.c: Investigación del recurso, ex-

ploración.– Grupo de trabajo 2.d: Tecnologías de producción.– Grupo de trabajo 2.e: EGS.

• Focus Group 3: ASPECTOS NO TÉCNICOS (Mercadosy políticas: regulación, financiación, etc.)– Grupo de trabajo 3.a: Geotermia somera.– Grupo de trabajo 3.b: Geotermia Profunda.– Grupo de trabajo 3.c: Formación (común tanto para

geotermia somera como para profunda).Al igual que todas las plataformas tecnológicas existentes,

tanto nacionales como europeas, la Plataforma Tecnológica Eu-ropea de Climatización Renovable (RHC-ETP) debe, una vez sehaya puesto en marcha, elaborar los documentos Visión a 2030y Agenda Estratégica de Investigación. Se requerirá la partici-pación de GEOPLAT para contribuir a la elaboración de los mis-mos y también para otras cuestiones (diseño de líneas de actua-ción de los distintos grupos de trabajo, etc.), por lo que desdeGEOPLAT se va a empezar a trabajar de forma activa con laPlataforma Europea desde el Grupo de Trabajo Relaciones In-ternacionales. Además de ser miembros de esta Plataforma,GEOPLAT forma parte del Comité Directivo (Steering Commit-tee) del Panel de Geotermia. Desde esa posición se defenderánlas líneas de investigación determinadas por el sector de la geo-termia en España como prioritarias, con objeto que los proyectosque se publiquen en los distintos programas europeos de ayudasa la I+D reflejen las necesidades del sector para nuestro país.

5. CONCLUSIONESSe han presentado brevemente los objetivos, estructura y lí-neas de actuación de la recientemente constituida PlataformaTecnológica Española de Geotermia, GEOPLAT, así como suencuadramiento en el ámbito de la Plataforma TecnológicaEuropea de Climatización Renovable.

Se espera que GEOPLAT contribuya de manera decisiva asituar el sector de la geotermia en España en la vanguardiatecnológica, a promover la utilización de este tipo de energíarenovable y a desarrollar un tejido empresarial altamentecompetitivo para este sector.



1. INTRODUCCIÓNGEOTRAINET es un proyecto financiado por la Comisión Euro-pea, “Programa de Energía Inteligente”, en el que participan

nueve socios coordinados por la Federación Europea de Geólogos.El grupo de socios de GEOTRAINET representa a la industriaeuropea del sector, (Consejo Europeo de Energía Geotérmica,EGEC); profesionales, (Federación Europea de Geólogos, EFG);centros de investigación (Arsenal Research, Austria, y ServicioGeológico Francés, BRGM); compañías privadas (GT Skills, Ir-landa, y Sociedad Romana de Geoexchange), y universidades(Universidad de Lund, Suecia, Universidad Politécnica de Valen-cia, España, y la Universidad de Newcastle, Reino Unido). La du-ración del proyecto es de 30 meses desde el 1 de Septiembre 2008.

Geotrainet: Iniciativa europea paraformar y educar a diseñadores,

sondistas e instaladores de Bombasde Calor Geotérmicas

ISABEL MANUELA FERNÁNDEZ FUENTES (*) y BURKHARD SANNER, PHILIPPE DUMAS (**)

GEOTRAINET: A EUROPEAN INITIATIVE FOR TRAINING AND EDUCATION OF PLANNERS, DRILLERSAND INSTALLERS OF GEOTHERMAL HEAT PUMPSABSTRACT The aim of the project “Geo-Education for a sustainable geothermal heating and cooling market”,GEOTRAINET, is to develop the training of professionals involved in Ground Source Heat Pump installations (GSHP).From the different groups of professionals involved in a GSHP, the GEOTRAINET project is focused on two target groups:designers (who undertake feasibility studies including geology) and drillers (who make the boreholes and insert the tubes).The project includes the creation of an EU-wide certification scheme for both planners and installers of GSHP. Anotherproject activity will be the definition and development assistance for the necessary EU-wide technical standards. Visible results of the project will be the curricula, learning tools, manuals, an e-learning platform for the designers and thetrainers, and several courses to be launched during the project duration. The goal, however, is to co-operate with the rele-vant professional associations, teaching institutions, training centers,etc. in order to establish a training and education fra-mework going farther and lasting longer than the project, and providing the human resources necessary to sustain a soundand healthy growth of the GSHP market in Europe.

RESUMEN El objetivo del proyecto GEOTRAINET, “Geo-Educación para un mercado sostenible de calefacción y refrigeracióngeotérmica”, es el desarrollo de una formación específica para los profesionales involucrados en las instalaciones de bomba decalor geotérmicas, Ground Source Heat Pump (GSHP). De los distintos grupos de profesionales relacionados con dichas insta-laciones, el proyecto GEOTRAINET se ha centrado en dos grupos: diseñadores (estudio de la viabilidad del proyecto, inclu-yendo la geología) y sondistas (realización de sondeos y la inserción de instrumentación en los mismos). El proyecto incluye lacreación de un plan de certificación europea para diseñadores e instaladores de bombas de calor geotérmicas. Otra actividaddel proyecto es la definición y desarrollo de la necesaria normalización técnica con validez en toda la Unión Europea.Como resultados directos del proyecto se obtendrán programas de estudios, material didáctico, manuales, una plataformae-learning para los diseñadores y los formadores y varios cursos que se impartirán durante la duración del proyecto. Sinembargo, el objetivo a mas largo plazo es cooperar con las asociaciones profesionales, instituciones educativas superiores,centros de formación, etc, con el fin de establecer un marco de formación y educación, que continúe después del proyectosuministrando, por tanto, los recursos humanos necesarios que permitan mantener un crecimiento estable y sostenible delmercado de las bombas de calor geotérmicas en Europa

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Palabras clave: Bombas geotérmicas, Europa, Formación, Certificación, Diseñadores, Perforadores, Instaladores.

Keywords: Geothermal heat pumps, Europe, Education, Training, Certification, Designers, Drillers, Installers.

(*) Dra. European Federation of Geologists, c/o Service Geologique deBelgique, 13 Rue Jenner, B-1000 Brussels, Belgium.(**) Dr. European Geothermal Energy Council, Renewable Energy House,63-67 Rue d´Arlon, B-1040 Brussels, Belgium.


Las instalaciones de bombas de calor geotérmicas, GroundSource Heat Pumps, GSHP, contribuyen a una importante re-ducción del consumo energético y por tanto a la reducción deemisiones de CO2. En algunos países europeos como Suecia,Suiza, Alemania y Austria, estas instalaciones han conseguidoestablecerse en el mercado de forma sólida y estable. Por elcontrario, en otros países europeos la presencia de estas insta-laciones es aún muy limitada. Es por ello que el proyecto Geo-trainet promueve el intercambio de buenas prácticas entre losdistintos países miembros del proyecto, contribuyendo a dismi-nuir el consumo energético en Europa.

El informe del proyecto K4RES-H: Plan de acción Europeopara calefacción y refrigeración Geotérmica, presentó comouna de las barreras para alcanzar un mercado geotérmico sos-tenible y creciente la falta de personal especializado. La expe-riencia ha mostrado que la calidad de las instalaciones y eltrabajo realizado no han sido siempre satisfactorios. Los fallosson debidos a la instalación en si misma y la insuficiente inte-gración en el diseño de la instalación del edificio. Por consi-guiente, se necesita realizar programas de formación y certifi-cación de instaladores de bombas de calor geotérmicas paraasegurar una mayor calidad de las instalaciones.

El objetivo del proyecto es desarrollar un programa de edu-cación europea en base al cual se pueda establecer una certifi-cación para los profesionales relacionados con las instalacionesgeotérmicas. El proyecto conlleva, por tanto, la preparación deprogramas de educación, material didáctico, cursos de forma-ción, desarrollo de una plataforma e-learning, y una estruc-tura de formación en ocho países europeos directamente liga-dos al proyecto. Otro de los objetivos del proyecto es mejorar elacceso de los datos geológicos necesarios para el diseño de lasinstalaciones de bomba de calor geotérmicas.

El proyecto pretende establecer el marco que permita desa-rrollar una certificación europea en este sector profesional. Para

complementar esta actividad y poder alcanzar la armonizacióntécnica necesaria se deben proponer normas y códigos europeos.

La necesidad de instalaciones de calidad es evidentecuando se revisa el pasado en la industria de la bomba de ca-lor europea. Con la segunda crisis del petróleo en el 1980, elmercado buscó sistemas de energía más eficientes. Sin em-bargo, con los precios aún altos en el mercado, la venta debombas de calor descendió drásticamente después del pico de1980. Las figuras 1 y 2 muestran la evolución del mercado dela Bomba de Calor en los últimos 30 años en Francia y Alema-nia. Dichas curvas demuestran que el comportamiento en laventa de este producto en el mercado no está sólo ligado a cir-cunstancias económicas, sino que con frecuencia, la falta de ca-lidad y experiencia tanto en la utilización de la bomba de calorcomo en el sistema de instalación, creó una falta de confianzaen esta tecnología. La reciente crisis del petróleo ha provocadoun nuevo aumento de la venta de bombas de calor geotérmi-cas, dando de nuevo una oportunidad a este mercado que debede pretender no repetir los errores del pasado.

El proyecto pretende promover la energía geotérmica for-mando a los instaladores. De este modo se contribuye a ate-nuar una de las principales barreras del mercado de la energíageotérmica tanto para calefacción como para refrigeración enmuchos países europeos. Como resultados del proyecto se ten-drá el marco de certificación europea que apoye y mejore la ca-lidad de las instalaciones con programas de educación útilespara el desarrollo profesional continuo de los profesionales in-teresados en este sector.

Para la realización de los programas de educación se hanestablecido dos plataformas internacionales de expertos en di-seño y sondeos geotérmicos. La actividad de dichas platafor-mas de expertos es aportar los conocimientos necesarios paraelaborar los programas de formación que se imparten en loscursos y formación e-learning.

GEOTRAINET: INICIATIVA EUROPEA PARA FORMAR Y EDUCAR A DISEÑADORES, SONDISTAS E INSTALADORES DE BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS


FIGURA 1. Ventas de Bombas de Calor en Francia en los últimos 30 años (1976 – 2007).

Bom

bas

de c

alor

ven

dida

s po

r año

90.000

80.000

70.000

60.000

50.000

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30.000

20.000

10.000

0

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1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

Category Axis

Para poder alcanzar los objetivos mencionados, el proyectoGEOTRAINET está dividido en las siguientes fases (Fernán-dez, et al, 2008):

• Investigar sobre los datos de utilidad para las instala-ciones geotérmicas de bomba de calor.

• Evaluar las habilidades requeridas por los profesionalesdel diseño y perforación de dichas instalaciones.

• Crear un curriculum para los instaladores: diseñadoresy sondistas.

• Crear instrumentos de formación, evaluación y certifica-ción.

• Proponer normas y códigos de armonización para elmercado europeo.

• Lanzar los cursos de formación.

2. ASPECTOS LEGISLATIVOS2.1. CONTRIBUCIÓN DE LA LEGISLACIÓN EUROPEA AL

DESARROLLO Y FOMENTO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICALa Directiva sobre Fuentes de Energía Renovable (RES) se hapublicado oficialmente, el 5 de junio de 2009, en el Diario Ofi-cial (DO) de la Unión Europea, bajo el título: Directiva2009/28/EC del Parlamento Europeo y del Consejo relativa alfomento del uso de energía procedente de fuentes renovables.Dicha directiva es parte del paquete legislativo de energía,aprobado por los Estados Miembros el 6 de abril de 2009, yque tiene como objeto la consecución de los retos medioam-bientales 20-20-20% en 2020. El paquete legislativo está cons-tituido por un reglamento, cuatro directivas y una decisión:

• Reglamento (CE) n° 443/2009 - Reducción de las emisio-nes de CO2 de LDVs (vehículos ligeros).

• Directiva 2009/28/EC - Fuentes de Energía Renovables(RES).

• Directiva 2009/29/EC - Régimen de comercio de emisio-nes (ETS).

• Directiva 2009/30/EC - Calidad del combustible (FQD).

• Directiva 2009/31/EC - Captura y almacenamiento delcarbono (CCS).

• Decisión nº 406/2009/EC - «esfuerzo compartido» parareducir las emisiones de gases efecto invernadero, GEI.

Todos estos documentos pueden consultarse en la siguientepágina web:http://eur-lex.europa.eu/JOHtml.do?uri=OJ:L:2009:140:SOM:EN:HTML

La Directiva RES entró en vigor el 25/06/2009; después de 18meses de su publicación en el DO la Directiva tiene que ser im-plementada por los países miembros de la Unión Europea, es de-cir el 25 de diciembre de 2010. Excepto los artículos de la direc-tiva relativos a los planes de acción nacionales en materia deenergía renovable (NREAPs) que serán publicados el 30 de juniode 2010.

La entrada en vigor de la Directiva ETS sobre el sistema decomercio de emisiones, y la Directiva de Energías Renovablescon sus objetivos nacionales de 2020, deben dar un gran im-pulso a las inversiones en investigación y desarrollo de laenergía geotérmica y otras energías renovables. El Grupo In-tergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático(IPCC) ha señalado que para limitar el aumento de la tempe-ratura a no más de 2°C por encima de los niveles preindustria-les, las emisiones en los países industrializados deben redu-cirse entre un 25% y un 40% para el 2020. El acuerdo finalsobre las reducciones de CO2 es mucho más bajo de lo inicial-mente propuesto. El objetivo es limitar en la UE para el 2020las emisiones industriales en un 21% por debajo de los nivelesde 2005, y hacer un promedio de reducción de GEI del 10% en2020, dividido entre los Estados miembros.

El 28 de enero de 2009, como parte del Plan de Recupera-ción Económica Europea (EERP), la Comisión propuso un con-junto de inversiones destinadas a estimular la economía de laUE en la actual recesión. Un elemento sustancial de esta pro-puesta está dedicado a proyectos relacionados con la energíarenovable, dado que dicha energía no sólo disminuye la depen-dencia europea de los combustibles, sino que puede desarrollarun liderazgo tecnológico europeo, proporcionar puestos de tra-bajo, y ayudar a contrarrestar el peligroso y caro efecto delcambio climático causado por los combustibles fósiles.



FIGURA 2. Ventas de Bombas de Calor en Alemania en los últimos 30 años (1978 – 2008).

Bom

bas

de c

alor

ven

dida

s po

r año

(x 1

.000

)

Prec

io d

el p

etró

leo

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$/ba

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1983

1984

1985

1986

1987

1988

1989

1990

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1993

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1998

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2000

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2006

2007

2008

bombas de calorgeotérmicas

bombas decalor aero-ambiental

El Parlamento Europeo ha presentado un informe sobre laDirectiva Eficiencia Energética de los Edificios (EPBD). El in-forme del Parlamento Europeo exige que para diciembre del2018, todos los nuevos edificios pasen a convertirse en una redde edificios de energía cero. Tanto los edificios públicos exis-tentes como los nuevos deben cumplir los requisitos tres añosantes de la fecha mencionada, teniendo en cuenta el papelejemplar que han de jugar. El informe del Parlamento exigeque la Comisión Europea presente propuestas legislativas en2010, teniendo en cuenta la reducción de IVA para servicios yproductos vinculados a las energías renovables y la eficienciaenergética. Las propuestas deberán también considerar un au-mento de los fondos europeos de desarrollo regional destinadosa apoyar la eficiencia energética y las energías renovables. Porúltimo, también se ha propuesto crear un fondo sobre la basede contribuciones al presupuesto comunitario del Banco Euro-peo de Inversiones, destinado también al estímulo de medidasenergéticas.

2.2. ¿ES LA ENERGÍA GEOTÉRMICA CAPTURADA POR LABOMBA DE CALOR UNA ENERGÍA RENOVABLE?

En el Artículo 2 de la Directiva relativa al fomento del uso deenergía procedente de fuentes renovables, RES, se presentanalgunas definiciones de interés para el presente artículo. Asíse define la «energía procedente de fuentes renovables» enten-diendo como tal la energía procedente de fuentes renovablesno fósiles, es decir, energía eólica, solar, aerotérmica, geotér-mica, hidrotérmica y oceánica, hidráulica, biomasa, gases devertedero, gases de plantas de depuración y biogás.

A su vez, la directiva presenta por primera vez una defini-ción clara sobre la «energía geotérmica», entendiendo como talla energía almacenada en forma de calor bajo la superficie dela tierra sólida.

Por otro lado, en las instalaciones multicombustibles queutilizan fuentes renovables y convencionales, como es el casode la energía geotérmica con bomba de calor, solamente se ten-drá en cuenta la parte de calor y frío producida a partir defuentes renovables. Para efectuar este cálculo, la contribuciónde cada fuente energética se calculará sobre la base de su con-tenido energético.

La energía aerotérmica, geotérmica e hidrotérmica captu-rada por las bombas de calor se tendrá en cuenta a efectos delconsumo final bruto de energía procedente de fuentes renova-bles para la calefacción y la refrigeración, siempre que la pro-ducción final de energía supere de forma significativa el con-sumo de energía primaria necesaria para impulsar la bombade calor. La cantidad de calor que se ha de considerar comoenergía procedente de fuentes renovables a efectos de la Direc-tiva RES se calculará de conformidad con la metodología esta-blecida en dicha directiva (Anexo VII).

Así el balance energético de las bombas de calor que debede tener en cuenta para considerarse energía procedente defuentes renovables a efectos de la Directiva RES, ERES, secalculará de acuerdo con la siguiente expresión:

ERES = Qusable * (1 – 1/SPF)

siendo:– Qusable = el calor útil total estimado proporcionado por la

bomba de calor.– Solo se tendrán en cuenta las bombas de calor para las que

SPF > 1.15 * 1/η.– SPF = el factor de rendimiento medio estacional estimativo

para dichas bombas de calor.– η = el cociente entre la producción total bruta de electrici-

dad y el consumo primario de energía para la producción

de electricidad. Se calculará como una media de la UE ba-sada en datos de Eurostat. Antes del 1 de enero de 2013, la Comisión establecerá las

directrices para que los Estados miembros estimen los valoresde Qusable y SPF para las diferentes tecnologías y aplicacio-nes de las bombas de calor, teniendo en cuenta las diferenciasde las condiciones climáticas, especialmente en climas muyfríos.

2.3. FORMACIÓN Y CERTIFICACIÓN SEGÚN LA LEGISLACIÓNEUROPEA

Todas estas medidas legislativas contribuirán al desarrollo delas energías renovables en general y de la energía geotérmicaen particular. Sin embargo, como ya se ha mencionado en laintroducción, una de las barreras para alcanzar un mercadogeotérmico sostenible y creciente es la falta de personal espe-cializado. La directiva de Energía Renovables presenta distin-tos instrumentos legales para solventar dicho problema. Así, elartículo 14 de la Directiva está dedicado a información y for-mación.

Este articulo presenta distintas responsabilidades que losEstados miembros deben de asumir en cuanto a informaciónsobre medidas de apoyo, para que se ponga a disposición de to-dos los agentes interesados, como los consumidores, construc-tores, instaladores, arquitectos y proveedores de sistemas yequipos de calefacción y refrigeración que puedan utilizarenergía procedente de fuentes renovables. También velaránpara que el proveedor de los equipos y sistemas o bien las au-toridades nacionales competentes faciliten información sobrelos beneficios netos, el coste y la eficiencia energética de losequipos y sistemas utilizados para la producción de calor, frío yelectricidad a partir de fuentes de energía renovables.

En cuanto a la certificación, los Estados miembros velaránpara que los sistemas de certificación o sistemas de cualifica-ción equivalentes estén, a más tardar el 31 de diciembre de2012, disponibles para los instaladores de sistemas geotérmi-cos superficiales y bombas de calor a pequeña escala, entreotros. Estos sistemas podrán tener en cuenta sistemas y es-tructuras existentes. Los sistemas de certificación o sistemasde cualificación equivalentes se basarán en una serie de crite-rios presentados en el Anexo IV de la Directiva. Los Estadosmiembros pondrán a disposición del público información sobredichos sistemas de certificación. A su vez los Estados miem-bros deben de facilitar las directrices destinadas a todos losagentes interesados, en particular a los planificadores y arqui-tectos, a fin de que puedan considerar debidamente una es-tructura de abastecimiento óptima de fuentes renovables deenergía, tecnologías de alta eficacia y sistemas urbanos de ca-lefacción o refrigeración al planificar, diseñar, construir y reno-var zonas industriales o residenciales.

3. FORMACIÓN PARA EL DISEÑO DE INSTALACIONESDE BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICAS

Como se ha señalado en la introducción, uno de los objetivosdel proyecto GEOTRAINET es desarrollar un programa deformación para los diseñadores de las instalaciones de energíageotérmica capturada por la bomba de calor.

La formación para dichos diseñadores debe de tener en con-sideración los siguientes aspectos:

• Respeto del medio ambiente: Tomando en consideraciónla posible contaminación del suelo y del agua subterrá-nea, estabilidad del terreno, conocimientos hidrológicos,y asegurar protección del medio ambiente, especial-mente durante la perforación.



• Condiciones termales del terreno: el programa de forma-ción para instalaciones geotérmicas superficiales in-cluirá la información sobre los recursos geotérmicos y latemperatura del terreno en diferentes regiones, la iden-tificación de la conductividad térmica en suelo y en roca,la regulación en el uso de los recursos geotermales, ladeterminación de los sistemas de bomba de calor geotér-mica mas adecuados en función de las característicastermales del terreno.

• Condiciones técnicas: las diferentes tecnologías de perfo-ración y excavación, elección del método de perforaciónmás idóneo en función del características geológicas y con-diciones medio ambientales, teniendo en cuenta las condi-ciones hidrogeológicas, construcción del sondeo, medida depresión, registros, leyes de construcción y seguridad.

Para la realización del programa de formación ha sido nece-saria la creación de una plataforma de expertos europeos. Estaplataforma trabaja en la creación de planes de estudio para losdiseñadores, y la asignación de contenidos a los temas identifi-cados en el plan de estudios.

La experiencia profesional de los expertos involucrados endicha plataforma ayuda a definir de manera precisa las áreasmás relevantes y los conocimientos básicos esenciales para eldesarrollo de la actividad profesional de la energía geotérmica.Hay ciertas especialidades, tales como la Geotecnia, Hidrogeo-logía, Geofísica, que son de especial relevancia para el análisisdel terreno a la vista de una instalación de energía geotér-mica. La plataforma de expertos también tiene como misiónevaluar los datos relacionados con dichas disciplinas necesa-rios para las instalaciones geotérmicas destinadas a calefac-ción y refrigeración

El programa de educación incluye cinco secciones:La primera sección es de introducción: En dicha sección se

da una visión general de los sistemas de energía geotérmica

capturada por la bomba de calor. También se analizan las limi-taciones del sistema dependiendo de la fuente de energía (ra-diación solar, flujo de calor geotérmico), las condiciones geoló-gicas, hidrogeológicas, geotécnicas, climáticas, temas medioambientales, costes económicos y legislación.

La segunda sección está destinada al análisis de los ele-mentos a considerar en las instalaciones: geología, perfora-ción, intercambio térmico en el sondeo, instalación del sis-tema dentro del sondeo, diseño e instalación del circuitodentro del terreno, tecnología de la bomba de calor, y controlde calidad.

Dentro de esta sección se analiza cómo influyen las condi-ciones geológicas en las instalaciones geotérmicas en funcióndel tipo de sistema elegido. Los sistemas de circuito cerrado,en general, pueden aplicarse en distintas condiciones geológi-cas. Sin embargo, las propiedades térmicas del terreno y losproblemas de perforación pueden limitar su potencial. Lossistemas abiertos (sobre la base de bombeo de agua subterrá-nea), exigen unas condiciones geológicas más específicas,siendo necesario la presencia de uno o varios acuíferos. Aúnasí los problemas de construcción y química del agua puedelimitar el potencial. En función de las condiciones geológicasdel terreno se deberán de elegir los métodos de perforaciónmás idóneos para la instalación geotérmica elegida.

El diseño de los pozos intercambiadores de calor dependede las condiciones del terreno y de las cargas energéticas quenecesita cubrir la instalación, (Fig 3). A su vez en los sondeoshay que considerar el intercambio térmico del sondeo, la insta-lación del sistema dentro del sondeo, así como la instalacióndel circuito dentro del terreno (colectores, tubos y accesorios,fluido portador de calor, bombas de circulación y el caudal). Elrendimiento de la instalación dependerá de los sondeos inter-cambiadores de calor y de las propiedades de transporte de ca-lor en el terreno.



FIGURA 3. Pozosintercambiadores de energía.

Terreno

Pozosintercambiadores

de calor

Cargaenergética

En función de la demanda energética de la instalación seránecesario analizar la tecnología de la bomba de calor. Un com-pleto análisis de los fundamentos de esta tecnología es presen-tado en el programa de formación para los diseñadores, con elfin de poder seleccionar la instalación mas adecuada.

Por último, las instalaciones deben de seguir un control decalidad en el que se pruebe el sistema, se ponga en marcha yse presente la documentación de mantenimiento y vigilanciadel sistema.

La tercera sección del programa esta destinada al análisisde los distintos sistemas de bomba de calor geotérmica exis-tentes y la elección del sistema más adecuado (Figura 4).

Otra importante sección esta destinada a la regulación. Enella se analizan el marco legal europeo, la normativa europea,el código de energía eficiente en edificación, aspectos medioambientales e incentivos económicos.

La última sección del programa es un caso práctico en elque se analiza un proyecto, estudio de viabilidad, investigaciónin situ (ensayo de respuesta termia, ensayo de bombeo), y li-cencias y permisos.

4. FORMACIÓN PARA LA PERFORACIÓN E INSTALACIÓNDE BOMBA DE CALOR GEOTÉRMICA

Esta formación responde a la demanda del mercado de Bombasde Calor Geotérmicas. Los perforadores normalmente tienen ex-periencia en la mecánica de perforación aplicada a trabajos paraproyectos hidrogeológicos, geotécnicos, etc, pero son pocas lasempresas plenamente dedicada a la energía geotérmica.

El programa formación se basa en los programas de estu-dios elaborados por una plataforma de expertos europeos. Estaplataforma trabaja en la creación de planes de estudio para lossondistas, y la asignación de contenidos a los temas del plande estudios.

La plataforma de expertos trabaja en: • Programa de educación, incluyendo el contenido y las

destrezas necesarias para capacitar a los perforadoresde instalaciones geotérmicas.

• Material didáctico para los perforadores.• Identificación del perfil requerido y la experiencia profe-

sional de los profesores que trabajen como formadores.Desde punto de vista de la plataforma, los materiales de

capacitación para los perforadores deben de ser específicos

para cada país, teniendo en cuenta aspectos jurídicos localesy las técnicas de perforación utilizadas a nivel local. Sin em-bargo, el proyecto GEOTRAINET tiene como objetivo recopi-lar los materiales existentes en los países de la UE, y propo-ner un material homogéneo. Este material puede sertraducido y completado con datos nacionales e informaciónlegal.

El programa propuesto comienza con una sección de intro-ducción dando una visión general de los sistemas de energíageotérmica capturada por la bomba de calor. La segunda sec-ción trata temas de métodos de perforación y ensayos de per-foración, así como las consideraciones medio ambientales atener en cuenta. Las otras secciones del programa presentanaspectos más específicos como son los ensayos de respuestatérmica, instalación de los sistemas de geotérmicos dentro delos sondeos, prueba del sistema, instrucciones de manteni-miento y servicio. Los cursos dedicados a los sondistas de ins-talaciones geotérmicas tienen una gran parte práctica.

5. CALENDARIO DE LOS CURSOS DE GEOTRAINETEn total hay ocho cursos de formación previstos durante el pe-riodo de vigencia del proyecto GEOTRAITET. De ellos dos cur-sos están destinados a los formadores, tres cursos son para di-señadores y tres cursos para sondistas. En la tabla 1 sepresenta: lugar, fecha, idioma, número de participantes y du-ración del curso. Cada uno de los cursos está coordinado porun socio responsable.

El primer curso de Geotrainet ha tenido lugar en Uppsala,Suecia, del 10 al 12 de Junio 2009. El curso estaba destinado alos profesores que serán responsables de la formación en dis-tintos países Europeos. El curso incluyó dos programas de for-mación: Diseñadores y Sondistas. Los participantes han sidoseleccionados en base a su experiencia profesional. El curso hacontado con 43 asistentes procedentes de 11 países europeos.Los profesores del curso han sido seleccionados dentro de lospaneles de expertos europeos del proyecto Geotrainet. La eva-luación realizada por los asistentes al finalizar el curso setiene en cuenta para la elaboración del material didáctico ac-tualmente en ejecución. El curso ha permitido establecer unintercambio de experiencia profesional entre los países euro-peos y las distintas disciplinas involucradas en la actividadprofesional de las instalaciones con bomba de calor geotérmica(Figura 5).



FIGURA 4. Sistemas geotérmicos superficiales.

Intercambiadoreshorizontales de calor

Pozos inter-cambiadoresde calor

Pozos de agua subterranea

Nivel del agua

Bomba

Pozo

de

extra

cció

n

Pozo

de

inje

ctio

n



Titulo del curso País Fecha Courselanguage

Numero departicipantes

Duración(horas)

SocioResponsable

1. Formaciónpara

profesoresSuecia

10-11-12Junio2009

Ingles 40 24 Lund University

2. Formaciónpara

sondistasIrlanda

28-29Septiembre

2009Ingles 40-60 24 GT-Skills

3. Formaciónpara

profesoresAlemania Noviembre

2009 Alemán 40 24 EGEC & Arsenal

4. Formaciónpara

sondistasFrancia Enero

2010 Francés 40-60 24 BRGM

5. Formaciónpara

diseñadoresInglaterra

14-16Abril2010

Ingles 40-60 24 NewcastleUniversity

6. Formaciónpara

diseñadoresEspaña Julio

2010 Español 40-60 24Universidad

Politécnica deValencia & EFG

7. Formaciónpara sondistasy diseñadores

Rumania Octubre2010 Romano 40-60 24

RomanianGeoexchange

Society

8. Formaciónpara sondistasy diseñadores

Bélgica Diciembre2010 Ingles 40-60 16 Diseñadores

16 Sondistas EFG

TABLA 1. Calendario de cursos previstos en el proyecto GEOTRAINET.

FIGURA 5. Curso deformación de profesores deGEOTRAINET en Uppsala,

Suecia.

6. ESTABLECIMIENTO DE UN MARCO EUROPEODE CERTIFICACIÓN

“GEOTRAINET” está desarrollando un concepto de formacióny certificación de expertos en calefacción y refrigeración geo-térmica. Para garantizar calidad e igualdad entre los paísesparticipantes, es necesario disponer de una institución a niveleuropeo que coordine las actividades en los países participan-tes, un “Comité Europeo de la Educación”.

Las principales tareas del Comité Europeo de la Educaciónserán:

• Mantener del compromiso de formación incluyendo lamisión, los objetivos de formación, las normas de forma-ción, y los registros.

• Actualizar y perfeccionamiento de los niveles de forma-ción establecidos.

• Transferir e intercambiar los conocimientos técnicos anivel europeo.

• Establecer los documentos siguiendo la estructura euro-pea para la cooperación transnacional.

• Continuar el intercambio de información.• Asegurar la calidad de los planes nacionales de forma-

ción.• Actualizar todos los documentos de formación de GEO-

TRAINET.• Mantener las normas de calidad a nivel internacional.El Comité Europeo de Educación estará formado por los

distintos “coordinadores nacionales”. Las principales tareas del Coordinador Nacional son:• Aplicar la norma internacional de capacitación y reali-

zar las adaptaciones necesarias a escala nacional.• Informar al Comité Europeo de la Educación teniendo

en cuenta las modificaciones y adaptaciones necesariasde formación estándar.

• Notificar los cambios del sistema de formación a los cen-tros nacionales de formación.

• Difusión de programa de capacitación a nivel nacional.• Comunicación con los centros nacionales de formación.• Mantener las normas de calidad a nivel nacional.El Coordinador Nacional coordinará a los “Institutos de

Formación Nacionales”. Las principales tareas del los Instituto de Formación Nacio-

nal son:• Llevar a cabo los cursos de formación.• Evaluar de los cursos.• Asumir la responsabilidad de la aplicación y el manteni-

miento del programa de capacitación.• Difusión a nivel local.• Sub-contratación de formadores.• Presentación de informes a la coordinadora nacional.• Desarrollo del sistema de formación.De este modo el proyecto pretende colaborar con los requisi-

tos de formación y certificación presentados por la nueva Di-rectiva RES.

7. CONCLUSIONESLa Directiva sobre Fuentes de Energía Renovable (RES) se hapublicado oficialmente, el 5 de junio de 2009, en el Diario Ofi-cial (DO) de la Unión Europea: Directiva 2009/28/EC del Par-lamento Europeo y del Consejo relativa al fomento del uso deenergía procedente de fuentes renovables. Dicha directiva esparte del paquete legislativo de energía, aprobado por los Mi-nistros de Justicia e Interior, el 6 de abril de 2009, y que tienecomo objeto la consecución de los retos medio ambiente 20-20-20% para 2020, es decir, fomentar el uso de energía procedentede fuentes renovables hasta alcanzar el 20% del uso energéticoantes del 2020 en la Unión Europea.



FIGURA 6. Comité Europeode la Educación.

Institutos de Formación Nacional, NTI

NTI NTI NTI NTI

Coordinador Nacional

Comité Europeo de la Educación

La investigación en Europa pone de manifiesto que uno delos obstáculos para un crecimiento sostenible del mercado dela bomba de calor geotérmica es la falta de personal cualifi-cado, y que la calidad del diseño e instalaciones no siempreson satisfactorios.

Por primera vez, cada Estado miembro de la UE tiene unobjetivo legalmente vinculante para las energías renovablesque debe ser alcanzado antes del 2020. En junio 2010 los Esta-dos miembros presentarán planes de acción nacionales en ma-teria de energía renovable detallando la forma en que van acumplir las metas 2020. Estas medidas darán lugar a un pro-greso real en los 27 países miembros de la Unión Europea enel campo de las energías renovables. Una medida importantees que los Estados miembros garanticen que los sistemas decertificación estén disponibles para el año 2012 para los insta-ladores de sistemas geotérmicos superficiales y bombas de ca-lor. De hecho, la instalaciones de bombas de calor, la energíageotérmica superficial y otras pequeñas instalaciones deberánestar certificados por programas de formación acreditados.

El objetivo del proyecto “Geo-Educación para un mercadosostenible de calefacción y refrigeración geotérmica”, es desa-rrollar un programa de educación que permita establecer unmarco de certificación de instalaciones de energía geotérmica,mediante:

• La formación de los profesionales que participan en laformación de los instaladores de sistemas de energía ge-otérmica capturada con bomba de calor.

• La creación a nivel europeo de un sistema de certificaciónpara los diseñadores y perforadores de instalaciones deenergía geotérmica capturada con bomba de calor.

8. BIBLIOGRAFÍAGEOTRAINET project (www.geotrainet.eu).

EFG, Federacion Europea de Geólogos (www.eurogeologists.eu).

IEE, Inteligent Energy Europe (http://ec.europa.eu/energy/in-telligent/projects/index_en.htm).

K4RES-H “GEOTHERMAL HEATING & COOLING ACTIONPLAN FOR EUROPE”, project report, Annex 1.http://www.egec.org/target/Geothermal%20Action%20Plan.pdf.

Fernández Fuentes, I., Sanner, B., Dumas, P., and Jones, G.,GEOTRAINET: a Eurpean Initiative, European GeologistsMagazin 26, 2008, pags 34-37.

IPCC, Intergovernmental Panel on Climate Change(http://www.ipcc.ch/index.htm).

Contribution of Working Group III to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change,2007, B. Metz, O.R. Davidson, P.R. Bosch, R. Dave, L.A. Meyer(eds).

Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo,de 23 de abril de 2009, relativa al fomento del uso de energíaprocedente de fuentes renovables y por la que se modifican yse derogan las Directivas 2001/77/CE y 2003/30/CE (1), Dia-rio Oficial de la Unión Europea, L 140, 5 Junio 2009.

Directiva 2009/29/CE del Parlamento Europeo y del Consejo,de 23 de abril de 2009, por la que se modifica la Directiva2003/87/CE para perfeccionar y ampliar el régimen comunita-rio de comercio de derechos de emisión de gases de efecto in-vernadero (1), Diario Oficial de la Unión Europea, L 140, 5Junio 2009.

Directiva 2009/30/CE del Parlamento Europeo y del Consejo,de 23 de abril de 2009, por la que se modifica la Directiva98/70/CE en relación con las especificaciones de la gasolina,el diésel y el gasóleo, se introduce un mecanismo para contro-lar y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, semodifica la Directiva 1999/32/CE del Consejo en relación conlas especificaciones del combustible utilizado por los buquesde navegación interior y se deroga la Directiva 93/12/CEE(1), Diario Oficial de la Unión Europea, L 140, 5 Junio 2009.

Directiva 2009/31/CE del Parlamento Europeo y del Consejo,de 23 de abril de 2009, relativa al almacenamiento geológicode dióxido de carbono y por la que se modifican la Directiva85/337/CEE del Consejo, las Directivas 2000/60/CE,2001/80/CE, 2004/35/CE, 2006/12/CE, 2008/1/CE y el Regla-mento (CE) no 1013/2006 del Parlamento Europeo y del Con-sejo (1), Diario Oficial de la Unión Europea, L 140, 5 Junio2009.

Decisión no 406/2009/CE del Parlamento Europeo y del Con-sejo, de 23 de abril de 2009, sobre el esfuerzo de los Estadosmiembros para reducir sus emisiones de gases de efecto inver-nadero a fin de cumplir los compromisos adquiridos por la Co-munidad hasta 2020, Diario Oficial de la Unión Europea, L140, 5 Junio 2009.

9. NOTA SOBRE EL ARTÍCULO

El proyecto GEOTRAINET es financiado por la Unión Euro-pea en el marco del Programa Energía Inteligente para Eu-ropa. Sin embargo, la responsabilidad por el contenido de estapublicación es sólo de los autores.



1. INTRODUCCIÓNEste documento pretende realizar una descripción general delos principales conceptos que intervienen en la transferenciade calor entre el terreno y su entorno, con los aportes que ofre-cen la geología, la geotecnia, la hidráulica y la termodinámica.Ya que la orientación de las partículas, el tipo de suelo, su den-sidad, el tamaño de los poros de su estructura interna, el flujode agua en el terreno, entre otras propiedades, condicionan latransferencia de calor en el terreno.

También se presentan algunos de los modelos de transfe-rencia de calor en el terreno, para la explotación de la energíageotermia de baja temperatura, adicionalmente y de forma re-sumida se describen algunas de las técnicas usadas para de-terminar las propiedades físicas del terreno y los equipos em-pleados en laboratorio y en campo, para obtener las propiedadestérmicas del terreno.

2. ESTRUCTURA DEL TERRENO Y PROPIEDADES ÍNDICELos suelos tienen su origen en los macizos rocosos preexisten-tes que constituyen la roca madre, sometida a la acción am-biental disgregadora de la erosión en sus tres facetas:

• Física, debida a cambios térmicos, a la acción del agua.Estas acciones físicas tienden a romper la roca inicial y

a dividirla en fragmentos de tamaño más pequeño, quepueden ser separados de la roca por agentes activos(agua, viento, gravedad) y llevados a otros puntos en losque continúa la acción erosiva. Es decir, tienden a crearlas partículas que van a formar el suelo.

• Química, originada por fenómenos de hidratación, diso-lución, oxidación, cementación. Estas acciones, por lotanto, tienen a disgregar como a cementar, lo que quieredecir que puede ayudar a la acción física y, posterior-mente, cementar los productos formados, dando uniónquímica de las partículas pequeñas de suelo.

• Biológica, producida por la actividad bacteriana, indu-ciendo putrefacciones de materiales orgánicos y mez-clando el producto con otras partículas de origen físico-químico, actuando de elemento catalizador.

Todo ello da lugar a fenómenos de disgregación y transfor-mación de la roca, creándose el perfil de meteorización, de talforma que, cuando el suelo permanece in situ sin ser transpor-tado, se le conoce como suelo residual y cuando ha sufridotransporte, se denomina suelo transportado.

La estructura y fábrica de un suelo, es función del origende los minerales, agentes cementantes, transformacionesquímicas, medios de depositación, entre otros. Estas condi-ciones particulares para cada tipo de suelo, determina lapresencia de huecos, poros o intersticios, con agua (suelossaturados), aire y agua (suelos parcialmente saturados) osolo aire (suelos secos).

Adicionalmente las deformaciones del conjunto del suelo, seproducen por giros y desplazamientos relativos de las partícu-las y por expulsión del agua; solo en raras ocasiones se produ-cen por roturas de granos.

Caracterización Térmica del Terreno

IGNACIO ZULOAGA FÁBREGA (*) y JAVIER A. SIERRA GALEANO (**)

THERMAL CHARACTERIZATION OF SOILS ABSTRACT This article presents the thermal properties of the soil, the heat flux and heat storage in the field, measuringequipment index properties, the description of thermal and hydraulic balance of the soil structure and finally developadvanced models of heat transfer in the field.

RESUMEN En este artículo se exponen las propiedades térmicas de los suelos, el flujo de calor y el almacenamiento de caloren el terreno, los equipos de medición de las propiedades índice, la descripción del balance térmico e hidráulico de la estruc-tura del suelo, finalmente se presentan modelos avanzados de transferencia de calor en el terreno.

61

Palabras clave: Conductividad, Difusividad, Calor específico, Temperatura superficial,Temperatura en profundidad, Modelos THM.

Keywords: Conductivity, Diffussivity, Specific heat capacity, Surface temperature,Temperature at depth, Thermal-Hydraulic-Mechanical models.

(*) Ingeniero Civil (CIV), Civil Engineer (ICE y ASCE). MSc. Mecánica delSuelo (DIC). Director General Ingeosolum, S.L.(**)Ingeniero Civil (SCI)(SCG). Master en Ingeniería Geológica (UCM).Ingeniero Proyectos Ingeosolum, S.L.


2.1. DESCRIPCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE SUELOSDescribir un suelo o una roca, puede ser una labor compleja,debido a su diferentes tipos de partículas y composiciones quí-micas, por lo que es necesario seguir una serie de metodologíascon definiciones y sistemas de evaluación de las propiedadesque la forman.

2.1.1. Tipos de sueloLos suelos se han clasificado en cuatro grandes grupos en fun-ción de su granulometría:

• Gravas, con tamaños de grano entre unos 8-10 cm y 2mm; se caracterizan porque los granos son observablesdirectamente, no retienen agua y posee grandes espa-cios o huecos entre sus partículas.

• Arenas, con partículas comprendidas entre 2 y 0,060mm, son observables a simple vista.

• Limos, con partículas comprendidas entre 0,060 y0,002mm. Se caracteriza por retener más agua que lossuelos anteriores.

• Arcillas, formadas por partículas con tamaños inferioresa los limos (0,002 mm). Están compuestas por estructu-ras internas y transformaciones químicas complejas.Todo esto produciendo que su capacidad de retener aguaes muy grande

2.1.2. Distribución granulométricaPara conocer la proporción de cada material que tiene unsuelo se realizan análisis granulométricos utilizando la víaseca para partículas de tamaños superiores a 0,075mm, y lagranulometría por sedimentación mediante hidrómetro (víahúmeda) para tamaños iguales o inferiores a 0,075 mm. Losprimeros se llevan a cabo tomando una muestra represen-tativa del suelo, secándola y disgregando en seco el con-junto de partículas. A esta muestra se le hace pasar por unconjunto de tamices, agitando el conjunto. Después se pesalo retenido en cada tamiz, con lo que, conocido el peso ini-cial de la muestra, se determina el porcentaje de materialque pasa por cada tamiz. Con éstos datos se elabora unacurva granulométrica de un suelo, la cual está compuestapor diversas curvas que corresponden a: a) Arenas con gra-vas, b) Arena fina, c) Arena limosa, d) Limo, e) Arcilla li-mosa.

2.1.3. Plasticidad La granulometría proporciona una primera aproximación a laidentificación del suelo, pero en ocasiones no es claro diferen-ciar entre la fracción arenosa, limosa y arcillosa de un suelo,por lo que se emplean unos índices, derivados de la ingenieríaagronómica, que definen la consistencia del suelo en funcióndel contenido de agua, a través de la determinación de la hu-medad: peso del agua del suelo dividido por el peso del sueloseco.

De tal forma que, Atterberg definió tres límites: el de re-tracción o consistencia que separa el estado sólido seco y elsemisólido, el límite plástico, que separa el estado semisólidodel plástico y el límite líquido, que separa el estado plásticodel líquido.

Determinados el límite líquido y el límite plástico, se en-cuentra el índice de plasticidad, el cual representa el intervalode humedades, para pasar del estado semisólido al semilí-quido. A partir de diversos estudios prácticos, Casagrande de-finió que los suelos con un límite líquido superior a 50, se defi-nen de alta plasticidad que admiten mucha agua en su

estructura interna, experimentan deformaciones plásticasgrandes.

2.1.4. Concentración de sólidos Para determinar el volumen relativo de huecos y contenido re-lativo de agua en un volumen de suelo, se emplea el índice deporosidad, n el cual relaciona el volumen de huecos con el vo-lumen total del elemento considerado y el índice de huecos ode poros, e el cual consiste en la relación entre el volumen dehuecos y el volumen de sólidos.

Adicionalmente, para estimar la concentración relativa desólidos y agua se utilizan varios parámetros:

• Peso específico de partículas, G, es el valor medio corres-pondiente a las diversas partículas. Se determina en la-boratorio, midiendo el volumen que ocupa una muestrade partículas por desplazamiento de un volumen de lí-quido en un recipiente lleno de agua y previamente ta-sado.

• Peso específico aparente seco, λd, es la relación entre elpeso de sólidos de la muestra y el volumen aparente queocupan.

• Peso específico aparente saturado, λsat, es la relación en-tre el peso de sólidos más el peso de agua de los huecos,y el volumen aparente de referencia.

• Peso específico aparente, λap, es la relación entre el pesode la muestra y su volumen aparente.

• Peso específico del agua, λw, es el peso del fluido intersti-cial.

• Humedad natural, es la relación entre el peso del aguaque contiene la muestra y el peso de sus sólidos, a deter-minar por secado en estufa.

• Grado de saturación, Sr, es la relación entre el peso delagua que contiene la muestra y el que tendría si estu-viera saturado.

• Densidad, ρ, es la relación entre la masa de suelo y suvolumen.

• Densidad relativa, Dr, es la relación existente entre larelación de e máxima, menos la e, sobre la e máxima y lae mínima.

2.1.5. PermeabilidadEste criterio describe las condiciones de flujo en medios po-rosos y otros aspectos relacionados con el agua en el suelo.Tal como se ha expresado anteriormente, un suelo es un con-junto de partículas entre las que existen huecos o poros in-terconectados, de manera que el agua puede fluir a travésde ellas.

En consecuencia, la mayor o menor facilidad para que seproduzca flujo será función de la granulometría del suelo. Porlo que es necesario definir el coeficiente de permeabilidad, k,de un suelo como un parámetro que mide la facilidad para queel agua circule a través de él, dicha permeabilidad dependeráde:

• La granulometría, la distribución de tamaños de los gra-nos del suelo.

• La densidad del suelo, para las mismas condiciones degranulometría, cuanto más denso el terreno menor serásu volumen de huecos y menor será su k.

• La forma y orientación de las partículas, ya que si lascondiciones de sedimentación dan lugar a orientacionespreferenciales, la permeabilidad podrá variar sustan-cialmente en función de la dirección del flujo.

CARACTERIZACIÓN TÉRMICA DEL TERRENO


3. PRINCIPIOS DE TRANSFERENCIA DE CALOREl calor se puede transferir de tres modos diferentes: con-ducción, convección y radiación. Todos los modos de transfe-rencia de calor requieren la existencia de una diferencia detemperatura y todos ellos ocurren del medio que posee ma-yor temperatura hacia uno que posee la temperatura másbaja.

3.1. CONDUCCIÓNLa conducción es la transferencia de la energía de las partí-culas más energéticas de un suelo hacia las adyacentes me-nos energéticas. Si se considera una conducción de calor enestado estacionario, la razón de transferencia de calor a tra-vés de una capa plana es proporcional a la diferencia detemperatura a través de ésta y al área de transferencia decalor, pero inversamente proporcional al espesor de esacapa; es decir:

(1)

En donde la constante de proporcionalidad k, es la conduc-tividad térmica, ΔT, la diferencia de temperaturas se define elgradiente térmico y Δx, el espesor terreno a atravesar. Tam-bién se conoce como la Ley de Fourier de la Conducción de Ca-lor (W/m°K).

3.2. CONVECCIÓN La convección es la transferencia de energía entre una su-perficie sólida y el líquido o gas adyacentes que están en mo-vimiento y comprende los efectos combinados de la conduc-ción y el movimiento de fluidos, entre más rápido es elmovimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calorpor convección.

La convección recibe el nombre de convección forzada si elfluido es obligado a circular sobre una superficie mediante me-dios externos, en contraste, se dice que es convección naturalsi el movimiento del fluido es causado por las fuerzas de em-puje que son inducidas por las diferencia de densidad debidasa la variación de la temperatura del fluido.

A pesar de la complejidad de la convección, se observa quela rapidez de transferencia de calor por convección es propor-cional a la diferencia de temperatura y se expresa mediante laLey de Newton de de Enfriamiento (W):

(2)

Donde, h es el coeficiente de transferencia de calor por con-vección (W/m2°K), As, es el área superficial a través de la cualtiene lugar la transferencia de calor por convección, Ts, es latemperatura de la superficie y T∞, es la temperatura del fluidoalejado de la superficie.

3.3. RADIACIÓN TÉRMICAEs la energía emitida por los cuerpos debido a su tempera-tura, la radiación es un fenómeno volumétrico, donde se ab-sorbe o se transmite energía. La razón máxima de radiacióntérmica que se puede emitir desde una superficie a una tem-peratura Ts, es expresada por la Ley de Stefan-Boltzmann(W):

(3)

Donde, σ, es la constante de Stefan-Boltzmann, σ:5,67x10-8

W/m2K4.

4. TÉRMINOS EMPLEADOS EN LA TRANSFERENCIADE CALOR

A continuación se realiza un breve listado de los términos yconceptos más empleados en la transferencia de calor y queson empleados con bastante frecuencia, en la modelación desistemas de captación geotérmica y cimentaciones termo acti-vas:

• Energía térmica, es aquella liberada en forma de calor.• Calor, Q, es la forma de energía que se puede transmitir

de un sistema a otro como resultado de la diferencia enla temperatura.

• Trabajo, W, es la forma de energía que no puede trans-mitir de un sistema a otro como resultado de la diferen-cia en la temperatura.

• Potencia, W, es el trabajo realizado por unidad detiempo.

• Temperatura, T, es una magnitud referida a las nocio-nes comunes de calor o frío. Físicamente es una magni-tud escalar relacionada con la energía interna de un sis-tema termodinámico.

• Energía total, E, es la suma de las diferentes formas deenergía, térmica, mecánica, cinética, potencial, eléctrica,magnética, química y nuclear.

• Energía interna, U, es la suma de todas las formas mi-croscópicas de energía. Se puede considerar que la ener-gía interna es la suma de las energías cinética y poten-cial de las moléculas.

• Energía sensible o calor sensible, es la parte de la ener-gía interna de un sistema que está asociada con la ener-gía cinética de las moléculas.

• Calor específico, c, es la energía requerida para elevaren un grado la temperatura de una unidad de masa desuelo. (kJ/Kg°K).

• Calor específico a presión constante, cp, es la energía re-querida para elevar en un grado la temperatura de unaunidad de masa de suelo, mientras la presión se man-tiene constante. (kJ/Kg°K).

• Calor específico a volumen constante, cv, es la energíarequerida para elevar en un grado la temperatura deuna unidad de masa de suelo, mientras el volumen semantiene constante. (kJ/Kg°K).

• Razón de transferencia de calor, Q, es la cantidad de ca-lor transferido por unidad de tiempo.

• Flujo de calor, q, es la razón de transferencia de calorpor unidad de área perpendicular, en la dirección detransferencia de calor.

• Gasto de masa, m, es la cantidad de masa que fluye através de una sección transversal por un medio de flujo,por unidad de tiempo.

• Conductividad térmica, k, es una medida de la capaci-dad de un material para conducir calor. (W/m.°K).

• Capacidad calorífica, Representa la cantidad de calor al-macenado en el terreno y es el producto entre la densi-dad del suelo y su calor específico ρc. (J/kg°K).

• Difusividad térmica, α, Representa cuán rápido se di-funde el calor por el terreno, para análisis de conducciónde calor en régimen transitorio. α=k/ρcp. (m2/s).

• Resistividad térmica: Propiedad de los materiales quedefine la dificultad de la conducción de calor a través deellos. (K·m/W).

Q A Temitida máx s s

.

, = σ 4

Q hA T Ts s

.( )= − ∞

Q k Tx

.= −

ΔΔ



• Inercia térmica: Propiedad que indica la cantidad de ca-lor que puede conservar un cuerpo y la velocidad conque la cede o absorbe del entorno. Depende de la masa,del calor específico de sus materiales y del coeficiente deconductividad térmica de éstos.

• Calor latente: es la energía absorbida por las sustanciasal cambiar de estado, de sólido a líquido.

4.1. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL TERRENOEl terreno es un sistema multifase con un complejo meca-nismo de intercambio de calor, compuesto por:

• Conducción.• Radiación.• Convección.• Vaporización y condensación.• Intercambio iónico.• Congelación y deshielo.La transferencia de calor presente en el terreno, ocurre

principalmente por conducción y en segundo lugar por convec-ción. La trasferencia de calor por convección es posible cuandoel agua cambia de fase (calor latente durante la vaporización ycondensación). En el terreno, usualmente la radiación contri-buye negativamente en el intercambio de calor, en materialesarenosos su efecto es menos del 1% del total de la transferen-cia de calor (Rees et al., 2000). Conjuntamente los procesos decongelación y de descongelación del terreno, pueden transferircalor de forma significativa, pero estos procesos deben ser evi-tados en las cimentaciones termo activas.

4.2. CONDUCCIÓN TÉRMICA EN EL TERRENOEs un proceso según el cual la energía pasa de una región a unmedio por medio de la transferencia molecular, según la Leyde de Transferencia de Calor de Fourier, tal como se ha men-cionado anteriormente. El principio se basa en que una trans-ferencia de calor estacionaria Q, atraviesa arbitrariamente unárea durante un tiempo t, lo que describe el flujo de calor en elterreno, el cual se expresa:

(4)

Donde, λ, es la conductividad térmica y ∂T/∂n, es el gra-diente de temperatura actual en la dirección del flujo n:

(5)

Si el tamaño de grano de las partículas del terreno y el tamañode los poros son pequeños en relación con el volumen de suelo con-siderado, el complejo proceso de transferencia de calor puede redu-cirse sólo a la conducción. La ecuación de flujo de calor en el te-rreno, puede escribirse en coordenadas rectangulares como:

(6)

Si la conductividad térmica y el gradiente de temperaturason constantes bajo un área y en su sentido del flujo conocido,la ecuación de flujo de calor en el terreno, puede ser asociada aun intercambiador térmico vertical, o a pilotes y micropilotestermoactivos, donde su radio R y longitud L, pueden ser modi-ficados en función de las necesidades de transferencia de calor,tal como se muestra a continuación:

(7)

La temperatura del suelo alrededor de un intercambiadorvertical, horizontal o pilotes y micropilotes termo activos, seincrementa en el ciclo de refrigeración y en el caso de calefac-ción la temperatura del terreno decrece, tal como se muestraen la figura 1.

El cambio de temperatura en el terreno es producto de unaalteración del flujo de calor en un periodo dado, lo que produceun cambio de la energía interna:

(8)

Derivando la ecuación de flujo de calor en el terreno conrespecto a las coordenadas espaciales y combinándola con laecuación de cambio de energía interna se obtiene:

(9)

Con la difusividad térmica α (m2/s) dada por :

(10)

Donde, λ (W/mK), es la conductividad térmica, cp (J/kg°K),es la capacidad calorífica específica (capacidad térmica), y ρ,(kg/m3) es la densidad del medio sólido del terreno. Si existeuna fuente de calor interno (generación de calor interno) en unvolumen de suelo la ecuación básica de conducción de calor seconvierte en:

(11)

Ecuación de cambio de energía interna, en coordenadasrectangulares se puede transformar en coordenadas cilíndri-cas con radio r, acimut Φ un eje z, tal como se muestra a conti-nuación:

(12)

∂∂

=∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

Tt

Tr r

Tr r r

T Tz

αϕ

2

2 2

2

2

2

21 1

∂∂

= +⋅

Tt

T Qic

αρ

Δ˙

α

λρ

=⋅ c

∂∂

=∂∂

+∂∂

+∂∂

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ = =

Tt

Tx

Ty

Tz

div gradT Tα α α2

2

2

2

2( ) Δ

−

∂∂

=∂∂

+∂∂

+∂∂

ρc Tt

qx

qy

qz

˙ ˙ ˙

Q̇ r L dT

dr= 2 λ

˙ ( )q T

xe T

yTz

e gradTx z= −∂∂

+∂∂

+∂∂

= −λ λ

∂∂

=∂∂

+∂∂

+∂∂

=Tn

Tx

e Ty

e Tz

e gradTx y z

˙

˙q Q

AtQA

Tncond = = = −

∂∂

λ



FIGURA 1. Curvas de temperatura en el suelo alrededor de unintercambiador geotérmico—Prof. Heinz Brandl.

Refrigeración:

La temperaturase incrementa

Calefacción:

La temperaturadecrece

T

T

r

.Q=2rλL

λ = Conductividad térmica

dT––– = Gradiente de temperaturadr

dT––– dr

4.3. CONVECCIÓN TÉRMICA EN EL TERRENOOcurre entre sistemas termodinámicos, que se mueven unorespecto a otro, (por medio de flujos de circulación). El suelodurante su fase sólida es estático, por lo tanto, solo se presentala convección con agua y la convección por gas, presentes ensus poros o intersticios. La transferencia de calor por fluidosde convección puede describirse de la siguiente manera:

(13)

Donde cw, es la capacidad calorífica específica del agua enel suelo, ρw, es la densidad del agua en el suelo, vw, es el vectorde velocidad del agua (vw=ki), y T´, es la temperatura de refe-rencia.

Una ecuación de convección similar se obtiene por vapor ogas presente en los poros del terreno:

(14)

Donde cv, es la capacidad calorífica específica del vapor desuelo.

La transferencia de calor latente en el terreno, ocurre comoresultado de un cambio de fase del agua (vaporización), quedepende principalmente de la cantidad de transferencia de ca-lor que ocurre en los poros del suelo. Este se incrementacuando decrece el contenido de agua, y puede se expresadamediante la expresión:

(15)

Donde L0, es el calor latente de vaporización a una tempe-ratura T´.

Por lo tanto, la transferencia de calor total en el terreno,puede ser definida según (Rees et al., 2000), como:

(16)

Donde qcond, es el flujo de calor, ql,conv, es el flujo de calor ge-nerado por la convección líquida, qv,conv, es el flujo de calor ge-nerado por la convección de vapor, y qlat, es el flujo debido alcalor latente.

Finalmente la completa descripción matemática de latransferencia de calor en el terreno, requiere de la suposiciónde condiciones iniciales y de frontera. El estado inicial consi-dera que la distribución de la temperatura respecto al tiempo.En cuanto a las condiciones de frontera, Adam & Markiewicz,2002, Hofinger, 2002, proponen tres diferentes hipótesis:

• Condición de frontera de Dirichelt. La temperatura dela superficie Ts, es constante o sólo depende del tiempo t.

• Condición de frontera Neuman. El flujo de calor q de lasuperficie es constante o que únicamente depende deltiempo t.

• Condición de frontera de Cauchy o mixta Neuman. Enla superficie del cuerpo se considera que el intercambiode calor ocurre con los líquidos o gaseosos alrededoresde la entidad que muestran una temperatura Tu. Segúnla ley de enfriamiento Newton, el flujo de calor es pro-porcional a la diferencia de temperatura entre el am-biente y la temperatura de la superficie, Tinterfaz. El fac-tor de proporcionalidad se define como el coeficiente detransferencia de calor α (W/m2 K).

Debido a las dificultades matemáticas, soluciones analíti-cas de estas ecuaciones, sólo son posibles para los casos senci-llos. Los problemas unidimensionales pueden ser resueltos fá-cilmente, ya que la ecuación de flujo de calor, que sólo dependade un sistema de coordenadas. En dos y tres dimensiones losproblemas se pueden resolver, en algunos casos, en una di-mensión mediante la combinación de soluciones.

5. ESTIMACIONES ANALÍTICAS Y NUMÉRICASLos intercambiadores de calor geotérmicos (verticales, horizon-tales o estructuras termo activas), empleados para la extrac-ción o el almacenamiento de calor, dependen de la forma y delos materiales empleados y son modelados como cilindros; lasconsideraciones energéticas, se estiman con sofisticadas consi-deraciones geométricas. Los siguientes casos básicos, se em-plean para simular la mayoría de los elementos de absorcióndiseñados comúnmente:

• Caso 1, cuerpo semi infinito: Simula el plano de las in-terfaces entre el suelo y la atmósfera (losas de cimenta-ción, muros de sótano, muros de contención, pantalla demicropilotes, micropilotes, muros diafragma, colectoreshorizontales y colectores trinchera).

(17)

• Caso 2, cuerpo cilíndrico infinito: Simula la longitud ver-tical de intercambiadores de calor en el terreno, y el po-tencial de almacenamiento y de extracción de calor delterreno.

(18)

• Caso 3, cuerpo esférico infinito: Simulación esféricatermo activa del terreno en un sistema abierto (estruc-turas subterráneas), es un modelo más aproximado parael cálculo de almacenamiento y extracción de calor enpozo.

(19)

Soluciones analíticas están sólo disponibles para el caso 1(cuerpo semi infinito), considerando simples condiciones defrontera. Condiciones de frontera más complicadas requieren

∂∂

+∂∂

=∂∂

2

22 1

rr t

r rr t

tr tθ θ

αθ( , ) ( , ) ( , )

∂∂

+∂∂

=∂∂

2

21 1

rr t

r rr t

tr tθ θ

αθ( , ) ( , ) ( , )

∂

∂=

∂

2

21

xx t

tx tθ

αθ( , ) ( , )

˙ ˙ ˙ ˙ ˙, ,q q q q qtot cond conv v conv lat= + + +1

q̇ Llat w v= 0ρ υ

q c T Tconv v v v1, ( )= − ′ρ υ

q c T Tconv w w w1, ( )= − ′ρ υ



FIGURA 2. Principios de intercambio geotérmico en el terreno.

Conducción

Convección

soluciones semi analíticas que reduzcan la ecuación diferen-cial. Para lograrlo Adam & Markiewicz, 2002, Hofinger, 2002,proponen la llamada función de error de Gauss, la cual actúacomo complemento a la función para darle una solución numé-rica, de la siguiente manera:

(20)

Donde ζ, es el límite de integración y w, es la variable deintegración. Esta función de error es también la base para lasolución del caso 3 (cuerpo esférico infinito). Independiente-mente de condiciones de frontera, el caso 2 (cuerpo cilíndricoinfinito) sólo puede encontrar numéricamente usando ecuacióndiferencial.

5.1. CUERPO SEMI INFINITO (CASO 1)Este modelo matemático ha sido elaborado para diferentescondiciones de frontera y de suministro o de la pérdida de ca-lor en la superficie, Adam & Markiewicz, 2002, Hofinger, 2002.

En primer lugar, se supone una oscilación armónica tempe-ratura en la superficie (o mixto Cauchy Neuman condición defrontera), con la transferencia de calor entre el suelo y el aire.Así, el diario o las fluctuaciones estacionales de temperaturaentre el suelo y la atmósfera pueden ser tratadas, en virtuddel un lapso de tiempo. Esto dependerá de la profundidad con-siderada para el intercambiador, y puede incluso provocar uncomportamiento anticíclico estacional en el histograma de lamedia diaria de temperatura del aire Tm,out. La superficie deun cuerpo semi infinito, supone que el intercambio de calorcon el aire, que realiza una oscilación sinusoidal de tempera-tura Ft.

Además, suponiendo que el período transitorio de las pri-meras vibraciones se encuentran en estado de equilibrio. Enestas condiciones la temperatura del suelo, fluctúan deacuerdo con el promedio anual de temperatura del aire Tm,out,si los efectos de la radiación y la energía geotérmica gradiente

de temperatura varían. Sin embargo, la disminución de ampli-tud con profundidad debido a la inercia térmica del suelo. Unafunción que cumple la ecuación diferencial de cambio de ener-gía interna, con las anteriores condiciones de frontera es:

(21)

Donde,

(22)

(23)

(24)

(25)

Tm,out, es el promedio anual de temperatura del aire (°C),Tm*,out es el promedio diario de la temperatura del aire (°C),ΔTout, es la temperatura de amplitud (°C), w=2π/P (1/s),ΔTout, es el período de duración de la oscilación de tempera-tura (s), d, es la amortiguación de profundidad, y α, es el coefi-ciente de transmisión de calor entre el suelo y el aire.

En la superficie (z = 0), la solución se reduce a:

(26)

Como puede apreciarse, la amplitud de la temperatura dela superficie se reduce en función del factor η<1, en relacióncon la temperatura del aire y, además, sufre un desfase de con-dicionado por ε. La siguiente ilustración presenta la profundi-dad de las curvas de tiempo para un período completo en dife-rentes momentos.

T t T T tm out out( , ) cos( ),0 = + −Δ η ω ε

k

d P= =

λα

λα

πα

ε =

+arctan k

k1

η =

+ +1

1 2 2 2k k

d P

= =2αω

απ

T z t T T e t z

dm out outz d, cos ( ),( ) = + − −

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

−Δ η ω ε

erfc e d( )ζ

πωω

ζ= − −∫1 2 2

0



FIGURA 3. Distribución detemperatura del terrenodebida a la oscilación

armónica de la temperaturaexterior-Prof. Heinz Brandl.

Parámetros del terrenoConductividad térmica λ: 2,5 W/m°KDensidad ρ:2700 kg/m3

Calos específico c: 800 J/kg°K

Parámetros de OscilaciónTm,aire: 10°CΔTaire:15°Kαs: 30 W/m°KP : 365x24x3600:31536000sW:2π/P:1,99238x10-7s-1

2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0

25

20

15

0

5

–5 Profundidad, z: m

Tem

pera

tura

°C

t = 0

t = –P/8

t = 2–P/8

t = 3–P/8

t = 7–P/8t = 6–P/8

t = 5–P/8

t = –P/2

5.2. TRANSFERENCIA TÉRMICA ENTRE EL FLUIDOINTERCAMBIADOR, EL CONCRETO Y EL TERRENO

El uso práctico de todos los conceptos anteriormente descritos,proporcionan las herramientas para la explotación eficiente dela energía geotérmica superficial, para la cual es necesaria la in-teracción de varias disciplinas como lo son la termodinámica, lahidráulica y la ingeniería del terreno reunidas en una sola.

Para modelar la transferencia de calor entre un intercam-biador geotérmico (intercambiador vertical, pilotes o micropilo-tes termo activos), el terreno, el fluido intercambiador y las pa-redes de la tubería de polietileno de alta densidad, tienen lamisma o similar temperatura que la lechada u hormigón. Estesupuesto depende inicialmente del comportamiento del flujo yde su régimen hidráulico, si es laminar o turbulento. En la fi-gura 4 se muestra una ilustración con las variables térmicasque intervienen en un micropilote termo activo.

6. ENSAYOS TIPO Y EQUIPOS DE MEDICIÓNPara una adecuada caracterización térmica del suelo, es nece-sario conocer sus propiedades índice, sus propiedades térmicasy sus respuesta térmica ante flujos de calor controlados, talcomo se presenta a continuación:

6.1. PROPIEDADES ÍNDICE DEL TERRENO • Humedad natural, UNE_103300.• Plasticidad, UNE_103103/04/05.• Peso unitario,• Densidad, UNE_103302• Índice de poros, UNE_103405• Granulometría, UNE_103101.• Grado de Saturación,• Permeabilidad, UNE_103403.

6.2. PROPIEDADES TÉRMICAS Y SU RESPUESTA ANTE FLUJOSDE CALOR CONTROLADOS

6.2.1. Conductividad en laboratorio y en campo• ASTM E1225-04, la muestra monta entre dos discos de

material conocido. La potencia por unidad de superficietransferida a través del material, debe equiparase a lapotencia a la potencia requerida para materiales están-dar de conductividad conocida. Esta prueba contrasta laconductividad térmica de un material conocido con unode un material estándar.

• ASTM C518-04, la muestra es instalada entre dos lámi-nas delgadas, de un material de conductividad térmicaconocida y la energía que fluye a través del sistema seinfiere de las medidas exactas de la caída de tempera-tura través de las placas delgadas.

• ATM C177-99, método de plato caliente, se utiliza paramedir la conductividad de muestras para aislamientotérmico. Este método es apropiado para los suelos, aun-que su rango de medición de conductividad es baja, de-bido al tamaño de las muestras requeridas.

• ASTM C1113-99, método de aguja caliente, es muyusado para determinar la conductividad térmica en sue-los y rocas blandas tanto en laboratorio como in situ. Po-see un calorímetro que se introduce, en un prehueco rea-lizado sobre la muestra, midiendo la diferencia detemperatura radial en toda la muestra.

• ASTM D5334-00, procedimiento de sonda térmica conaguja de corriente constante. La variación en la tempe-ratura se controla con el tiempo, y así determinar la con-ductividad en condiciones estacionarias. Esta sonda seutiliza en las muestras de laboratorio de suelos y en lossuelos cercanos a la superficie.



FIGURA 4.

T: Temperatura.

ΔT/L: Gradiente de temperatura.

t: Tiempo–periodo.

ρ: Densidad agua-suelo.

λ: Conductividad térmica del materialen contacto.

c: Capacidad térmica específica.

e: Relación de vacíos.

GW: Agua subterránea.

α: Difusividad térmica del materialen contacto.

s: Periodo de duración de la oscilaciónde la temperatura.

Nu: Número de Nusselt.

R: Número de Reynolds.

ν: Velocidad del flujo.

ε: Espesor laminar del fluido.

Micropilote Activo

T. Calor Tubería–Fluido Absorción

T. Calor Fluido Absorción

Fluido de entrada al terreno

Fluido de salida del terreno

T. Calor Hormigón–Tubería

Conducción Calor–Hormigón

Conducción Calor–Tubería

T. Calor Terreno–Hormigón

T. Calor Terreno

6.2.2. Resistividad en laboratorio y en campo• IEEE 442-1981, método basado un conocimiento pro-

fundo de las propiedades térmicas del terreno, que per-mite instalar correctamente y establecer la carga ade-cuada de los cables subterráneos.

6.3. ENSAYOS DE RESPUESTA TÉRMICA IN SITUPara el cálculo de cualquier sistema de captación geotérmicade baja temperatura, es necesario conocer las propiedades tér-micas del terreno, con el fin de aumentar la eficiencia energé-tica de los intercambiadores geotérmicos.

El Ensayo de Respuesta Térmica ERT, es un método paradeterminar las propiedades térmicas del terreno in-situ, me-diante la inyección constante de calor a un sondeo y así medirla temperatura de respuesta térmica del mismo.

6.3.1. Componentes del equipoA continuación se describen los componentes del equipo desa-rrollado por INGEOSOLUM.

• Termómetro para la temperatura del aire exterior.• Termómetro para la temperatura del aire interior.• Regulador de llenado y válvulas de purga de todo el sis-

tema.• Termómetro para la temperatura del fluido de entrada.• Termómetro para la temperatura del fluido de salida.• Sistema de seguridad que interrumpe el ensayo cuando

cae la presión por debajo de 1bar.• Termostato que regula la temperatura del fluido a 80°C.• Sistema de seguridad de apagado de emergencia si la

temperatura del fluido supera los 95°C.• Bomba de circulación de velocidad ajustable.• Contador de energía.• Válvula de liberación de presión >3 Bar.• Calentador con una potencia de 9 kW, ajustable en pa-

sos de 1 kW.

• Medidor de presión.• Medidor de caudal. • Data-logger para la toma y almacenamiento de los datos

recogidos.• Modem GSM para la consulta de datos.

6.3.2. Base teóricaCalor de Conducción:La extracción de calor se basa en la ecuación clásica de con-ducción de calor [4], desarrollada por Fourier en 1822, la cualconsidera que el medio es homogéneo, isotrópico y continuo:

(27)

Donde T es la temperatura (°K), t es el tiempo en (s) y α esla difusividad térmica (m2/s), y definida por:

(28)

Donde λ es la conductividad térmica (w/m°K), ρ es la densi-dad del terreno kg/m3 y cm es el calor específico por unidad demasa.

Por consiguiente a mayor difusividad térmica α, más rápidaes la propagación de calor en el medio. A partir de la ecuación[4], puede observarse que, cuando el proceso de conducción decalor llega a un punto constate o de equilibrio, la temperaturasobre el terreno se hace independiente del tiempo y a su vez dela difusividad térmica. En este punto el calor por conducciónpasa de ser transitorio a un estado de equilibrio de intercambiotérmico. Por otra parte, cuando el coeficiente de almacena-miento ρcm de un material disminuye, la influencia del estadode equilibrio térmico, se convierte en una condición de estadomuy importante para determinar la duración del tiempo de du-ración del ERT, y de la capacidad máxima de extracción de ca-lor que podemos obtener en un terreno específico.

La conductividad térmica λ, es uno de los parámetrosmás importantes para diseñar un intercambiador geotér-

α

λρ

=* cm

α∇ =

∂∂

2T Tt



FIGURA 5. Equipo para larealización del Ensayo deRespuesta Térmica ERT deINGEOSOLUM.

Caudalimetro Calentador

Datalogger

Termocuplasalida ERT

Inyección decalor al terreno

Retorno de lainyección al terreno

Bomda de recirculación

Termocupla entradaERT

mico. Esta propiedad del terreno depende de la densidad, latemperatura, la forma de las partículas, la porosidad, el con-tenido de humedad y la composición mineral del suelo. Aun-que en la literatura existen valores de referencia publicadospara los diferentes tipos de terrenos, el gran impacto y di-versidad de factores específicos de la conducción térmica deuna determinada formación de suelo o roca, hace muy difícilpronosticar la conductividad térmica λ, sin realizar un ERTin-situ.

El diseño de un intercambiador geotérmico, también de-pende en gran manera de la resistencia térmica Rb, entre elcalor del fluido intercambiador y el exterior de la pared de per-foración (°K/(w/m)). Rb depende del diámetro de la perforación,del tipo de avance, de los materiales empleados y sus propie-dades térmicas.

6.3.3. Ensayo de respuesta térmica (ERT)Una vez realizado el sondeo e incorporada la sonda geotér-mica, se conecta al circuito del equipo de ERT. La prueba seinicia con la circulación del fluido intercambiador, sin calefac-ción, hasta que la temperatura encuentre su equilibrio. Estaoperación proporciona la temperatura inicial y su duración os-cila entre 12 y 16 horas. Seguidamente el equipo de calefacciónse enciende con la potencia necesaria para una inyección decalor según la ecuación [28].

Durante la prueba, se debe registrar la siguiente informa-ción:

• Temperatura de entrada y salida de las sondas geotér-micas.

• Temperatura interna y externa del equipo de ERT.• Presión y caudal en el sistema.• Consumo eléctrico (contador).Finalmente se prepara un informe de la prueba con el si-

guiente contenido: Gráficos con la evolución de la tempera-tura, el caudal y la presión, antes y después de la inyección decalor al terreno, determinación del perfil de temperatura, con-ductividad térmica del terreno y respuesta térmica del sondeo.

Problemas comunes durante la realización del ERT:A continuación se mencionarán algunas de las acciones ajenasal ensayo que pueden afectar la calidad de la prueba:

• Seleccionar un tipo perforación inadecuado que alteretérmicamente el terreno.

• Dosificación bentonita-cemento del relleno.• Selección de las sondas geotérmicas. Deben cumplir los

requerimientos térmicos, de presión de instalación y depresión de funcionamiento.

• Un ERT no debe realizarse, en la medida que sea posi-ble, inmediatamente después de realizar el sondeo, yaque los elementos de corte sobre el terreno le proporcio-nan calor al sistema. Es necesario iniciar la prueba va-rios días después.

• Se debe garantizar el suministro continuo de energía, yaque una caída del suministro eléctrico, se reflejaría en elperfil de conductividad térmica del proyecto, el cualdebe reportarse y posteriormente interpretarse.

6.3.4. Configuración de los parámetros de la pruebaEl nivel de potencia eléctrica a suministrar, debe mantener latemperatura del fluido intercambiador, con la mínima posibledesde el inicio hasta el final de la prueba. El rango de valoresmás usados de calor de inyección suelen estar entre 9-50 w/m

durante la prueba. Este nivel de potencia depende además delflujo de calor q, y de la profundidad del intercambiador:

(29)

Durante la prueba, normalmente, el flujo presenta régimenturbulento, sin embargo el tipo de flujo (Laminar o Turbu-lento), debe elegirse en función de la diferencia de tempera-tura entre la entrada y salida del intercambiador de calor. Loideal sería que la diferencia de temperatura se mantenga en-tre 3 y 5°K, para ello podemos emplear la siguiente expresión:

(30)

Donde Cv es la capacidad calorífica volumétrica específicadel agua (J/m3°K), Q es el flujo a través de la sonda geotérmica(m3/s) y ΔTentrada-salida es la diferencia de temperatura del fluidoa la entrada y salida en (°K).

Durante la ejecución de la prueba, el fluido intercambiadoreleva su temperatura, el cual puede inducir un proceso de con-vección interna, para evitar esta perturbación a lo largo de lasonda geotérmica, el incremento de la temperatura durante laprueba ΔTentrada-salida, no debe exceder de 30° a 35°C, este au-mento se estima empleando las siguientes relaciones (Eskil-son, 1987).

(31)

Donde Rq, es la respuesta técnica del suelo (K/(w/m), y sepuede determinar a partir de:

(32)

Y λ es la conductividad térmica (w/m°K), α es la difusividadtérmica (m2/s), t es el tiempo en (s), rb es el radio del sondeo y γes la constante de Euler (0.5772).

El tiempo mínimo requerido para una correcta medicióndel ensayo de ERT, presenta diferentes criterios según las re-comendaciones de diferentes investigadores, es así que Austin,et al. (2000), encontraron que la duración de la prueba debeser de 50 horas para ser considerada como satisfactoria, paralas instalaciones de intercambiadores energéticos verticales tí-picos. Gehlin (1998) recomienda que la prueba tenga una du-ración de unas 60 horas. Smith y Perry (1999a) afirman que12–20 horas de medición es suficiente. En general, los ensayosde corta duración dan una respuesta conservadora, es decir,una baja estimación de la conductividad térmica. Witte, et al.(2002) realizaron ensayos con más de 250 horas de pruebapara fines de investigación; sus ensayos comerciales son de 50horas de duración. Austin, et al. (2000) y Witte, et al. (2002)han comparado diferentes pruebas de duración, que aún estánen proceso de estandarización.

6.3.5. Cálculo de la conductividad térmicaLa respuesta térmica del terreno λ y la resistencia térmica desondeo Rb, no pueden medirse directamente, sino que debeninferirse, de las mediciones registradas durante la elaboraciónde la prueba.

Para dar solución a ello varios autores han proporcionadosoluciones. En este artículo sólo se presenta la empleada conmayor frecuencia:

Fuente de línea continuaEste modelo asume que la transferencia de calor cerca del son-deo, durante la prueba, es puramente conductiva en dirección

R t

rqb

=⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟−

14

4πλ

αγln

ΔT R R qq b= +( ) *

P C Q Tv entrada salida= −* * Δ

P q H= ×



radial y constante a lo largo de la perforación. Al inyectar ca-lor, la relación entre la temperatura del fluido y la tempera-tura en la pared del orificio es:

(33)

Donde; Rb es la resistencia térmica entre el fluido contenidoen las tuberías y la pared del sondeo, q es el cambio de tempe-ratura debido al flujo de calor.

De tal forma que la temperatura del flujo en función deltiempo puede escribirse de la siguiente forma:

(34)

Para

(35)

donde:Tf (t): temperatura media del fluido de intercambio

(Tentrada+Tsalida)/2.Q: potencia inyectada (W).λ: conductividad térmica (W/m°K).H: profundidad efectiva del sondeo (m).t: tiempo después de inyección de calor (s).α: difusividad térmica (m2/s).rb: radio del sondeo (m).γ: Constante de Euler (0,5772).Rb: resistencia térmica (K/(W/m).To: temperatura no perturbada de la tierra °C.

La ecuación anterior se asocia con la siguiente ecuación dela recta y = mx+b:

(36)

donde:

(37)

(38)

Por consiguiente encontrando la pendiente de la tempera-tura media del fluido con relación al logaritmo neperiano de lacurva del tiempo de respuesta térmica, es posible determinarel valor de λ, con la siguiente expresión:

(39)

Una vez estimado el valor de λ, se calcula la magnitud deRb, mediante la siguiente expresión:

(40)

donde:Tf (t): temperatura media del fluido de intercambio.T0: temperatura no perturbada del terreno (°C).H: profundidad efectiva del sondeo (m).Q: potencia inyectada (W).λ: conductividad térmica (W/m°K).α: difusividad térmica (m2/s).t: duración la fase de calentamiento (s).rb: radio del sondeo (m).γ: Constante de Euler (0,5772).

6.3.6. Métodos alternativosExiste una amplia gama de ensayos para determinar la con-ductividad térmica del terreno en laboratorio, desarrolladas enlos Estados Unidos y en el Reino Unido, las cuales están dise-ñadas en su mayoría para muestras cilíndricas, obtenidas enla exploración geotécnica.

Estos ensayos son realizados en laboratorios con tempera-tura ambiente controlada, donde la muestra antes de ser ensa-yada, no debe experimentar cambios térmicos.

La preparación de la muestra es similar a la de un espéci-men para un triaxial convencional, la cual se introduce dentrode dos piezas que contienen elementos de calefacción, con ins-trumentos de medición de temperatura incorporados en lamuestra de terreno, en las platinas confinantes superior e in-ferior y en el medio ambiente.

El modelo de análisis asume que el suelo ensayado es ho-mogéneo e isotrópico y que la conducción térmica es radial yconstante.

Las etapas generales de este tipo de pruebas son:• Suministro de una fuente constante de calor durante 6

minutos y medición de la temperatura inicial.• Mantener el flujo de calor y medir la temperatura du-

rante 5 horas.• Determinar la temperatura de equilibrio térmico.• Medición de la temperatura en la fase de enfriamiento,

después de cortar el flujo de calor.Las propiedades térmicas de la muestra de terreno son:• Conductividad térmica. • Resistividad térmica.• Capacidad calorífica específica.• Difusividad térmica.

Desventajas de los métodos alternativosLas pruebas en laboratorio para determinar las característicastérmicas de los suelos, son difíciles y delicadas de llevar a cabodebido a las siguientes razones:

• La calidad de la muestra, ya no está bajo sus condicio-nes de confinamiento natural, para tratar de reconstruirestas condiciones se necesitaría un triaxial.

• No se tienen en cuenta las condiciones hidrogeológicasdel terreno.

• Las condiciones de volumen y porosidad iniciales hanvariado bruscamente.

• Existe una cambio de la humedad natural, densidad ycondiciones de frontera.

En síntesis los métodos alternativos, pueden servir deapoyo y de información complementaria a la medición de res-puesta térmica realizada in situ, la cual es la que representamejor las propiedades térmicas del terreno bajo todas sus con-diciones de frontera.

6.4. MÉTODOS ALTENATIVOS • Teledetección, sensores remotos, para determinar la di-

fusividad térmica, de la capa superficial del terreno.• Gravimetría, técnica geofísica que se emplea para en-

contrar focos calientes en el subsuelo.• Diagrafías, técnica geoeléctrica que registra propiedades

físicas del terreno, mediante el uso de sondas en sondeosverticales.

R HQ

x T T trb fb

= − −⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟−

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟( ) ln0 2

14

4πλ

αγ

λ

π=

QkH4

m QH r

R Tb

b= −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟−

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟+

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

14

42 0πγα

γln

k Q

H=

4πλ

T t k t mf ( ) * ln= +

t r

ab≥

5 2

T t QH

t QH r

R Tfb

b( ) ln( ) ln= + −⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟−

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟+

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥4

14

42 0πλ πγα

γ

T t T t q Rfq

bq

b( ) ( ) *= +



7. MODELOS AVANZADOS DE TRANSFERENCIADE CALOR EN EL TERRENO

El terreno es un material difícil de modelar debido a que se en-cuentra sujeto a una serie de procesos que actúan conjunta-mente y de forma acoplada, es decir, que dichos procesos se re-lacionan entre si. El modelo Térmico-Hidráulico-Mecánico(THM), ofrece una serie códigos numéricos, que permiten la si-mulación de procesos de flujo multifásicos y resolver ecuacio-nes constitutivas que regulan el comportamiento termo, hidro,mecánico del suelo, desarrolladas principalmente por la Uni-versidad Politécnica de Cataluña. En las figuras 7 y 8 se pre-senta una breve descripción del modelo y de sus leyes constitu-tivas realizadas por el profesor Lyesse Laloui, quien harealizado modelos THM, para geoestructuras y cimentaciones

termo activas, como pilotes, muros de contención y losas de ci-mentación.

8. COMENTARIOS FINALESLa caracterización térmica del suelo ofrece herramientas queayudan a los diseñadores de intercambiadores geotérmicos yde estructuras termo-activas a incrementar el grado de conoci-miento de las propiedades térmicas, hidráulicas y mecánicasde los suelos, muy enfocadas en determinar la respuesta tér-mica, ante diferentes escenarios de inyección o extracción decalor.

Las propiedades índice del terreno, como la humedad na-tural, el peso unitario, la densidad y el índice de poros, delmismo modo parámetros térmicos como, la conductividad



FIGURA 6. Equipo para larealización del Ensayo de

Respuesta Térmica del Terrenoen laboratorio desarrollado

por Peter Keeton.

FIGURA 7. Esquema básicodel Modelo THM del Prof.Lyesse Laloui.

Conducción de Calor

T

Esfuerzo – Deformación

M

Porosidad

Tensiones Térmicas Tensio

nes T

érmica

s

Cambio

de su

cción

Poros

idad

Flujo de Agua y Gas

H

Conducción TérmicaCalor Específico

Densidad fluidoViscosidad fluido

térmica, la difusividad térmica y la capacidad calorífica delmaterial, son determinantes en el diseño de intercambiado-res geotérmicos y de geoestructuras activas energética-mente.

Finalmente el conocimiento de las propiedades físicas y tér-micas del terreno, contribuye en el diseño de estructuras ecoe-ficientes que se beneficien del uso de la geotermia de baja tem-peratura. En dichos proyectos, intervienen especialistas dediferentes áreas, generando equipos de trabajo multi e interdisciplinares, debido a que el intercambio de calor entre las es-tructuras y el terreno, No puede considerarse de forma sepa-rada y requiere de un trabajo mancomunado entre especialis-tas en las áreas de climatización, bombas de calor geotérmicase intercambio de calor en el terreno.

9. REFERENCIASBowles, J. E. (1988). Foundation Analysis and Design. FourthEdition, McGraw-Hill Book Co., 1221 Avenue of the Americas,New York.

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FIGURA 8. Leyes Constitutivaspara un modelo THM del Prof.Lyesse Laloui.

Ley de Fourier

T

Ley Termo Viscoplasticidad

M

Ley de Darcy

H

PermeabilidadConductividad TérmicaCalor Específico

• Modulo de Young [Parámetro Elástico]

• Presión Preconsolidación [Parámetro de endurecimiento]

• Ángulo de fricción [Parámetro Plástico]

• λ, α y T [Parámetros Termo Elastoplásticos]

1. CONSIDERACIONES GENERALESEn todo proyecto geotérmico se deben aunar diferentes técnicasy principios. El éxito del mismo consistirá en que todos los facto-res hayan sido considerados con los máximos niveles de calidadexigibles. Un proyecto geotérmico se puede dividir en tres gran-des bloques: estudio de climatización de la demanda energéticadel edificio, procedimiento de realización del sondeo o pozo verti-cal y análisis de la oferta energética que el subsuelo nos brinda.

Dentro de cada uno de ellos la tecnología disponible nospermite alcanzar el actual estado del arte. Los estudios de Ar-quitectura llevan años disminuyendo la demanda energéticade la edificación, no solo debido a la necesidad impuesta por lanormativa vigente a través del CTE, sino mediante la utiliza-ción de materiales y sistemas que emplean tanto la inercia tér-mica del edificio, como elementos bioclimáticos, redundandopositivamente en la consecución de inferiores valores de con-sumo específico por cada metro cuadrado.

Los profesionales de la perforación y cimentación están mo-dificando su parque de maquinaria con equipos especialmente

adaptados a la geotermia de baja entalpía: equipos provistosde doble cabeza de rotación, tres mordazas, utilización de “pre-venter”, equipamiento anexo para alcanzar las profundidadesestablecidas en el diseño del proyecto así como para garantizaruna adecuada protección medioambiental.

El análisis del terreno y la obtención de la oferta energéticadel mismo se debe realizar con rigor y precisión. El dimensiona-miento de los pozos repercute en el futuro en el consumo de lainstalación y en el posible agotamiento del terreno. A partir deuna potencia de 30 kW y de acuerdo con la Norma VDI 4640, larealización de un ensayo de respuesta térmica in situ permitirála optimización de la instalación, gracias al conocimiento másdetallado de la oferta energética que el subsuelo proporciona.

Por debajo de esa potencia resulta una labor ardua la reali-zación del diseño de intercambiadores para viviendas o insta-laciones, al no existir tablas ni ábacos disponibles en los paíseseuropeos de nuestro entorno, ya que en la mayoría de los casostodas estas instalaciones se llevan a cabo para trabajar condos modos de funcionamiento: calefacción y refrigeración.Como es sabido, los países más avanzados en el aprovecha-miento de la energía geotérmica de baja entalpía la han em-pleado históricamente para proporcionar calefacción, de ma-nera que si todo proyecto geotérmico es un prototipo en sí

Optimización económica en unainstalación geotérmica:“Material de relleno”

JUAN A. DE ISABEL (*)

ECONOMICAL OPTIMIZATION IN GEOTHERMAL PROJECTS: “FILLING MATERIAL”ABSTRACT In shallow geothermal energy applications, the filling material through the borehole is considered as a mainfeature in every geothermal project. The use of an adequate filling material decreases the necessary number of linear metersfor a correct geothermical exchange, droping the pay back period of the installation as well. The use of this kind of materialin the field of single-family houses means a direct benefit to the owner, as the installation will increase its seasonalperfomance factor, droping the electrical consumption. Likewise in big geotermal projects the optimization of theinstallation can only be achieved with the use of a proper geotermal filling material.

RESUMEN En las aplicaciones geotérmicas de muy baja entalpía, el relleno del espacio anular de los sondeos geotérmicoses considerado cada vez más como un elemento clave en estas instalaciones. La utilización de una suspensión de alta con-ductividad térmica permite una disminución en el número de metros lineales de intercambio, reduciendo el tiempo de amor-tización de la instalación. Su aplicación en viviendas unifamiliares redunda directamente en el usuario, con una reducciónen el consumo debido al incremento del rendimiento estacional de la instalación; en grandes proyectos es una de las varia-bles claves para la optimización económica del proyecto completo, al disminuir el número de metros de geointercambio.

73

Palabras clave: Geotermia de muy baja entalpía, Sondeos geotérmicos, Material de relleno,Conductividad térmica, Rendimiento estacional.

Keywords: Shallow geothermal energy, Geothermal boreholes, Filling material,Thermal conductivity, Seasonal performance factor (SPF).

(*) Director Gerente – GEOTER / GEOTHERMAL ENERGY S.L.


mismo, los proyectos realizados en España necesitan con másmotivo un estudio y una simulación previa.

Son múltiples los factores clave para garantizar estos tiposde instalación energética en España, pero la tecnología y técni-cas referentes a la perforación, introducción de sondas, tipo ycalidad de las mismas, e inyección con material de relleno sonlos que deben ser considerados con mayor atención, debido alhecho de permanecer inaccesible durante toda la vida útil dela instalación, una vez ha sida ejecutada.

Esta partida representa un gran porcentaje del coste delproyecto total y la optimización económica de la misma deberealizarse considerando la instalación de manera completa, ycon el objetivo de reducir el plazo de amortización de lamisma, en lugar de intentar “abaratar” dicha partida acarre-ando una disminución grave en los niveles de calidad necesa-rios que dicha instalación necesita para su funcionamiento alargo plazo y para la sostenibilidad por lo que respecta al te-rreno.

OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA EN UNA INSTALACIÓN GEOTÉRMICA: “MATERIAL DE RELLENO”


FIGURA 1. Equipo deperforación geotérmica

equipado con “preventer”(Fuente: Klemm Bohrtechnick).

FIGURA 2. Realización deTRT en el centro de Madridpor técnicos de Geoter.(Fuente:Geoter).

La perforación se debe realizar con la profundidad determi-nada por el dimensionamiento energético, se deben utilizarconductos de polietileno de alta densidad con la calidad mar-cada por Normativa VDI ó SIA, y hay que emplear un mate-rial de relleno adecuado a la hidrogeología existente.

El objeto de este artículo es presentar la importancia que el“material de relleno” tiene en todo sondeo tanto para usuariosfinales, proyectistas, coordinadores de planificación y autorida-des dedicados al tema de los sondeos geotérmicos.

2. EL MATERIAL DE RELLENOEn general, en el mercado se habla de distintas posibilidades,por ejemplo, lechada de cemento, suspensión de cemento-ben-tonita o sellado conductivo. Sin embargo, la denominación téc-nica de los productos acabados y aptos para ser utilizadoscomo relleno es: “material de relleno o sellado”. Los distin-tos fabricantes existentes combinan las materias primas con-tenidas en el material de relleno adecuadamente para garanti-zar las propiedades específicas del producto. Gran parte dedichos productos son sistemas de multicomponentes muy com-plejos.

El abanico de proveedores es naturalmente muy amplio,siendo este aspecto positivo. Sin embargo, los diferentes pro-ductos se diferencian –en parte muy claramente– por sus pro-piedades, como por ejemplo por: su contenido en sólidos, resis-tencia a la presión, permeabilidad al agua, propiedades deflujo y conductividad térmica; lo que determina también engran medida la diferencia de precios. Esta diferencia en losprecios equivaldrá consecuentemente a un incremento del ren-dimiento estacional de la instalación (SPF), produciéndose unadisminución de la factura energética futura.

Aunque el sobrecoste inicial en la perforación correspon-diente a la utilización de material de relleno de buena calidadrepercute en unos determinados plazos de amortización, estosson cortos y se garantiza el funcionamiento de la instalación.En las grandes instalaciones permite disminuir el número demetros lineales de intercambio energético necesario, de ma-nera que se compensa rápidamente dicho incremento econó-mico. Según define la directriz VDI 4640 [1], todos estos pro-ductos deben cumplir las siguientes funciones:

• Garantizar la transmisividad del calor desde el subsuelohasta la sonda geotérmica.

• Permitir el restablecimiento de los estratos que separandistintas capas freáticas.

• Evitar la entrada de posibles fugas de fluido caloportador.

3. PREPARACIÓN DEL MATERIAL DE RELLENOPara conseguir un relleno homogéneamente cohesionado, elmaterial de relleno –en particular, respecto de la técnica o elsistema de inyección– debe ser una suspensión fácilmentebombeable y con un volumen definido. En este contexto, las si-guientes propiedades o características del material son muyimportantes:

• Razón entre agua y sólidos (coeficiente W/F).• Densidad de la suspensión.• Desprendimiento de agua.• Reología de la mezcla.El factor más importante a la hora de mezclar el material

de relleno es el cumplimiento del coeficiente entre agua y sóli-dos (coeficiente W/F) especificado por el fabricante. Este coefi-ciente representa el cociente de masa determinado por la can-tidad de agua y de material de construcción necesario. Las



FIGURA 3. Equipo de perforación geotérmico (Fuente: Geoter).

características técnicas especificadas por el fabricante sólo sepueden alcanzar si se cumple dicho coeficiente W/F, por lo quees imprescindible solicitar al fabricante las fichas técnicas delmaterial de relleno antes de utilizarlo. La mayoría de los fabri-cantes de material de relleno indican, en la parte trasera delos sacos, la proporción de mezcla adecuada, lo que facilita elcumplimiento del coeficiente W/F, para poder así controlarlo.

Si no se cumple el coeficiente W/F especificado por el fabri-cante y se emplea una mayor cantidad de agua en la mezclacon la suspensión de material de relleno, se produce un altodesprendimiento de agua. Es cierto que esa suspensión es me-nos viscosa y, por consiguiente, sería más fácil bombearla, perodebido al mayor desprendimiento de agua se produciría unacaída más pronunciada de la columna de relleno del sondeo, loque implicaría realizar de nuevo el relleno.

Un contenido excesivo de agua puede reducir la resistencia oincluso impedir del todo el endurecimiento. Y por último, unamayor cantidad de agua reduce asimismo la proporción de sóli-dos, reduciéndose por consiguiente la conductividad térmica.

Para obtener una suspensión estable del material de rellenono sólo es importante el coeficiente W/F sino también la dura-ción e intensidad de la mezcla, que deben ser las adecuadas.

Las propiedades reológicas (p. ej. la viscosidad) de una sus-pensión son determinantes para su capacidad de bombeo y suíndice de fluidez. Una buena bombeabilidad es condición pre-via para realizar un relleno sin problemas. Hay que tener encuenta que se emplea el “procedimiento de hormigonado bajoagua”, es decir, desde la cota más profunda de la perforación;las perforaciones se rellenan a través de la tubería de inyec-ción acoplada (p. ej. 32 mm) o varillas de inyección (p. ej. 1”).

En este contexto, la composición básica del material de re-lleno debe cumplir ciertos requisitos fundamentales. Cuantomás viscoso (“rígido”) sea el material de relleno, más elevadasserán las presiones de bombeo. Hay que tener en cuenta que lapresión hidrostática relacionada con un sondeo de 100 m (den-sidad de la suspensión 1,50 t/m3) ya asciende a 15 bares en el



FIGURA 4. Pallets deThermoCem utilizados enColmenar Viejo.(Fuente:Geoter).

FIGURA 5. Equipo de perforación especifico para geotermia.(Fuente: Geoter).

punto más bajo de la perforación. Al mismo tiempo, la suspen-sión debe garantizar un relleno sin huecos, es decir, la suspen-sión debe llenar todos los huecos del sistema a pesar de la re-sistencia ofrecida por los “obstáculos a la fluidez“ como porejemplo los propios tubos de polietileno, distanciadores y cen-tradores, a lo largo de toda la longitud del sondeo. A pesar deuna buena fluidez, deben evitarse pérdidas extremas de sus-pensión en zonas de terreno muy fisuradas. Y finalmente, lasuspensión de relleno debe ser capaz de expulsar cualquierlodo procedente de la perforación que se encuentre en el inte-rior.

En el mercado existe una inmensa oferta en cuanto a tecno-logía de mezcla/inyección. Pero, ¿qué sistema se debe elegir?

Hay una gran cantidad de material de relleno disponiblecon propiedades diversas, pero también existen grandes dife-rencias en cuanto al procedimiento mecánico.

Básicamente se distinguen dos tipos de mezcla:• Preparación coloidal (mezclador por intervalos de car-

gas).• Preparación a baja velocidad (mezclador por intervalos

de cargas, mezclador continuo).

3.1. PREPARACIÓN COLOIDALPara mezclas coloidales, las suspensiones se mezclan por in-tervalos de cargas, alternándose elevados esfuerzos cortantes,fuerzas centrífugas y turbulencias (en función de la duracióndel proceso de mezcla del material de construcción). Las sus-pensiones dispersadas de este modo alcanzan una disgrega-ción óptima. Las suspensiones con elevado contenido de bento-nita necesitan la disgregación coloidal para desarrollar elproceso de hinchamiento totalmente ya en el mezclador, demodo que no se produzca un hinchamiento posterior y el usua-rio pueda disponer, durante el tiempo de elaboración, de sus-pensiones con propiedades constantes.

3.2. PREPARACIÓN A BAJA VELOCIDADHay diferentes tipos de mezcladores para la preparación abaja velocidad. Aparte del mezclador de circulación forzada(mezclador por cargas) se dispone también del mezclador hori-zontal de tubo (mezclador continuo) y del mezclador probable-mente más utilizado en la actualidad: la bomba mezcladora(mezclador continuo). Las bombas mezcladoras son unidadesespeciales procedentes de los trabajos relacionados con revo-ques y morteros y muy idóneas para preparar material de re-lleno con mezcla de granulación.

Todos esos mezcladores deben considerarse en relación conlas bombas disponibles. Son habituales bombas de husillo heli-coidal excéntrico, bombas de émbolo y bombas centrífugas. To-dos los componentes de la instalación (mezclador, bomba, op-cionalmente mecanismo mezclador) se deben combinaradecuadamente. También se deben tener en cuenta los si-guientes criterios:

• Presión de trabajo.• Desgaste.• Caudal a transportar.• Medio a transportar.• Limpieza, mantenimiento.Condición previa básica para un relleno adecuado es una

buena fluidez y una elevada estabilidad de sedimentación de lasuspensión empleada. La fluidez de una suspensión disminuyeal aumentar el contenido de sólidos, por lo que el empleo de ma-terial de relleno con una cantidad extrema de sólidos, pero care-ciendo de potenciadores de fluidez, va unido al riesgo de rellenarde un modo incompleto el espacio anular. Las suspensiones conpotenciadores de fluidez y ricas en sólidos tienen la fluidez nece-saria sólo si el tipo y el tiempo de preparación son los adecuados.

Debido a las interacciones de atracción entre las partículasde arcilla, en la suspensión en reposo se forman estructuras



FIGURA 6. MáquinaMezcladora utilizada en

trabajos con ThermoCem.(Fuente: Geoter-Edasu).

en las que se incrustan las partículas de aglutinante, mante-niéndose así en suspensión. En este contexto es importanteque la proporción de mineral arcilloso contenida en la compo-sición del material sea adecuada en función de la influenciadel componente de aglutinante. Los aglutinantes en base a ce-mento liberan grandes cantidades de iones de calcio inmedia-tamente después de la mezcla con agua. Si el componente ar-cilloso del material de relleno contiene minerales arcillososexpansivos, por ejemplo bentonita sódica, los iones de calciose almacenan en los intersticios entre las capas de cristalesarcillosos, por lo que la expansividad o hinchabilidad de lasarcillas se reduce claramente. Para minimizar este efecto, se

debería prestar una atención especial a la hora de seleccionarlos diferentes componentes (por ejemplo, empleo de bentoni-tas estables al cemento y cementos CEM III B en lugar de ce-mentos CEM I).

4. PROPIEDADES MECÁNICAS Y TÉRMICAS DELMATERIAL DE RELLENO

4.1. RESISTENCIA MECÁNICA

El componente de aglutinante contenido en el material de re-lleno produce, transcurrido el tiempo de elaboración, una soli-



FIGURA 7. Reología de lasuspensión del material de

construcción.

FIGURA 8. Comportamiento frágil tensión- deformación. FIGURA 9. Comportamiento plástico tensión- deformación.

• Vólumenes de relleno (rendimiento, presión)• Flexibilidad (montaje/desmontaje)• Manejo (manejo, limpieza, mantenimiento)• Tamaño (dimensiones, peso)• Sistema de accionamiento (eléctrico, hidráulico)• Precio• Desgaste

• Con mucha / poca cantidad de sólidos• Contenido de bentonita• Tiempo de elaboración• Mercancía en sacos / en silo• Granulometría, polvo• Modo de preparación• Tiempo de preparación• Consistencia / Reología

Unidad de mezcla /inyección elegida

Criterios para los usuarios

Criterios de los fabricantes delmaterial de relleno

σσ

ε ε

dificación y, a continuación, un endurecimiento cada vez másintenso. Si la suspensión de relleno tiene la suficiente estabili-dad de sedimentación, la distribución regular de las partículasde aglutinante a través de toda la columna de la suspensiónproduce una solidificación homogénea en todo el relleno. Eneste contexto, el material de relleno debería estar compuestode tal modo que se alcance cuanto antes una resistencia a lapresión de, como mínimo, 0,2 N/mm2 dado que el material deconstrucción que cumpla dicho criterio se puede considerar es-table a la erosión

Si las resistencias finales del material de relleno son del or-den de 1 a 3 N/mm2, hay que tener en cuenta que estos valorescorresponden aproximadamente al nivel de resistencia de unsuelo arcilloso compactado. Interesa que el material de rellenoexhiba una cierta plasticidad incluso una vez endurecido.Mientras los cuerpos frágiles fallan de repente incluso en casode pequeñas deformaciones (figura 8), un comportamientoplástico (figura 9) permite que el cuerpo, en primer lugar, sedeforme sin romperse, y que se formen grietas o se produzca larotura sólo al alcanzarse una deformación de rotura crítica.



FIGURA 11. Régimen detemperatura durante la

hidratación de un material derelleno con pocos sólidos para

sondeos geotérmicos(medición en condiciones

adiabáticas).

FIGURA 10. Formación defases CSH aciculares durantela hidratación del mineral decemento C3S (silicatotricálcico) [5].

00:00:00 02:24:00 04:48:00 07:12:00 09:36:00 12:00:00 14:24:00 16:48:00 19:12:00 21:36:00 00:00:00

60

55

50

45

40

35

30

25

20

Tiempo (h)

Tem

pera

tura

(°C

)

Acc. V Spot Magn Det WD Exp 2μm25.0 kV 3.0 16000x GSE 10.1 0 9.6 Torr 2000-C35 / 21 d/ RT Hydr

La resistencia del material de relleno en base a cemento sedesarrolla mediante un proceso químico de hidratación. De-bido a la absorción de agua, en la superficie de las partículasde cemento se forman cristales aciculares (fases CSH) (figura10) que crecen continuamente y que, al final, tapan los inters-ticios entre las partículas de sólidos. Durante esa reacción seproduce calor de hidratación.

El control del calor de hidratación que desprende el mate-rial de relleno para sondeos geotérmicos es importante por dosmotivos: Por un lado, hay que procurar que el material deconstrucción no se caliente tanto que dañe los tubos de lasonda. Por otro, debe determinarse en qué momento el des-prendimiento de calor de hidratación ha progresado lo sufi-cientemente para que un ensayo de respuesta térmica al quese someta la perforación no resulte alterado.

4.2. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DEL MATERIAL DE RELLENOFRAGUADO

Para alcanzar un flujo calorífico óptimo entre el subsuelo insitu y el fluido en circulación en la sonda, el material de re-lleno empleado debería tener una conductividad térmica lomás elevada posible.

Por este motivo, se ha desarrollado material de relleno es-pecial con mayor conductividad térmica para sondas geotérmi-cas. El aumento de la conductividad térmica desde aproxima-damente 0,7 W/(m·K) (suspensión de cemento/bentonita) hasta2,0 W/(m·K) (material de relleno optimizado) produce un au-mento del rendimiento de la bomba de calor en hasta un 9%.Alternativamente, se puede reducir la longitud de la sondamanteniéndose constante el rendimiento (figura 12).



FIGURA 12. Influencia de laconductividad térmica del

material de relleno sobre lalongitud de la sonda

necesaria, manteniéndoseconstante el rendimiento [7].

FIGURA 13. Dependenciaentre densidad yconductividad térmica de unmaterial de relleno estándar yconductividad térmica de unmaterial de relleno de elevadaconductividad térmica y conpocos sólidos, (laspropiedades de conductividadtérmica del hormigón que secitan corresponden a lospromedios obtenidos).

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

110%

105%

100%

95%

90%

85%

80%

λlechada [W/(m*K)]

Influencia del Material de Relleno

Long

itud

sond

a no

rm. 1

00%

1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 2.200 2.400

2,25

2

1,75

1,5

1,25

1

0,75

0,5

0,25

0

Densidad [kg/m3]

Material de rellenoelevada conductividad térmicay con pocos sólidos

Material derelleno estándar

Con

duct

ivid

ad té

rmic

a [W

/(m

*K)]

Un modo de incrementar la conductividad térmica de uncuerpo constituido por material de relleno es aumentar el con-tenido de sólidos en la suspensión (véase figura 13). Sin em-bargo, en este contexto surge el problema ya mencionado deque el aumento de sólidos puede reducir la fluidez de la sus-pensión.

Para evitarlo, se han desarrollado composiciones de mate-rial de relleno con elevada conductividad térmica y con conte-nido de sólidos relativamente reducido (g = 1,5 g/cm3), por me-dio de aditivos.

5. EVALUACIÓN AMBIENTAL Dado que el material de construcción empleado para rellenarlas perforaciones efectuadas en relación con sondas geotérmi-cas está en contacto directo con las aguas freáticas, es muy im-portante que el material de relleno no sea perjudicial para elagua. Por consiguiente y antes de emplear un material de re-lleno determinado, hay que solicitar del fabricante un informesobre la compatibilidad medioambiental del material de cons-trucción. Un certificado ambiental se debe expedir por un ins-tituto de medio ambiente independiente, y con base en resulta-dos de análisis de sólidos y de eluato.

Sin embargo, aunque el material de relleno no contamine elagua, siempre se debe acordar con las autoridades hidrográfi-cas competentes el empleo de material de relleno en zonas deacuíferos protegidos.

El relleno del espacio anular de los sondeos geotérmicosdebe servir para evitar que se produzcan cortocircuitos hi-dráulicos entre diferentes niveles de acuíferos, sin olvidar,

en todo caso, la importancia de las propiedades térmicas delmaterial.

En relación con concursos y autorizaciones hay que teneren cuenta que los materiales de relleno para aplicaciones geo-térmicas son sistemas de componentes múltiples. Los requisi-tos establecidos para esos sistemas sólo se pueden cumplir contoda garantía si los diferentes componentes contenidos en elproducto se han combinado adecuadamente, por lo que se de-ben especificar perfiles concretos de requisitos en los textos delos concursos. Unos términos tan generales, como por ejemplo“suspensión de cemento/bentonita” que tan a menudo se en-cuentra, no ayudan a garantizar que los materiales utilizadosdesempeñen correctamente sus funciones.

6. REFERENCIAS[1] VDI 4640 (2001): Thermische Nutzung des Untergrundes

–Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen.– Verein Deuts-cher Ingenieure e.V., Düsseldorf.

[2] BAUMANN, K.; NIEHUES, B.; THOLEN, M. & TRESKATIS, C.(2003): Untersuchungen zur Bestimmung von Qualitäts-kriterien für Abdichtungsmaterialien im Brunnenbau –Abschlussbericht.– www.dvgw.de/pdf/w1 01 02.pdf.

[3] Libro de Actas GeoEner (2007): Geotermia en la Edifica-ción y en la Industria. Comunicación número 283. Comu-nidad de Madrid.

[4] Material procedentes de diferentes proyectos de instala-ciones geotérmicas realizados por el equipo de GEOT-HERMAL ENERGY S.L.




1. INTRODUCCIÓNLos sistemas de climatización que emplean bombas de caloracopladas al terreno, también llamadas bombas de calor geo-térmicas, son considerados como los más eficientes energética-mente, y la tecnología que emplean como la mas apropiadapara ser instalada en edificios residenciales, comerciales, in-dustriales y públicos.

El acoplamiento, o conexión al terreno, se realiza por me-diación de intercambiadores de calor subterráneos y, entre es-tos, los mas utilizados en áreas urbanas de países donde estatecnología está más arraigada son los intercambiadores verti-cales o sondas geotérmicas.

El propósito de este artículo es hacer una descripción so-mera de sus ventajas y limitaciones, de los equipos y materia-les con los que se construyen, y de los medios de transferenciatérmica que emplean.

2. BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICASLas sucesivas crisis de la energía que ha padecido el mundodesde mediados de los años setenta del siglo XX, como conse-

cuencia de las alzas de los precios del petróleo, ha llevado amuchos particulares y empresas, para poder reducir sus factu-ras energéticas, a tomar en consideración una energía que estáen todas partes, debajo de nuestros pies, en todos los países delmundo, la energía geotérmica superficial, y a muchos gobier-nos, con el propósito de reducir el consumo de energías impor-tadas y disminuir la emisión de contaminantes atmosféricos, aincentivar la adquisición por los primeros de sistemas de bom-bas de calor geotérmicas para sus hogares y edificios, paliandoen alguna medida los mayores costes de inversión que com-porta su implantación.

Una bomba de calor geotérmica puede proporcionar entre3 y 5 kW de energía térmica para calefacción, refrigeración yproducción de agua caliente sanitaria, por cada kW de ener-gía eléctrica consumida por el motor del compresor, bombasde circulación de los fluidos, termostatos, sensores, ventilado-res, etc., lo cual conduce a ahorros de energía que comparadoscon sistemas de calefacción convencionales de gas-oil, gas oelectricidad, pueden representar entre un 30 y un 70%.

Las bombas de calor geotérmicas utilizan el terreno comofuente y sumidero de calor en lugar del aire ambiente. Hasta es-casos metros de profundidad aprovechan su mayor inercia tér-mica estacional, comparada con las condiciones climatológicassuperficiales, y a partir de 20 m de profundidad, los nivelesconstantes de temperatura, independientes de la época del año,y crecientes con la profundidad a razón de unos 3,3°C cada 100m, como consecuencia del gradiente geotérmico (Figura 1).

Intercambiadores geotérmicos verticales

GUILLERMO LLOPIS TRILLO (*) y CARLOS LÓPEZ JIMENO (*)

BOREHOLE HEAT EXCHANGERSABSTRACT Ground source heat pump systems are applied to air conditioning and domestic hot water in buildings for itshigh energetic efficiency. In urban areas of major European countries, the most commonly used are those that includeborehole heat exchangers. Their use in Spain, compared with its surrounding countries, is quite small.Here it is described their functioning system, their advantages over other geothermal heat exchangers, their equipment andmaterials used in their construction, their means of thermal transfer, and it is done a prediction about the future of theiruse in our country.

RESUMEN Los sistemas de bombas de calor conectadas al terreno se aplican a la climatización y a la producción de aguacaliente sanitaria en edificios por su elevada eficiencia energética. En las áreas urbanas de los principales países europeoslos más utilizados son los que incluyen intercambiadores geotérmicos verticales. Su uso en España, si se compara con paí-ses de nuestro entorno, es bastante reducido. Se describe su funcionamiento, sus ventajas respecto a otros intercambiadores de calor subterráneos, los equipos y mate-riales que se emplean en su construcción, los medios de transferencia térmica que usan, y se hace un pronóstico sobre elfuturo de su utilización en nuestro país.

Palabras clave: Bombas de calor, Sistemas geotérmicos cerrados, Sondas geotérmicas, Sondeos,Relleno del sondeo, Fluidos portadores de calor, Dimensionamiento, Tubos de polietileno.

Keywords: Ground source heat pumps, Closed loop ground source systems, Borehole heat exchangers,Geothermal drills, Drill grouting, Ground heat exchanger circulating fluids, Sizing, Polyethylene pipes.

(*) Doctores Ingenieros de Minas, U.D. de Proyectos de Ingeniería.ETSI Minas. UPM.


3. INTERCAMBIADORES GEOTÉRMICOS La captación de calor del terreno, o la evacuación al mismo delcalor de un edificio, la realiza un medio de transmisión de ca-lor que circula por los intercambiadores subterráneos.

Atendiendo a la naturaleza de los intercambiadores, y ex-cluyendo las cimentaciones termoactivas, el aprovechamientode aguas drenadas por minas y túneles, y los colectores decalor ubicados en conducciones de aguas residuales, por con-siderarlos aprovechamientos complementarios, nunca desde-ñables, de la función principal que deben cumplir las obrasen las que se ubican, el resto se pueden clasificar en sistemasabiertos y sistemas cerrados, y dentro de éstos últimos dife-renciar entre intercambiadores geotérmicos horizontales, in-clinados y verticales.

En los sistemas geotérmicos abiertos el medio de transmi-sión térmica es agua subterránea que se capta por un pozo debombeo, cede calor en un intercambiador de calor intermedio,que permite aislar las bombas de calor de aguas de mala cali-dad que podrían deteriorarlas, y se restituye al acuífero por unpozo de inyección alejado del primero y situado en el sentidode flujo del agua subterránea.

Se requiere un caudal comprendido entre 150 y 200 l/hpor kW de potencia térmica que se precise, que ese caudalesté garantizado por un periodo de unos 25 años para poderamortizar las instalaciones, y contar con la autorización delOrganismo de Medio Ambiente competente, o Aguas corres-pondiente. Condiciones no siempre factibles en muchos luga-res del país.

En los intercambiadores de calor en sistema cerrado el mediode transmisión de calor es agua, o agua con un anticongelante,que circula en circuito cerrado por el interior de unos tubos depequeño diámetro, generalmente de polietileno (Figura 2).

En modo calefacción, el fluido portador de calor captaenergía térmica del terreno, cede calor a un fluido frigoríficoen el evaporador de la bomba de calor, se enfría y retorna alsubsuelo. El compresor comprime el gas frigorífico y eleva sutemperatura. El gas cede calor en el condensador al fluido decalefacción del edificio y retorna al estado líquido. Pierde pre-sión en una válvula de expansión, se enfría, y comienza unnuevo ciclo.

Los intercambiadores geotérmicos horizontales se colocanen zanjas o en amplias excavaciones, a profundidades com-prendidas entre 1,2 y 1,5 m en suelos con poca pendiente.

INTERCAMBIADORES GEOTÉRMICOS VERTICALES

FIGURA 1. Radiación solar, flujo de calor geotérmico e intercambiadoresgeotérmicos verticales. Fuente: Géothermie. Suisse - énergie.

FIGURA 2. Esquema defuncionamiento de una BCG

en modo calefacción. Fuente:France Géothermie.

0,5 m

10 m

15 m

20 m

120 m

220 m

350 m

CIRCUITO DE AGUA GLICOLADA

VAPOR A BAJA PRESIÓN

VAPOR A ALTA PRESIÓN

CIRCUITO DE CALEFACCIÓN

LIQUIDO A BAJA PRESIÓN

LIQUIDO A ALTA PRESIÓN

FUENTE DE CALOR: TERRENO

FUENTE DE CALORAGUA SUBTERRÁNEA

BOMBA DE CALORGEOTÉRMICA

COMPRESOR

DESCOMPRESOR

EVAPORADOR CONDESADOR

CIRCUITO INTERIORCIRCUITOEXTERIOR

AGUA 0 FLUÍDO

AGUA 0 FLUÍDO


Son los más fáciles y más económicos de instalar, pero re-quieren una extensión de terreno comprendida entre 1,5 y 3veces la superficie habitable a calentar, dependiendo de la cali-dad de los aislamientos de la edificación.

Ese espacio solo se podrá dedicar a huerto o jardín sin árbo-les cuyas raíces podrían dañar los tubos de polietileno del in-tercambiador. No se puede impermeabilizar para que la radia-ción solar, el viento y el agua de lluvia que se infiltre en elsuelo produzcan la regeneración térmica del mismo.

Estas circunstancias hacen que su utilización se circuns-criba, casi exclusivamente, al sector residencial en grandesparcelas.

Los intercambiadores geotérmicos inclinados reúnen los in-convenientes de los horizontales y de los verticales. Por unlado se precisa un terreno espacioso para que los sondeos noinvadan parcelas ajenas, y por otro es necesario utilizar ma-quinaria de perforación y materiales de relleno o para cemen-tación de los sondeos, lo cual encarece su instalación.

4. INTERCAMBIADORES GEOTÉRMICOS VERTICALESConsisten en dos tubos, generalmente de polietileno, unidos ensus extremos inferiores por una pieza en U del mismo mate-rial, o por cuatro tubos, unidos de dos en dos, por sendas pie-zas en U, constituyendo sondas geotérmicas simples o dobles,que se alojan en el interior de sondeos verticales, de alrededorde 150 mm de diámetro (Figura 3).

La profundidad de los sondeos suele oscilar entre 100 y 200m, por lo que la influencia de la radiación solar y demás cir-cunstancias meteorológicas superficiales sobre la temperaturadel terreno, es insignificante comparada con el flujo de calorgeotérmico.

Comparados con los intercambiadores horizontales, sonmas caros, pero a cambio ofrecen las siguientes ventajas:

• La superficie ocupada por los sondeos y los colectoreshorizontales que conectan las sondas con las bombas decalor situadas en los edificios es muy pequeña y, ade-más, puede impermeabilizarse o dedicarse a cualquieruso (Figura 4).

• Los costes de mantenimiento son muy bajos y no se de-terioran con el paso del tiempo. Un intercambiador geo-térmico vertical bien construido tiene una vida útil de50 años.

• Proporcionan una potencia de extracción de calor especí-fica de entre 30 y 70 W/m de sondeo, dependiendo de lascaracterísticas del terreno y de su conductividad térmica.

• Por término medio se precisa, aproximadamente, 1 m desondeo, por cada m2 de superficie habitable a calentar.

• La potencia de extracción de energía térmica del terrenopuede llegar a ser muy elevada, pues las limitaciones exis-tentes, relativas a la profundidad máxima que puede al-canzar un sondeo geotérmico sin que sea considerado una


FIGURA 3. Esquema de sonda geotérmica doble con tubo central para cementación y lastre suspendido del pie de sonda.Fuente: HakaGerodur.

FIGURA 4. Tendido de colectores para conectar siete sondas geotérmicas dobles en una nave industrial en ColmenarViejo (Madrid). Fuente: Geoter.


explotación minera, sometida a concesión administrativa,se obvian perforando un conjunto de sondeos mas cortos,convenientemente espaciados, constituyendo lo que se de-nomina un campo de sondas geotérmicas (Figura 5).

• No presentan las servidumbres de los intercambiadoreshorizontales, pudiendo instalarse debajo de las edifica-ciones a las que prestan servicio (Figura 6).

Las únicas limitaciones que atañen a las sondas geotérmicasson las relacionadas con las distancias mínimas de separacióncon otros elementos constructivos y objetos, pudiendo citar:

• De cimentaciones, pozos, fosas sépticas, saneamientos: 2ó 3 m, según países.

• De conducciones enterradas no hidráulicas: 0,7 ó 1,5 m,según países.

• De árboles y límites de parcela: 5 m.• Entre sondeos geotérmicos: 6 m en Alemania, 10 m en

Francia, para sondeos de hasta 100 m de profundidad.

5. SONDEOS GEOTÉRMICOSEl diámetro de un sondeo geotérmico depende del diámetro delos tubos de la sonda y de su número, dos o cuatro. Normal-mente está comprendido entre 150 y 180 mm.

No debe ser muy grande, pues la sonda podría retorcersedurante su introducción en el pozo, ni muy pequeño, pues que-daría poco espacio anular entre los tubos y las paredes del son-deo, para poder efectuar un relleno con material granular ouna cementación correctos.

Las profundidades que pueden alcanzar están condiciona-das por las capacidades de los equipos de perforación que seutilizan y por las disposiciones en materia de legislación mi-nera y de protección de aguas subterráneas.


FIGURA 5. Esquema de un campo desondas geotérmicas para un edificiocomercial. Fuente: Canada NaturalResources.

FIGURA 6. Perforación a rotación con circulación directa de lodos en unedificio en rehabilitación en Madrid. Fuente: Eneres.


En España suelen estar comprendidos entre 100 y 200 m, enotros países, como Francia y Alemania, los sondeos de mas de100 m de profundidad están sometidos al Código Minero y a laLey de Minas, respectivamente, y precisan de una concesión ad-ministrativa.

Los equipos de perforación que se utilizan suelen ser de pe-queñas dimensiones, montados sobre orugas con zapatas degoma, y con un ancho no mayor de 2 m para que puedan en-trar en parcelas de viviendas ya construidas con accesos estre-chos, y facilitar su descenso en excavaciones de edificios sus-pendidos del brazo de una grúa (Figura 7).

También existen equipos mas compactos, montados sobreorugas de goma, con 0,8 m de anchura, que permiten realizarperforaciones desde garajes y sótanos.

Dependiendo de las características del terreno se puedenutilizar diferentes sistemas de perforación.

En terrenos duros, competentes y estables, como pizarras,granitos, calizas, etc., se emplean sistemas a rotopercusión conmartillo en fondo y una sola unidad de rotación. Permiten re-vestir con una tubería recuperable los primeros 15 ó 20 m deterreno alterado, si fuese necesario.

En terrenos inestables, como arenas y gravas, en los quepodrían derrumbarse las paredes del sondeo, se utilizan siste-mas a rotación con circulación directa de lodos.

En lo últimos años se han desarrollado equipos de perfora-ción específicos para la instalación de sondas geotérmicas, queproporcionan elevados rendimientos en cualquier tipo de te-rreno y permiten abaratar el coste de perforación (Figura 8).

Se trata de equipos con doble unidad de rotación. La uni-dad superior arrastra al varillaje interior con el martillo enfondo, o con una herramienta de corte, mientras que la unidadinferior arrastra la tubería de revestimiento del sondeo deforma simultánea. Las dos unidades giran en sentido contra-rio, lo cual facilita la extracción de los detritos y elimina elriesgo de pérdida de la sarta interior.

Van dotadas de triple mordaza, para facilitar la manipula-ción y extracción de la tubería de revestimiento, y de un sis-tema de evacuación de detritos.

Los detritos de perforación, a medida que se producen, y loslodos de sondeo, si llegan a emplearse, se recogen en contene-dores adecuados, y son trasladados a lugares de vertido apro-piados.


FIGURA 8. Perforadora con doble unidad de rotación y manguera paradescarga de detritos en un contenedor. Fuente: Comacchio.

FIGURA 7. Descenso de unaperforadora a

una excavación.Fuente: Termoterra.


6. SONDAS GEOTÉRMICAS

El material mas usado para los tubos de las sondas geotérmicases el polietileno de alta densidad por ser uno de los plásticosmas comunes y mas baratos. No es tóxico, es impermeable y fle-xible, y ofrece buena resistencia térmica, química y al impacto.

Los tubos de fabrican por extrusión, sin costuras. Se sumi-nistran en rollos, con las piezas en U que constituyen los pies desonda soldados por electrofusión, con longitudes estándar quealcanzan la longitud total de un sondeo desde el fondo hasta laboca, diámetros exteriores normalizados de 16, 25, 32 y 40 mm,y espesores de pared adaptados a la presión de trabajo.

En la recepción en obra de las sondas se comprueba elmarcado, la documentación técnica que las acompaña, se re-visa que no presenten rasguños o fisuras ocasionados duranteel transporte y manipulación, y se someten a una prueba deestanqueidad, con aire o con agua, y a una prueba de caudalpara comprobar que no hay ninguna resistencia extraña en suinterior.

Se rellenan con agua, o con agua y anticongelante, antes desu introducción en el sondeo, para evitar que los tubos puedanaplastarse por diferencias de presión entre el interior y exteriorde los tubos en caso de existir agua o lodos de sondeo, o cuado serealice la cementación.


FIGURA 9. Pies de sondas geotérmicas y espaciadores. Fuente: BRGM.


Para facilitar el descenso en el sondeo se cuelga un lastre enel pie de sonda, que quedará perdido en el fondo.

La sonda geotérmica y el tubo de polietileno de 25 mm dediámetro que se va a emplear para cementar el sonseo se bajancon sumo cuidado, colocando regularmente espaciadores, centra-dores y abrazaderas de plástico, para que los tubos queden lomas verticalmente posible y separados unos de otros (Figura 9).

La introducción se realiza colocando los rollos de sonda enun tambor o carrusel giratorio y empleando un torno equipadode freno, o una guía mecánica accionada eléctricamente, quepermite que los tubos avancen o retrocedan evitando atascos(Figura 10).

Antes de introducir el relleno se somete al intercambiadora una prueba de presión. En caso de no superarla todavía seestá a tiempo de izarlo a superficie y reemplazarlo por otro.

7. RELLENO DEL SONDEOEl espacio anular que queda entre las tuberías del intercam-biador y las paredes del hueco del sondeo se rellena con arenasilícea calibrada o se cementa con una suspensión de cemento,bentonita y arena silícea al objeto de lograr un buen contactotérmico entre los tubos de la sonda y el terreno, de cerrar elsondeo desde la superficie, para evitar la entrada de contami-nantes exteriores, y sellar los acuíferos que hayan podido seratravesados durante la perforación.

La elección de un material para relleno o para cementacióndependerá de las medidas que sea preciso tomar para preser-var la calidad de las aguas subterráneas, no alterar su flujo, yevitar la intrusión de unos acuíferos en otros, si es que se hancortado varios.

La opción más empleada es la cementación, pues es la me-jor forma de asegurar una unión física y químicamente esta-ble, impermeable y duradera de la sonda geotérmica al te-rreno.

La cementación se realiza inyectando el mortero a presióndesde la parte mas baja del sondeo, para que se rellene el es-pacio anular en sentido ascendente, evitando que queden hue-cos de aire que disminuirían la transmisión de calor.

Una vez cementado el sondeo se somete a la sonda a un en-sayo de presión definitivo para comprobar que no existen fu-gas, y poder garantizar que, en condiciones normales de tra-bajo, la sonda geotérmica tendrá una vida útil de 50 años.

8. FLUIDOS CIRCULANTESEl medio de transferencia térmica que circula por los tubos delintercambiador geotérmico es agua o una mezcla acuosa conuna sustancia anticongelante, que debe satisfacer los siguien-tes requisitos:

• Impedir la formación de hielo en el evaporador de labomba de calor durante el funcionamiento del sistemageotérmico en modo calefacción.

• Proteger contra la corrosión los materiales que constitu-yen el circuito cerrado por el que circula.

• Ser biodegradable para no contaminar el agua subterrá-nea en caso de fuga.

Los anticongelantes mas utilizados son los que se incluyenen la Tabla 1.

9. DIMENSIONAMIENTOEl dimensionamiento de un sistema geotérmico comienza porestablecer las cargas de calefacción, refrigeración y agua ca-liente sanitaria del edificio, en función de las condiciones cli-matológicas locales, continúa con la elección de las instalacio-nes y equipos encargados de satisfacer esas demandas, yfinaliza con la determinación de la ubicación, número, separa-ción y profundidad de los sondeos en los que se van a alojar losintercambiadores geotérmicos verticales.

Para precisar esto último, en edificios del sector terciariocon elevadas cargas térmicas, se recurre a realizar ensayos derespuesta térmica del terreno en uno o varios sondeos perfora-dos al efecto (Figura 11).

El ensayo se lleva a cabo haciendo circular por los tubos delintercambiador, en circuito cerrado, el fluido caloportador ca-lentado en superficie por una resistencia eléctrica, mantenién-


FIGURA 10. Introducciónde una sonda geotérmicadoble con un slangman.Fuente: EDASU.


dolo en movimiento de forma ininterrumpida durante un pe-riodo de 50 a 60 horas, registrando el caudal, las temperaturasde entrada y de salida del fluido del sondeo y del equipo de ca-lefacción, y la energía térmica suministrada.

Se obtiene la conductividad y la resistencia térmica efecti-vas del terreno, que incluyen la influencia de los tipos de rocaatravesados, espesores de las diferentes capas, flujo de aguasubterránea, relleno del sondeo y material de los tubos

El ensayo se complementa con la simulación por ordenadordel comportamiento que tendría el terreno en el transcurso delos años de utilización del campo de sondas geotérmicas.

Para instalaciones de pequeña potencia térmica, como es elcaso de viviendas unifamiliares, con un máximo de cuatro son-das, el coste que comporta el ensayo y la simulación por orde-nador no compensa, actualmente, el ahorro que se obtendríade tener que perforar menos metros de sondeos y de instalar

menos metros de tubos de polietileno, que son unas de las par-tidas mas importantes del precio final de una instalación geo-térmica para climatización.

Para este tipo de instalaciones se recurre a realizar un so-mero estudio geológico, hidrogeológico y de las condiciones cli-matológicas locales, y a asignar valores de conductividadestérmicas de rocas obtenidos de fuentes bibliográficas.

A partir de esos valores, ya sea usando programas informá-ticos comerciales o del propio fabricante de la bomba de calorgeotérmica que se va a instalar, o aplicando procedimientos decálculo simplificados basados en fórmulas empíricas, o ábacosobtenidos de simulaciones realizadas por ordenador, conocidosen los países de los que proceden como “reglas del pulgar” y,mas eufemísticamente, como “reglas del arte”, se determina lalongitud del intercambiador geotérmico y, consecuentemente,el número y profundidad de los sondeos que han de alojarlos.


MEDIO CONCENTRACIÓN PROTECCIÓNCONTRA EL HIELO OBSERVACIONES

Agua 0°C • Más barato

Etilenglicol 20 a 33% –10,4 a –19,3°C • Tóxico• Precisa inhibidores de la corrosión

Propilenglicol 25 a 35% -–10,1 a –17,5°C

• No tóxico• No corrosivo• No inflamable• Muy viscoso• Más caro

Etanol 20 a 30% –10,5 a –20,5°C• Tóxico• Inflamable• Muy viscoso

Otros• Metanol• Cloruros: sódico, cálcico, magnésico, potásico • Carbonatos: sódico, potásico

TABLA 1. Medios detransferencia térmica.

FIGURA 11. Interior de unequipo para ensayo de

respuesta térmica del terreno.Fuente: Girod.


10. CONSIDERACIONES FINALESSiete países europeos, Suecia, Alemania, Francia, Suiza, Aus-tria, Finlandia y Noruega, por orden de importancia, contabanen el año 2007 con 670.000 bombas de calor geotérmicas enfuncionamiento. Otros países como Irlanda, Reino Unido, Polo-nia, Italia y España, aunque sin datos disponibles, mostrabanmercados en crecimiento.

Antes de aventurar el futuro que espera en España a lasbombas de calor acopladas al terreno mediante sondas geotér-micas, conviene fijarse en las circunstancias que concurren enalguno de los países mencionados.

Suecia, con 310.000 unidades en funcionamiento, ocupa laprimera posición europea, pero se podría argumentar que enese país, al igual que en Finlandia y Noruega, los inviernosson mas fríos y prolongados que en nuestras latitudes, así quehay que recurrir a dos países más próximos con climatologías,sociedades y costumbres mas afines a las españolas como sonFrancia y Suiza.

En Francia se encontraban en funcionamiento 84.000 uni-dades en el año 2007, en gran parte debido a un conjunto deactuaciones llevadas a cabo, desde hace mas de una década,por la Agencia del Medio Ambiente y Gestión de la Energía(ADEME), el Servicio Geológico y Minero (BRGM) y la princi-pal compañía eléctrica francesa (EDF).

Esas actuaciones están encaminadas a superar la descon-fianza de los usuarios hacia las bombas de calor, pues debido aerrores de diseño de los sistemas geotérmicos, mala calidad de

los equipos que se instalaron y bajos rendimientos obtenidos,el mercado estuvo prácticamente paralizado entre 1985 y1995. Actualmente Francia es el tercer mercado europeo debombas de calor geotérmicas por detrás de Alemania.

Suiza es el cuarto país en importancia con 52.000 unidades.Tiene una superficie equivalente al 8,2% de la de España y supoblación representa el 16% de la española.

Las dos terceras partes de los residentes suizos y granparte de la industria están asentados, por razones topográficasy climatológicas, en la “Meseta Suiza”, que ocupa alrededor del30% de la superficie del país, tiene una altitud promedio de580 m, y es una de las regiones mas pobladas de Europa.

Durante el año 2007 se perforaron en Suiza 1.400 km desondeos geotérmicos superficiales para nuevas instalacionesde climatización en edificios.

Los referentes anteriores, el retraso que arrastra Españaen materia de aprovechamiento de energía geotérmica pocoprofunda, el apoyo que ofrecen entidades y administracionespúblicas, entre las que cabe mencionar a la Fundación de laEnergía y a la dirección General de Industria, Energía y Mi-nas de la Comunidad de Madrid, el agotamiento y encareci-miento previsibles de los combustibles fósiles importados, ylas condiciones de elevados precios y baja disponibilidad desuelo en la mayoría de las áreas urbanas del país, permitenaugurar un crecimiento muy notable en el número de inter-cambiadores geotérmicos verticales que se instalen en Es-paña en los próximos años.


1. INTRODUCCIÓNEl número de los sistemas geotérmicos superficiales en usoaumenta rápidamente a causa de los numerosos proyectosgeotérmicos que fueron realizados con éxito. El factor determi-nante para la instalación de los sistemas geotérmicos super-ficiales y para el auge de las plantas geotérmicas, es principal-mente la aceptación social, la cual está influida fundamen-talmente por la rentabilidad.

La calidad y la eficiencia son decisivas para la rentabilidadde las instalaciones geotérmicas. Por eso es necesario que lacomprobación de la calidad de los sistemas incluya el asegura-miento tanto de la calidad de la construcción, como del dimen-sionamiento. El objetivo de la comprobación de la calidad es laprevención de efectos desfavorables en el agua subterránea yen el suelo, el aseguramiento del funcionamiento con poco man-tenimiento y la eficiencia máxima de la instalación geotérmica.

La rentabilidad de estos sistemas depende del comporta-miento térmico y de la temperatura del suelo. Una planta geo-térmica usada para calentar un edificio sustrae calor del suelo ybaja la temperatura del suelo en la zona alrededor de la sonda.En el caso contrario, una marcha para enfriar un edificio aportacalor al suelo, lo que implica un aumento de su temperatura. Eltamaño de estas zonas de influencia térmica y el grado de in-fluencia depende de las características del suelo como conducti-vidad y capacidad térmica así como de presencia de corrientes deagua subterránea. El agua subterránea influye en el dimensio-namiento, la construcción y el funcionamiento de los sistemas.

La sonda geotérmica es el sistema más usado en Alemania.Por ese motivo se hará aquí hincapié en estos sistemas. Me-

diante esta publicación los autores quieren enseñar la impor-tancia de la consideración del transporte de energía por con-vección por los sistemas geotérmicos verticales y la dependen-cia de la velocidad del agua subterránea.

2. TRANSPORTE DE ENERGÍA EN EL SUELOLa mayor parte del transporte de energía se realiza por meca-nismos de conducción y convección. El transporte energéticoen el suelo está descrito por la siguiente ecuación:

conducción convección dispersión

fuentes cambiode calor temporal

λ conductividad térmica del suelo [W/(m·K)].Dλ coeficiente de dispersión del suelo [W/(m·K)].T temperatura del suelo [K].v velocidad del agua subterránea [m/s].·Qi fuentes de calor [W/m3].t tiempo [s].ρ densidad [kg/m3].c capacidad específica del suelo [J/(kg·K)].ρ·c capacidad volumétrica del suelo [J/(m3·K)].n porosidad [-].(ρ·c)w capacidad volumétrica del agua subterránea [J/(m3·K)].(ρ·c)s capacidad volumétrica de las partículas sólidas [J/(m3·K)].

p c n p c n p cw s⋅ = ⋅( ) + −( ) ⋅( )1

{{

+ = ⋅

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

Q̇ p c Tt

Wmi

∂∂ 3

λ∂∂

∂∂

∂∂

ρ∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂λ

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2T

xT

yT

zc v T

xTy

Tz

D Tx

Ty

Tzw x y z+ +

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟− ⋅( ) + +

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟+ + +

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟v v

{{{

Impacto del agua subterránea en lossistemas geotérmicos

ROLF KATZENBACH (*) y ISABEL M. WAGNER (**)

GROUNDWATER IMPACT ON GEOTHERMAL SYSTEMSABSTRACT The thermal behavior of geothermal systems is influenced by the presence and the velocity of the groundwater.The impact has to be accounted for during the dimensioning as well as during the construction. It is shown that the impacton the interference with neighbored installations has to be controlled, especially in case of groundwater flow.

RESUMEN El comportamiento térmico de los sistemas geotérmicos está influido por la presencia y la velocidad del agua subterránea.El impacto debe ser tenido en cuenta tanto durante el dimensionamiento como durante la construcción. Se demuestra que el impactode la interferencia con instalaciones vecinas tiene que ser controlado, especialmente en caso de una corriente del agua subterránea.

91

Palabras clave: Impacto del agua subterránea, Comportamiento térmico de sondas geotérmicas,Influencia térmica del suelo, Interferencia térmica entre sondas, 3D cálculos de elementos finítos.

Keywords: Impact of the gournd water, Thermal behavior of bohrehole heat exchangers,Thermal influence of the soil, Thermal interference between BHE, 3D finite element calculations.

(*) Prof. Dr.-Ing. Instituto y Laboratorio de Geotecnia, TU Darmstadt, Alemania.(**) Dipl.-Ing. Instituto y Laboratorio de Geotecnia, TU Darmstadt, Alemania.


Una visión de conjunto más detallada de los procesos ter-modinámicos se puede consultar en las referencias bibliográfi-cas (Bear 1972, Nield et al. 1999).

Si los condiciones del suelo indican que no hay una co-rriente del agua freática o que se espera solamente una co-rriente pequeña, el transporte energético por conducción es do-minante. La existencia del agua subterránea estacionariaaumenta la conductividad térmica λ del suelo. Sin embargo, siexiste una corriente grande del agua freática el transporte deenergía está causado decisivamente por convección, que de-pende de la velocidad v y de la capacidad térmica del aguasubterránea (véase el segundo término de la fórmula anterior).

3. LA CONSIDERACIÓN DEL AGUA SUBTERRÁNEADURANTE EL DIMENSIONAMIENTO

La rentabilidad del sistema depende de la calidad (perdurabi-lidad) del material tanto como del funcionamiento óptimo, quea su vez requiere un dimensionamiento detallado y cuidadoso.

La evaluación del impacto del agua subterránea en el sis-tema depende del funcionamiento de las sondas geotérmicas:con miras a un sistema de extracción del calor, la presencia delagua subterránea permite una aceleración de la regeneracióntérmica del subsuelo porque aporta el calor por convección allugar de extracción a causa de la gran capacidad térmica delagua. El mismo fenómeno se observa para sistemas de inyec-ción de calor al terreno, el agua freática nivela la alta tempe-ratura del suelo. Por ese motivo, el no considerar el flujo deagua está del lado conservador en los cálculos para sistemasde extracción o de inyección de calor. Sin embargo, la conside-ración del flujo de agua y con ello la regeneración térmica delsuelo puede redundar en un sistema más económico. El aguasubterránea tiene diversos impactos en el funcionamiento delas sondas geotérmicas: en la longitud y el número de las son-das y en la interacción entre ellas. No obstante, para el funcio-namiento del almacén térmico (van Meurs 1986) es indispen-sable una velocidad del agua subterránea menor de 0,05m/d(equivalente a 5,8·10-7 m/s) porque una corriente mayor subs-trae el calor del almacén. La falta de consideración del flujodel agua subterránea resulta desfavorable para el sistema.

El dimensionamiento de las sondas geotérmicas en Alema-nia se puede realizar –en función del tamaño de la planta y elgrado de exactitud– por ejemplo, mediante los siguientes pro-cedimientos:

• Dimensionamiento mediante la guía alemana VDI4640 (mediante la potencia promedio de extracción).

• Dimensionamiento con los programas analíticos comoEED y EWS etc.

• Modelación con programas numéricos como FEFLOW(Finite Element Subsurface FLOW System) etc.

Para obtener en Alemania el permiso de construcción de lossistemas grandes, con una carga mayor de 30 kW, es usual lapresentación de un dimensionamiento detallado para descar-tar un impacto térmico al terreno de los vecinos. El descensomáximo permitido de la temperatura del suelo depende de lodecidido por la agencia de Gobierno.

En el caso de las plantas geotérmicas pequeñas con una cargamenor a 30 kW, que también afectan en una distancia menor alterreno vecino (normalmente una distancia de 5–6 m) una inves-tigación tan intensiva no es obligatoria (véase capítulo 4). Ade-más, para estos proyectos pequeños la inversión en un dimensio-namiento detallado muchas veces no parece razonable por suscostes. Sin embargo, es recomendable, ya que los parámetros tér-micos o una corriente del agua subterránea diferentes a los su-puestos tienen impacto en el desempeño del sistema, como sepresenta en este capítulo, y finalmente en su rentabilidad.

Habitualmente para proyectos pequeños de extracción oaporte de calor con una carga menor a 30 kW, se acostumbrauna estimación de los parámetros térmicos. En este caso las son-das están dimensionadas mediante los valores de la potencia pro-medio de extracción mencionados en la guía Alemana VDI 4640.

Adicionalmente en muchos casos los programas analíticostambién son aplicados. Por ejemplo el programa Earth EnergyDesigner (EED) es usado a nivel mundial y permite el dimen-sionamiento de instalaciones geotérmicas compuestas por va-rias sondas en base a las llamadas “g-funciones”. Si no existeninformaciones detalladas sobre los parámetros térmicos delsuelo el programa ofrece el uso de los parámetros listados en elVDI 4640. La presencia del agua freática está considerada pormedio de la utilización de una conductividad térmica más altadel suelo saturado en comparación con el suelo seco. Sin em-bargo el efecto de la corriente del agua freática no es tenido encuenta ni en la guía VDI 4640 ni en los mencionados progra-mas analíticos.

Una modelación con programas numéricos basándose enuna combinación del transporte de calor y la corriente delagua permite un dimensionamiento detallado y la considera-ción del flujo del agua freática. Los cálculos con los elementosfinitos son muy usados para investigaciones sobre el compor-tamiento térmico al largo plazo, la influencia del agua freática,la influencia térmica entre las sondas y la influencia térmica alos vecinos a causa del funcionamiento de la sonda.

La guía alemana VDI 4640 establece una disminución má-xima de la temperatura del suelo de 11 K promedio mensual(VDI, 2001). Considerando una temperatura natural del suelode 10°C y una diferencia de 3 K entre entrada y salida delfluido, resulta que su temperatura media no debe quedar pordebajo de 0,5°C.

Una simulación numérica de una instalación de 5 kW conuna sonda de longitud L = 80 m (potencia específica de 62,5W/m) en arena saturada (véase tabla 1), cumpliendo la tempe-ratura mínima de 0,5°C sirve de ilustración sobre el impacto dela corriente del agua subterránea que varía entre 0m/s, 1·10-7

m/s y 1·10-6 m/s. Un acuífero existente a lo largo de la longitudde la sonda (80 m) es un caso extremo y no existe con frecuen-cia. Sin embargo este ejemplo refleja el impacto máximo delflujo del agua subterránea que circula desde la izquierda a laderecha en el modelo. El modelo, con una temperatura naturaldel suelo de 10°C, tiene una dimensión de 150x300 m y una al-tura de 150 m. La sonda está localizada a una distancia de 75 mde la frontera izquierda del modelo. Las figuras 1-4 muestran elimpacto de la temperatura del suelo, resultando más baja en lamitad de la sonda horizontal, en el perfil del modelo en 3D, des-

IMPACTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS


Tipo del sueloConductividad térmica

λ[W/mK]

Capacidad térmicac

[J/m3K]

Conductividadkf

[m/s]

Porosidadn[–]

Arena saturada 2,4 2,5 1•10–4 0,35

Arcilla saturada 1,4 1,9 1•10–8 0,5

TABLA 1. Propiedadestérmicas del suelo usado enla investigación.

pués de 20 años y en diversos puntos de observación a lo largode 20 años (7.300 días). Se muestra la temperatura en la mitadde la sonda a una profundidad de 40 m.

La necesidad de una simulación numérica del comporta-miento térmico a largo plazo es demostrada en las figuras 2 y

4. En la simulación de la sonda sin flujo de agua freática(0 m/s), la temperatura mínima no se alcanza dentro de losprimeros 20 años (figura 2) sino que tarda más de 50 años.Esto demuestra que una regeneración térmica del suelo debe-ría ser proporcionada, por ejemplo mediante un funciona-



FIGURA 1. Temperatura delsuelo de una sonda deextracción de 80 m en plantay en perfil, arena saturada sinflujo de agua freática (0 m/s)después de 20 años (eninvierno).

FIGURA 2. Temperatura delsuelo en los puntos de

observación de una sonda deextracción de 80 m, arenasaturada sin flujo de agua

freática (0 m/s).

Legend[deg C]

9.700e –01

2.212e+00

3.239e+00

4.365e+00

5.492e+00

6.619e+00

7.746e+00

8.873e+00

1.000e+01

1.68e–26 [m/d]

Legend[deg C]

9.700e –01

2.099e+00

3.227e+00

4.356e+00

5.485e+00

6.614e+00

7.742e+00

8.871e+00

1.000e+01

2.55e–26 [m/d]

–10

–30

–50

–70

–90

–110

–130

14012010080

6040

20

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Duración de la marcha [h]

Temperatura del suelo (v = 0 m/s)

Tem

pera

tura

[°C

]

sonda

5 m distancia

10 m distancia

15 m distancia

20 m distancia

25 m distancia

miento de refrigeración del edificio en verano, para evitar unenfriamiento inadmisible del suelo.

Con un flujo de 1·10-7 (equivalente a 0,0086 m/d) la tempe-ratura mínima es conseguida después de aproximadamente 12años (figura 4). Cálculos numéricos adicionales verifican que

la temperatura mínima se obtiene dentro de 1 año si hay unacorriente de 1·10-6 m/s (equivalente a 0,086 m/d), figura 5.Para considerar el efecto del agua freática, el comportamientoa largo plazo debe ser tenido en cuenta, especialmente parasistemas sin o con poca corriente.



FIGURA 3. Temperatura delsuelo de una sonda de

extracción de 80 m en plantay en perfil, arena saturadacon un flujo de 1•10–7 m/s

(0,0086 m/d) después de 20años (en invierno).

FIGURA 4. Temperatura delsuelo en los puntos deobservación de una sonda deextracción de 80 m, arenasaturada con un flujo de1•10–7 m/s (0,0086 m/d).

Legend[deg C]

3.200e+00

4.050e+00

4.900e+00

5.750e+00

6.600e+00

7.450e+00

8.300e+00

9.150e+00

1.000e+01

8.64e–03 [m/d]

Legend[deg C]

3.200e+00

4.050e+00

4.900e+00

5.750e+00

6.600e+00

7.450e+00

8.300e+00

9.150e+00

1.000e+01

8.64e–03 [m/d]

–10

–30

–50

–70

–90

–110

–130

14012010080

6040

20

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0


Temperatura del suelo (v = 1•10–7 m/s)

Tem

pera

tura

[°C

]

sonda

5 m distancia

10 m distancia

15 m distancia

20 m distancia

25 m distancia

De los cálculos numéricos resulta que después de 20 añosun cambio de la corriente del agua freática de 0 m/s a 1·10-7

m/s causa un aumento de la temperatura del suelo en la zonade la sonda de 0,9°C a 3,2°C, que es un mejoramiento del 24%en relación a la reducción de la temperatura del suelo de 9,1K (10°C–0,9°C). Para un punto de observación a una distanciade 10 m, distancia mínima entre las sondas vecinas (véase ca-pítulo 4), se observa un aumento de la temperatura mínima de0,3 K: sin corriente de agua se obtiene 8,6°C, y con una co-rriente de 1·10-7 m/s, 8,7°C. Este mejoramiento es equivalentea 7% en relación a una reducción de la temperatura del suelode 1,4 K (10°C–8,6°C). Se verifica por los resultados del cálculocon un flujo de 1·10-7 m/s (figura 4) que los primeros 3 puntosde observación (sonda, 5 m y 10 m distancia) sufren una re-ducción menor de la temperatura mínima del suelo, pero seobservan también oscilaciones más acusadas por el funciona-miento temporal en comparación con el cálculo de 0 m/s (fi-gura 2). Sin embargo, lo contrario reflejan los puntos de obser-vación de 15 m, 20 m y 25 m de distancia. Aquí resultantemperaturas más bajas en el cálculo con un flujo de 1·10-7 m/s(9,2°C a una distancia de 25 m) en comparación con el cálculode 0 m/s (9,6°C a una distancia de 25 m) a causa del mayor es-paciamiento de la influencia térmica con un flujo mayor. El im-pacto de la corriente del agua subterránea se determina enfunción de la posición, de la corriente y del tipo del suelo. Unacorriente mayor es positiva para la regeneración del suelo enla zona de la sonda y proximidades, y por eso para los costesde la sonda; pero a la vez es negativo para las instalacionesmás alejadas de la sonda que resultan más afectadas.

Examinando los resultados del cálculo con un flujo de1·10-6 m/s (0,086 m/d) se comprueba una mejora en la dismi-nución de la temperatura en todos los puntos de observación(véase figura 5). En la zona de la sonda se obtiene una mejoradel 74% (7,6°C con corriente, frente a 0,9°C sin corriente) y enuna distancia de 10 m 57% (9,4°C con corriente, frente a 8,6°Csin corriente). Los puntos a una distancia de 15, 20 y 25 mtambién reflejan un aumento de la temperatura.

Como la disminución de la temperatura del suelo es menorpor el flujo del agua freática, se podría reducir la longitud de

las sondas atendiendo a la diferencia máxima. En la figura 6,a base del mismo modelo de arena saturada presentado antes,la longitud mínima para cumplir los 0,5°C en la zona de lasonda está calculada para el caso de una corriente de 1·10-7 m/s.Una sonda de 60 m de longitud cumple con la temperatura mí-nima, lo que significa una reducción de la longitud de la sondade 20 m (80 m a 60 m) gracias a una velocidad del agua subte-rránea de 1·10-7 m/s – lo cual es 25% de la longitud. Para la po-tencia específica el incremento de la convección por la co-rriente del agua freática significa una mejora de 62,5 W/m a83 W/m (potencia de 5 kW y una longitud de 60 m). Así sedemuestra que el dimensionamiento de las sondas es más eco-nómico si se considera el flujo del agua subterránea.

Además durante el dimensionamiento se debe considerar lalocalización de las instalaciones con respecto a la dirección dela corriente del agua. En el caso de una planta de extracción oaporte de calor la disposición de las sondas, y respectivos pilo-tes, no debería ser compacta sino estrecha, de forma lineal.Una eficiencia máxima se alcanza si la línea de las sondas opilotes se dispone ortogonalmente a la corriente del agua, ase-gurando una extracción óptima de energía y evitando interac-ciones entre las sondas. En el caso del almacén térmico, queimplica una formación compacta, la corriente de agua subte-rránea tiene una influencia negativa y esto debe ser conside-rado durante el dimensionamiento.

4. IMPACTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA EN LOS SISTEMASVECINOS

Para la consideración del impacto térmico de los sistemas geo-térmicos vecinos deben estar disponibles todas informacionessobre las instalaciones. En caso de plantas pequeñas en Ale-mania se asume que no tienen un impacto en los sistemas ve-cinos si cada sonda se sitúa a más de 5–6 m de distancia dellímite del terreno. De esto resulta una distancia mínima entreinstalaciones geotérmicos vecinas de 10 m. Sin embargo, siexiste un flujo de agua subterránea es imprescindible prede-terminar una distancia obligada para evitar una influenciatérmica que dependerá de la magnitud de la corriente.




observación de una sonda deextracción de 80 m, arena

saturada con un flujo de1•10–6 m/s (0,086 m/d).

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0



Tem

pera

tura

[°C

]

sonda

5 m distancia

10 m distancia

15 m distancia

20 m distancia

25 m distancia

En general con una distancia mayor a las sondas vecinasse reduce el impacto térmico. Durante el dimensionamientose debe considerar la localización con respecto a la direccióndel flujo de agua freática. Las sondas localizadas en la zonade defluencia de la corriente del agua freática están másafectadas por las sondas vecinas que las sondas situadas pa-ralelas o en la afluencia (véase figura 7 y 8), porque un flujocon temperatura reducida por la extracción del calor pasa alas sondas en la defluencia. Por tanto, para un dimensiona-miento realista de las sondas situadas en la defluencia se de-bería tener en cuenta la presencia de la corriente del aguasubterránea que resulta en una disminución de la tempera-tura del suelo.

Para demostrar la interferencia entre las sondas unaplanta de extracción de 25 kW compuesta por 5 sondas deigual longitud, L = 95 m, situadas a una distancia de 6 m fuesimulada en la arena saturada con una velocidad del aguafreática de 1·10-7 m/s. Mirando al extremo una estratificacióndel suelo de la arena saturada por la longitud completa de lasonda es el caso mas desfavorable para la influencia térmicaporque el espaciamiento de la influencia térmica es mayor enla arena en comparación con los suelos cohesivos a causa de

una mayor conductividad y de velocidades mayores del aguasubterránea.

Los puntos de observación (figura 9) se refieren a la sonda enla mitad de la planta y la distancia a ella en la dirección de lacorriente. Como resultado de los cálculos es obligatoria una lon-gitud mayor de la sonda en la mitad de la planta de 95 m (encomparación de la longitud de 60 m de una sonda singular, fi-gura 6) a causa de la interferencia de las sondas para cumplirlos 0,5°C de temperatura mínima. Es un incremento de 35 m(58%). figura 8 demuestra que la sonda en la mitad y las sondasen la defluencia de la corriente sufren de una reducción de latemperatura debido a las sondas en la afluencia. Observandolos resultados para los puntos de observación es evidente que laexpansión de la influencia térmica es mucho más grande (a unadistancia de 25 m: 6,5°C) que en el caso de una sonda singular(a una distancia de 25 m: 8,9°C), véase figura 6.

Por supuesto el impacto térmico de la instalación dependede la potencia total y del número y longitud de las sondas quela configuran. La magnitud de la interferencia térmica de lasinstalaciones vecinas depende de la existencia de la corrientedel agua freática, de su velocidad, de la distancia entre las ins-talaciones y del espesor del acuífero.




observación de una sonda deextracción de 60 m, arena

saturada con un flujo de1•10–7 m/s (0,0086 m/d).

FIGURA 7. Zonas de afluenciay defluencia resultantes delcálculo de una sonda deextracción en arena saturadaafectada por una corriente de1•10–6 m/s

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0



Tem

pera

tura

[°C

]sonda

5 m distancia

10 m distancia

15 m distancia

20 m distancia

25 m distancia

Zona de afluencia Zona de defluencia

Sonda

Aguafreática




observación de una planta de5 sondas de sustracción de

95 m, arena saturada con unacorriente de 1•10-7 m/s

(0,086 m/d), relativamente ala sonda del medio.

FIGURA 8. Temperatura delsuelo de una instalación de5 sondas de extracción de95 m, arena saturada con unacorriente de 1•10-7 m/s(0,0086 m/d) después de 20años (en invierno).

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0



Tem

pera

tura

[°C

]

sonda

5 m distancia

10 m distancia

15 m distancia

20 m distancia

25 m distancia

Legend

[deg C]

6.721e –01

1.838e+00

3.004e+00

4.170e+00

5.336e+00

6.502e+00

7.668e+00

8.834e+00

1.000e+01

8.64e–03 [m/d]

Legend[deg C]

6.721e –01

1.838e+00

3.004e+00

4.170e+00

5.336e+00

6.502e+00

7.668e+00

8.834e+00

1.000e+01

8.64e–03 [m/d]

En la figura 10 se muestran los resultados del cálculo de unasonda de 100 m longitud con FEFLOW teniendo en cuenta unaestratificación formada por una capa superior de arcilla satu-rada (0–40 m) sin corriente, 20 m de arena con corriente delagua de 1·10-7 m/s y una capa de arcilla saturada subyacente sincorriente. La temperatura natural del suelo es 10°C. Es evi-dente que en este ejemplo las instalaciones vecinas resultanmás influidas por la capa de arena, porque la zona de la tempe-ratura reducida respectivamente a la interferencia térmica conla corriente de agua freática se extiende mucho más amplia-mente en la capa de la arena que en la capa de la arcilla.

Para la eficiencia de la instalación la capa con corriente esdecisiva. La eficiencia de la sonda crece con la convección ypermite un dimensionamiento más económico por medio deuna reducción de la longitud de la sonda. La magnitud de lareducción depende de la localización y del espesor del acuífero.Si se examina la corriente del agua freática en lal parte infe-rior de la sonda, una reducción de la sonda implica una reduc-ción de la zona más efectiva de la sonda y no es recomendable.Por el contrario, si la zona de corriente se sitúa en la parte me-dia o superior, una disminución de la longitud de la sonda enla zona inferior, que es menos efectiva, es razonable. En elejemplo presentado en figura 10, una reducción de la sonda esrazonable porque significa una reducción de la parte de lasonda que está situada en la arcilla menos efectiva. Así, el co-nocimiento exacto de la localización y del espesor del acuíferoes muy útil para un dimensionamiento económico. Un ensayoin-situ, como el Enhanced Geothermal Response Test, permiteuna detección de las capas con convección.

5. INVESTIGACIÓN IN SITU La investigación mediante el ensayo in situ Geothermal Res-ponse Test (GRT) realizada en una sonda geotérmica quepuede ser integrada en la planta geotérmica final ofrece infor-maciones sobre el parámetro de la conductividad media tér-mica efectiva λeff del suelo así como de la resistencia del orificiode perforación Rb (Austin 1998, Katzenbach et al. 2007). Sinembargo el GRT no da informaciones sobre la distinción de losmecanismos del transporte energético: conducción y convec-ción (véase capítulo 2). Para condiciones del suelo sin o conpoca corriente se puede usar una conductividad promedio, laconductividad efectiva. Se debe tener cuidado si la velocidaddel agua subterránea es alta y la convección se vuelve domi-nante, ya que los resultados del GRT estarán afectados. Unadeterminación de la conductividad efectiva no es posible por-que el análisis de la relación de temperatura (T) y el logaritmo

del tiempo (ln t) no es linear. En este caso, para evaluar los pa-rámetros térmicos para el dimensionamiento del sistema geo-térmico, los mecanismos del transporte deben ser determina-dos individualizadamente, por ejemplo mediante unretroanálisis con elementos finitos.

El ensayo Enhanced Geothermal Response Test (EGRT),modalidad desarrollada del anterior, sirve para obtener infor-maciones sobre el comportamiento térmico del suelo a lo largode la sonda usando un cable híbrido que consiste en un cablede cobre y una fibra de vidrio. Estos cables son fijados a lasonda antes de la instalación y permanecen en el suelo. Así sepermite una repetición del ensayo. Mediante el EGRT se obtie-nen las conductividades térmicas efectivas de las diferentescapas del suelo. El EGRT permite la detección de los nivelesde agua corriente, de fisuras llenas de agua y de defectos delrelleno. Además el EGRT ofrece la posibilidad de estimar lavelocidad visible del agua mediante el análisis del número dePeclet. Para usarlo es obligatorio saber la estratigrafía del sub-suelo en esa parte del acuífero (Heidinger et al. 2004).

6. IMPACTO DEL AGUA SUBTERRÁNEA DURANTELA CONSTRUCCIÓN

La construcción de las instalaciones geotérmicas debe ser eco-lógica, ofreciendo seguridad en la obra al mismo tiempo. Ade-más, es obligatorio el cumplimiento de las normas y especifica-ciones constructivas. La calidad de las sondas geotérmicas seasegura mediante un transporte cuidadoso de los tubos sindaño, el cual es tan importante como el control de la presión.El control de los tubos mediante presión se debe practicar an-tes y después de la instalación y antes de rellenar la perfora-ción. Una buena conducción térmica entre el relleno y el suelopuede ser obtenida aportando el relleno completo con el sis-tema contractor de abajo arriba.

En caso de varios niveles del agua subterránea el uso de un“packer” u obturador es obligatorio para evitar un cortocircuitoentre los niveles del agua subterránea durante la perforación.Además una buena calidad del relleno sin fisuras, que puedeser controlada mediante el EGRT, evita el cortocircuito. Laprotección del agua subterránea contra contaminación a tra-vés del fluido evacuado se asegura mediante la impermeabili-zación del relleno de la sonda geotérmica que a su vez la pro-tege contra la infiltración del agua. Para garantizar estapropiedad, los materiales del relleno deben ser resistentes alciclo de hielo-deshielo que genera fisuras en el relleno. A los fa-bricantes de los materiales se les obliga a garantizar la confor-midad de los materiales.



FIGURA 10. Resultado delmodelo 3D de una sonda de100m con estratificación:arcilla saturada –arenasaturada con corriente delagua freática (1•10–7 m/s)–arcilla saturada, después de 2años (en invierno).

Legend[deg C]

3.125e+00

4.092e+00

5.059e+00

6.026e+00

6.994e+00

7.961e+00

8.928e+00

9.895e+00

1.086e+01

9.17e–04 [m/d]

–10

–30

–50

–70

–90

–110

–130

14012010080

6040

20 Capa de arcilla sin corriente

Capa de arcilla sin corriente

Capa de arena con una corrientede 1•10–7 m/s

7. OBJETO DE DEMOSTRACIÓN: PALAISQUARTIEREN FRANCFORT DEL MENO, ALEMANIA

En el centro de Fráncfort del Meno (Frankfurt am Main), Ale-mania, se finalizó el proyecto PalaisQuartier, con una superfi-cie de 17.400 m2. El edificio está cimentado sobre 302 pilotescon un diámetro hasta 1,86 m y una longitud hasta 27 m. Elmuro de revestimiento está compuesto por 543 pilotes con undiámetro de 1,5 m y una longitud de hasta 38 m. En la zonasuperior, los pilotes atraviesan la “Arcilla de Frankfurt” y pordebajo, la “Cal de Frankfurt” (figura 11).

En la zona de menor distancia entre pilotes (bajo el rasca-cielos) solamente pocos son activados como pilotes energéticos.En total, 262 de los 302 pilotes de cimentación y 130 de los 543pilotes del muro pantalla fueron activados para uso geotér-mico. Estos 392 pilotes fueron previstos para una carga totalgeotérmica de 913 kW. El suelo se utiliza como almacenadortérmico: en el invierno la energía se extrae del suelo medianteel fluido circulando en los tubos. Esto produce una reducciónde la temperatura del suelo, que es equivalente a un almace-namiento de frío.

Para evitar una reducción de la temperatura del suelo alargo plazo, durante el verano se aporta calor al terreno. El

edificio es enfriado mediante el frío que fue guardado en elsuelo durante el invierno (van Meurs 1986). De esta manerase recupera el nivel de temperatura (Brandl et al. 2006). Parael dimensionamiento, fue estimada una energía de aproxima-damente 2.350 MWh/a durante el invierno, y de 2.410MWh/a durante el verano. La temperatura del agua subterrá-nea fue medida mediante un pozo; el resultado es una tempe-ratura casi constante con la profundidad, y varía entre 15,8°Ca una profundidad de 8 m y 17,7°C a una profundidad de másde 6 m. Estas temperaturas son bastante altas y resultan deinfluencias antrópicas como sótanos, metros etc.

7.1. INFLUENCIA TÉRMICA DEL PALAISQUARTIER ENLOS TERRENOS VECINOS

Simulaciones numéricas tridimensionales con modelos simul-táneos para la corriente de agua subterránea y el transportede calor utilizando el método de elementos finitos (FEM) per-miten una investigación de la influencia térmica en los terre-nos vecinos. La estratificación del suelo debe ser reproducidaajustadamente. Todos los pilotes están cimentados en su partesuperior atravesando las capas de la Arcilla de Frankfurt, ypor debajo las capas de la Cal de Frankfurt, que tienen unapermeabilidad hidráulica más alta.



FIGURA 11. Proyecto PalaisQuartier – modelo, en planta y perfil.

FIGURA 12. Desarrollo de las isotermas después del funcionamiento en invierno. Izquierda: horizontal de la temperatura y del nivel del agua subterráneaen la Cal de Frankfurt [mNN]. Derecha: corte vertical A-A.

Met

ro y

Gro

βe E

sche

njei

mer

Str.

A 10 m

Metro y Zell

Componente APalais

Componente BOficina-rascacielo

H = 136 m

Componente DRetail

H = 43 m Retail

Zeil

Zeil-Galerie

MetroArcilla deFrankfurt

Cal deFrankfurt

S, G (A)

Componente CHotel-rascacielo

H = 99 m

Rascacielode hotel

H = 99 m

Rascacielode oficinasH = 136 m

A

0 50 100 150 200 250

250

200

150

100

50

0

–50

[°C]17.5

16.5

15.5

14.5

13.5

12.5

11.5

10.5

9.5

8.5

[°C]

[m]

A

A

20.5°C

8.5°C

Los resultados de los cálculos con elementos finitos mues-tran, primero, la mayor influencia térmica de la cimentación es-perada en las zonas en las cuales los pilotes de energía se en-

cuentran ubicados de manera más densa. La zona bajo el núcleodel edificio de oficinas es, debido a la cercanía de la zona conmás alta densidad de pilotes, la más solicitada térmicamente.



FIGURA 13. Distribucióncalculada de la temperaturaalrededor de la zona delproyecto después delfuncionamiento en verano yen invierno.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

Distancia al revestimiento [m]

Temperatura [°C]

Frontera al oeste de la construcción(octogonal a la dirección de la corriente)

Después del verano

Después del invierno

Arcilla de Frankfurt

[79,0 mNN]

Cal de Frankfurt

[73,0 mNN]

0 10 20 30 40 50 60 70 80

24

23

22

21

20

19

18

17

16

15

14

Distancia al revestimiento [m]

Temperatura [°C]

Frontera al sur de la construcción(en la dirección de la corriente)

Después del verano

Después del invierno

Arcilla de Frankfurt[79,0 mNN]

Cal de Frankfurt[73,0 mNN]

La expansión del campo de temperatura actúa sobre la di-rección de la corriente de agua subterránea debido a la altapermeabilidad de la rocosa Cal de Frankfurt y, en comparacióncon la Arcilla de Frankfurt, a la alta velocidad de flujo de lasaguas freáticas que lo acompañan, lo que genera en los estra-tos de Cal un incremento de la zona de influencia térmica.

La distribución de temperaturas mostradas en la figura 13,presenta una expansión de la zona térmicamente influenciadaalrededor de la zona del proyecto en dirección occidental, en uncorte que va perpendicular a la dirección de la corriente, y en di-rección sur en el sentido de la corriente de las aguas subterrá-neas. En el margen occidental, la curva de temperatura dismi-nuye después de 2-3 m hasta una diferencia máxima detemperatura con relación a la temperatura inicial no alteradade la cimentación (T0 = 17°C) de ΔT < 1,0 K. A una distancia decerca de 10 m del muro pantalla casi no existe cambio de tempe-ratura del suelo. En el margen sur de la zona del proyecto, en ladirección del flujo de agua subterránea, se genera, debido alfuerte transporte de calor por convección, una expansión de lazona de influencia térmica. A una distancia de 12 m, el cambiode temperatura alcanza inicialmente valores de ΔT < 1,0 K; auna distancia de 20 m aumenta, en la Cal de Frankfurt, nueva-mente a 1,0 K a causa de la inercia térmica y el funcionamientotemporal, y desciende finalmente a una distancia de cerca de40 m hasta valores de ΔT = 0,5 K (Katzenbach et al. 2008).

8. CONCLUSIONESPor lo que respecta a los sistemas de extracción, en relación alos de extracción-inyección de calor, el impacto de la corrientedel agua freática es positivo. En general una consideración delagua freática puede resultar en instalaciones más económicasporque la corriente apoya la regeneración térmica del suelo. Elimpacto depende de las condiciones secundarias. A modo deejemplo está demostrado que ya velocidades de 1·10-7 m/s pue-den aumentar la potencia efectiva de las sondas y reducir lalongitud de las mismas. La magnitud de la reducción dependede la localización del acuífero.

Con respecto a instalaciones cercanas, una consideración dela corriente del agua subterránea durante el dimensionamientoes obligatoria para evitar una influencia térmica entre los siste-mas geotérmicos. La corriente del agua subterránea logra unagran mejora de la reducción de la temperatura del suelo en lazona de la sonda y hasta una distancia de cerca de 10 m. Deahí en adelante el impacto térmico puede aumentarse o dismi-nuirse en función de la velocidad del agua freática. Además deuna investigación del nivel del agua y de los componentes delagua, la velocidad de la corriente es de interés.

Investigaciones in-situ como el ensayo Geothermal Res-ponse Test son muy valiosas para obtener informaciones sobrela localización de las capas con corriente del agua y los pará-metros efectivos, teniendo en cuenta los efectos del agua subte-rránea en el transporte de calor. Estas informaciones ofrecidaspermiten un dimensionamiento detallado y eficiente. Especial-mente en zonas urbanas, un dimensionamiento detallado esdecisivo para una consideración de las condiciones globales.

Mediante esta publicación de los resultados de investigacio-nes numéricas, se llama la atención hacia la importancia delconocimiento del flujo del agua subterránea para asegurar undimensionamiento de las plantas eficiente y económico y parareducir el riesgo de la interferencia con las plantas vecinas.

9. REFERENCIASAustin, W. (1998). Development of an in-situ system for mea-suring ground thermal properties. MSc-Thesis, OklahomaState University, 164 p.

Bear, J. (1972). Dynamics of fluids in porous media. Environ-mental science series, American Elsevier, New York.

Brandl, H., Adam. D., Markiewicz, R. (2006). Ground-SourcedEnergy Wells for Heating and Cooling of Buildings. Acta Geo-technica Slovenica Vol. 3, 2006/1, S. 5-27.

Heidinger, P., Dornstädter, J., Fabritius, A., Wahl, G., Welter,M., Zurek (2004). EGRT - Enhanced Geothermal ResponseTests 5. Symposium “ground-coupled heat pumps”, AnnualConvention of the Geothermische Vereinigung, Germany.

Katzenbach, R., Vogler, M., Waberseck, T. (2008). Große Ener-giepfahlanlagen in urbanen Ballungsgebieten. Bauingenieur,83 (2008), 343-348.

Katzenbach, R., Clauss, F., Waberseck, T., Wagner, I. (2007).Geothermal Site Investigation - Present Developments of theGeothermal Response Test, Geothermal Resources Council,Transactions, Vol. 31, Renewable Baseload Energy: Geother-mal Heat Pumps to Engineered Reservoirs, GRC 2007 AnnualMeeting, 30.09-03.10.2007, Reno, Nevada, USA, S. 477-481.

Nield, D.A., Bejan, A. (1999). Convection in Porous Media.Springer, New York, Berlin, Heidelberg, 2nd edition.

Van Meurs, G. A. M. (1986). Seasonal Storage in the Soil. The-sis, Department of Applied Physics, University of TechnologyDelft, 1986.

VDI (2001). VDI-Richtlinie - VDI 4640: Thermische Nutzungdes Untergrundes Verein Deutscher Ingenieure, Beuth VerlagGmbH, Berlin.




1. INTRODUCCIÓNEl Laboratorio de Geotecnia del Centro de Estudios y Experi-mentación de Obras Públicas (CEDEX), siguiendo las líneasestratégicas del organismo en el ámbito de las actividades deI+D+i en la obra pública y el medio ambiente asociado, asícomo de apertura a la sociedad, ha realizado en los últimosaños un esfuerzo por mantenerse alerta a las innovacionescientíficas y tecnológicas en diversos campos cercanos a la in-geniería geotécnica. En este sentido, el creciente auge queestá cobrando en España la investigación y aprovechamientode energía geotérmica en el ámbito de la edificación y de lasobras públicas no podía pasar inadvertido.

El actual escenario de precios de combustibles fósiles,junto con las implicaciones medioambientales del consumo deéstos, hace que todos los gobiernos dirijan sus esfuerzos al fo-mento de las energías alternativas o limpias con el fin de con-seguir un desarrollo sostenible desde un punto de vista econó-mico, social y ambiental y a su vez cumplir la reducción degases de efecto invernadero según los compromisos adquiri-dos con la firma del protocolo de Kyoto. Paralelamente, la so-ciedad actual, en el contexto de un mejor aprovechamiento delos recursos energéticos disponibles y de una mayor sensibili-zación ambiental, demanda cada vez más la utilización de lasenergías renovables y la eficiencia energética. En este con-texto político-social, la energía geotérmica es una de las fuen-tes de energía renovable menos conocida, pero ofrece una am-plia gama de posibles aplicaciones.

Aprovechamiento de la energíageotérmica superficial en la obra pública

CRISTINA DE SANTIAGO BUEY (*) y FERNANDO PARDO DE SANTAYANA CARRILLO (*)

SHALLOW GEOTHERMAL ENERGY USE IN PUBLIC WORKSABSTRACT Geothermal resources represent a great potential of directly usable energy, especially in connection with foundationsand heat pumps. Since the beginning of the 1980s geothermal energy has also been increasingly obtained through foundationelements in some countries as Austria and Switzerland. This innovation makes use of the high thermal storage capacity ofconcrete. Energy foundations and other thermo-active ground structures mainly consist of earth-contact concrete elements(diaphragm walls, basement slabs or walls, tunnel linings) that are already required for structural reasons, but whichsimultaneously work as heat exchangers after the installation of absorber pipes filled with a heat carrier fluid. This paperfocuses in the current state of geothermal energy applications related to transport infrastructure and public works in general.Real cases on geothermal installations for heating systems in railway stations and tunnels, snow melting systems for roads,bridges, railways platforms and runways at airports are presented in this review. Finally, two additional possibilities are brieflyexplained: Underground Thermal Energy Storage systems (UTES) and geothermal desalinization systems.

RESUMEN La energía calorífica obtenida del interior de la tierra constituye una fuente de gran potencial de uso en diver-sos ámbitos. De especial interés para la ingeniería son las instalaciones de aprovechamiento térmico asociadas a cimenta-ciones y elementos estructurales mediante el uso de bombas de calor geotérmicas. Este tipo de instalaciones innovadoras,que aprovechan la elevada capacidad de almacenamiento térmico del hormigón, se han venido llevando a cabo desde prin-cipios de los años 80 del siglo XX en países como Austria y Suiza. Las cimentaciones termoactivas, al igual que otras estruc-turas insertadas en el terreno y activadas térmicamente consisten básicamente en elementos de hormigón (pantallas, losas,muros y revestimientos de túneles) que han sido diseñados para cubrir una función estructural y que funcionan simultá-neamente como intercambiadores de calor con el terreno tras incluir en su seno conducciones hidráulicas rellenas con elfluido portador del calor. El objetivo de este artículo es ofrecer una panorámica de las posibilidades de las explotaciones geo-térmicas asociadas a infraestructuras de transporte y otras obras públicas en general. Así, se destacan diferentes casos rea-les de instalaciones específicas en estaciones de tren, túneles y sistemas de fusión de hielo y nieve en carreteras, puentes,plataformas ferroviarias y pistas de aeropuertos. Por último se resumen brevemente dos posibilidades adicionales de apro-vechamiento geotérmico: Sistemas de Almacenamiento Subterráneos de Energía Térmica (ASET) y plantas de desaliniza-ción de agua de mar alimentadas mediante energía geotérmica.

Palabras clave: Energía geotérmica, Estaciones ferroviarias, Túneles, Fusión de nieve y hielo, Aeropuertos,Almacenamiento subterráneo de energía térmica (ASET), Desalinización.

Keywords: Geothermal energy, Railway stations, Tunnels, Snow melting systems, Airports,Underground Thermal Energy Storage systems (UTEs), Desalinization.

(*) Laboratorio de Geotecnia (CEDEX).


2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA EXPLOTACIÓNDE ENERGÍA GEOTÉRMICA

La presencia de volcanes y fuentes termales debieron haberinducido a nuestros ancestros a suponer que el interior de laTierra estaba caliente. Sin embargo, no fue hasta los siglosXVI y XVII, cuando las primeras minas fueron excavadas aalgunos cientos de metros de profundidad, que el hombre de-dujo, por simples sensaciones físicas, que la temperatura de laTierra se incrementaba con la profundidad. Probablementelas primeras mediciones mediante termómetros fueron reali-zadas en 1740, en una mina cerca de Belfort, en Francia (Bu-llard, 1965).

Por tanto, la energía geotérmica es conocida y viene siendoutilizada desde hace siglos con fines térmicos, pero la produc-ción de electricidad a partir de calor de la tierra es mucho másreciente. El primero en hacerlo fue Piero Gino Conti en Larde-rello, Italia, en 1904. La generación de electricidad en Lande-rello no fue más que el primer paso. Pronto diversos países si-guieron el ejemplo de Italia: en 1919 se perforaron losprimeros sondeos geotérmicos en Beppu (Japón), seguidos en1921 por la perforación en The Geyser, California (EstadosUnidos) y el Tatio (Chile). En 1958 entra en operación una pe-queña planta termoeléctrica en Nueva Zelanda, seguida deotra en México en 1959 y en Estados Unidos en 1960.

Sin embargo los usos directos (el empleo directo del calor)se desarrollaron más rápidamente. Islandia comenzó en losaños 20 del siglo XX a usar la geotermia para calentar in-vernaderos, y una década después, se convirtió en el primerpaís en organizar un servicio de calefacción geotérmica agran escala en la ciudad de Reikiavic. Posteriormente, en losaños 50, se produjo la primera aplicación industrial del calorde la tierra en una fábrica de papel de Kawerau, en NuevaZelanda. Apenas unos años después, en Islandia comienzana emplear energía geotérmica en la industria textil, en el la-vado de lanas.

Mas allá de esos hitos concretos de la historia, es tras la cri-sis del petróleo cuando el interés por esta fuente limpia deenergía se dispara en todo el mundo. Así, entre 1975 y 1995, elcrecimiento medio de la electricidad geotérmica alcanza el 9%anual, mientras los usos directos crecen a razón de un 6% alaño, tasas ambas altísimas en comparación con las registradaspor otras fuentes de energía (Barrero, 2008).

A lo largo de los últimos años ese crecimiento se ha ralenti-zado ligeramente. No obstante, el uso de bombas de calor paraaprovechar las fuentes geotérmicas hacen prever un relanza-miento de la geotermia.

En España, la energía geotérmica fue ampliamente estu-diada en los años setenta y ochenta del siglo XX, época en laque se plantearon ambiciosos proyectos basados en el aprove-chamiento térmico para calefacción (Hidalgo, 2008). Final-mente, estos proyectos no salieron adelante por distintos moti-vos, principalmente económicos, y el desarrollo de la geotermiaacabó paralizándose. En cuanto a los aprovechamientos geo-térmicos de muy baja temperatura mediante bomba de calor,muy habituales en otros países como Suiza, Alemania, Suecia,Austria, Estados Unidos o Canadá, están comenzando a desa-rrollarse en España pero son aun muy escasos, aunque se es-pera un importante auge para los próximos años.

3. APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO DE BAJA Y MUYBAJA TEMPERATURA EN OBRAS PÚBLICAS

Como ya se ha comentado en diversas ocasiones, la energía geo-térmica constituye una fuente de energía con un gran potencialde usos directos. Las posibilidades de explotación de esta ener-gía se multiplican si en lugar de limitarse a instalaciones en elinterior de sondeos o zanjas en el suelo se aprovecha la existen-cia de elementos estructurales como pilotes, losas o pantallas.En tales casos, denominados específicamente “cimentacionestermo-activas” los elementos estructurales cumplen una doblefunción: por un lado deben ser capaces de soportar las cargas

APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA SUPERFICIAL EN LA OBRA PÚBLICA

FIGURA 1. Esquema de un túnelcon anclajes y geocompuestostermo-activos, además deintercambiadores instalados en laplataforma. (Basado en:Adam et al., 2001).

Geocompuesto termo-activo

Revestimiento dehormigón proyectado

Anclajestermo-activos

Intercambiadores de calor instaladosen la estructura: carretera/ferrocarril

Hormigón


provenientes de la estructura y del terreno circundante y porotro lado constituyen el soporte material al que se anclan lasconducciones hidráulicas que contienen el fluido intercambia-dor de calor con el terreno. Estas cimentaciones termo-activasestán siendo gradualmente introducidas en la edificación enpaíses con mayor tradición de aprovechamiento geotérmicocomo Estados Unidos, Suecia, Alemania, etc.

Aunque los pilotes y las pantallas son con diferencia loselementos de cimentación más frecuentemente utilizados,gracias a las continuas innovaciones científicas y tecnológicasexisten en la actualidad otros tipos de elementos que puedenutilizarse para extracción y almacenamiento de energía geo-térmica en una obra (Figura 1):

• Clavos, clavijas, bulones, anclajes, activados térmica-mente.

• Geosintéticos, fundamentalmente geotextiles no tejidosy geocompuestos, aunque también pueden usarse algu-nas geomembranas.

• Revestimientos termo-activos de hormigón armado.Ellos permiten incorporar una instalación de aprovecha-

miento geotérmico a la construcción de una obra pública comoun túnel, un puente, una estación de tren o una carretera. Nohay que perder de vista el hecho de que cualquier obra pú-blica supone necesariamente la instalación de grandes canti-dades y superficies de hormigón o cemento en contacto directocon el terreno. Activar térmicamente estas masas de hormi-gón o cemento mediante la instalación de cualquiera de loselementos anteriormente citados permite extraer energía delterreno circundante, dando con ello un valor añadido a la es-tructura construida.

Se analizarán a continuación los diferentes tipos de obrasde ingeniería en las que ha sido posible incorporar instalacio-nes de aprovechamiento geotérmico como por ejemplo túneles,estaciones de tren y metro, y sistemas de fusión de nieve ydeshielo. No se han considerado en este trabajo las cimenta-ciones termo-activas en la edificación ya que esta posibilidades estudiada y explicada en profundidad por otros autores(Mazariegos et al.) en esta misma revista.

3.1. TÚNELESLas grandes obras de túneles que atraviesan macizos rocososdrenan las aguas subterráneas que encuentran a su paso al ob-jeto de estabilizar la estructura de las paredes del túnel y man-tener saneado el interior de la obra. Estas obras son canaliza-das al exterior y vertidas a las redes hidrográficas superficialesmás próximas. Sin embargo, en función del espesor del macizorocoso que recubre el túnel y del gradiente geotérmico de los te-rrenos atravesados, esas aguas subterráneas pueden constituirun potencial geotérmico importante, alcanzando, como en losgrandes túneles de Suiza, temperaturas de hasta 30°C.

En este país y los adyacentes que comparten la cadena delos Alpes, existen hoy día más de 1.000 túneles ferroviarios yde carretera (Llopis & Rodrigo, 2008). Al realizar las laboresde investigación geológica y geotécnica, está prácticamenteasegurada la investigación geotérmica, sin sobrecoste alguno,lo cual permite adelantar la capacidad del recurso potencial yrealizar las obras de captación de las aguas subterráneas y desu conducción, al tiempo que se realiza la construcción de lainfraestructura existente del túnel.

El primer túnel termo-activo construido fue un proyectopiloto de investigación conocido como “Energy tunnel”, ubi-cado en la línea de ferrocarril que une Viena con el Oeste deEuropa, atravesando los bosques de Viena y unos terrenos decomplicada geología consistentes en formaciones de Flysch ymolasas. Como parte de esta línea, se ha construido el túnelLainzer, que cuenta con intercambiadores de calor que permi-ten explotar una gran cantidad de energía geotérmica.

El túnel Lainzer tiene 12,8 Km de longitud y fue cons-truido en diferentes secciones y siguiendo diferentes métodos,en falso túnel y según el nuevo método austriaco.

El revestimiento exterior del túnel consiste en una pantallade pilotes de 120 cm de diámetro y 20 metros de longitud, unode cada tres equipado con captadores geotérmicos. En total eltúnel cuenta con 59 pilotes termo-activos con una capacidad ca-lorífica de 100 KW. La extracción anual es de 144 MWh que seutiliza para calentar Hadesdorf Sports Junior High School.

La figura 2 muestra la sección longitudinal del mismodonde los pilotes perforados se unen mediante columnas de


FIGURA 2. Sección longitudinaldel túnel Lainzer (Basado en:

Brandl, 2006).

150 150

Jet Groutingd 80 cm

Revestimiento interiordel túnel d = 45 cm

Hormigón proyectadoIntercambiadoresde calor

SUELO

TÚNEL


jet-grouting. Uno de cada tres pilotes es activado térmica-mente instalando en el interior las conducciones hidráulicascon el fluido portador de calor. Estas conducciones quedanprotegidas por las barras que conforman la armadura del pi-lote. Se observa también la capa de hormigón proyectado y lospaneles de hormigón armado que conforman el revestimientointerior del túnel.

Pero en el campo de aprovechamiento geotérmico en túne-les, el caso más destacable es sin lugar a dudas Suiza. La Ofi-cina Federal de la Energía inició en los años 90 del siglo XXun estudio del potencial geotérmico de los túneles que atra-viesan los Alpes, estimando un potencial de extracción de ca-lor de 30 MW. Se recogen en la tabla 1 los más destacados(Wilhelm & Rybach, 2003).

Así, por ejemplo, la aguas del túnel de Furia, aunadas enuna sola tubería a la salida de dicho túnel y transportadaspor gravedad hasta la ciudad de Oberwald, son capaces de cli-matizar 177 apartamentos y un centro deportivo. Los 5.400l/min de su caudal, a 16°C son distribuidos a las diversasbombas de calor que atienden a cada sector.

Cabe destacar la actividad de investigación llevada a cabodesde el año 2000 en el Institute for Soil Mechanics and Geo-technical Engineering of the Viena University of Technology enel campo de la instalación de captadores de calor en el senodel hormigón proyectado en las paredes del túnel, construidomediante el nuevo método austriaco. Dentro de este estudio,Brandl et al. (2006) defienden en su artículo las posibilidadesde los geosintéticos como material soporte en la instalación decaptadores. En concreto, los autores describen geocompuestosformados por dos geotextiles no tejidos entre los cuales se ins-tala el sistema de tubos de polietileno de alta densidad conec-tados, en cuyo interior circula el fluido que transportan el ca-lor hasta la bomba. Estos geocompuestos cumplen una

función múltiple ya que además de la función de refuerzo ydrenaje, trabajan como sistema de explotación geotérmica, yasea en modo de extracción o de acumulación. La instalaciónde estos geocompuestos es similar a la de cualquier geotextilno tejido, ya que vienen de fábrica con los tubos colectores em-bebidos entre las dos capas de geotextil. Únicamente ha de te-nerse especial precaución durante la proyección del hormigóny garantizar finalmente la ausencia de cualquier fuga en elsistema.

3.2. ESTACIONES DE TREN Y METRO

La climatización geotérmica de estaciones de metro y trensubterráneas es muy similar a la explotación geotérmica entúneles, desde el punto de vista del diseño, instalación y fun-cionamiento, dado que comparten elementos estructuralesque pueden ser activados térmicamente. Como ejemplo deinstalaciones geotérmicas en estaciones, cabe destacar el casode Viena.

En la ciudad de Viena, las obras de ampliación de la líneade metro U2 ofrecieron la posibilidad de incluir en cuatro es-taciones de metro instalaciones de obtención de energía geo-térmica aprovechando las estructuras en contacto con el te-rreno. Este proyecto supone la primera aplicación geotérmicaen instalaciones de metro en el mundo. Las estaciones fueronconstruidas mediante falso túnel. Los intercambiadores de ca-lor se instalaron en el interior de las pantallas, losas de ci-mentación y entre el recubrimiento primario y secundario delas paredes del túnel. Por esta razón, se instaló un gran nú-mero de sensores con el fin de tener completamente monitori-zadas las estaciones, incluyendo la temperatura y deforma-ción en las pantallas, en los túneles y 5 metros por debajo delas losas de cimentación.


Nombre Tipo Caudal agua(l/min)

T°C del agua(°C)

Capacidad calorífica(kW)

Ascona Carretera 360 12 150

Furia Ferroviario 5.400 16 3.758

Frutigen Investigación 800 17 612

Gotthard Carretera 7.200 15 4.510

Grenchenberg Ferroviario 18.000 10 11.693

Hauenstein Ferroviario 2.500 19 2.262

Isla Bella Carretera 800 15 501

Lötschberg Ferroviario 731 12 305

Mappo-Moretina Carretera 983 16 684

Mauvoisin Investigación 600 20 584

Polmengo Investigación 600 20 584

Rawyl Investigación 1.200 24 1.503

Ricken Ferroviario 1.200 12 501

Simplon Ferroviario 1.380 13 672

Vereina Ferroviario 2.100 17 1.608

TABLA 1. Túneles suizos a través de los Alpes con aprovechamiento geotérmico. (Fuente: Wilhelm & Rybach, 2003).


Como ejemplo de estación de tren geotérmica, valgan losdatos de la estación U2/2-Taborstraße (Figura 3): refrigeradamediante intercambiadores de calor instalados en 1.865 m2 depantallas y 1.640 m2 en la losa de cimentación. Fue necesarioun volumen de fluido de intercambio de calor (agua con glicol)de 10 m3 cuya temperatura varía entre 10°C y 28°C permi-tiendo una refrigeración máxima de 81 kW. Se instalaronbandas extensométricas y extensómetros de cadena en laspantallas y debajo de la losa de cimentación así como sensoresde temperatura en ambos lados de las pantallas así como enel fluido de extracción y retorno con el fin de investigar la in-fluencia de la explotación térmica en la deformación del te-rreno y de la estructura.

Markiewicz et al. (2005) describen con todo detalle en suartículo la construcción de estas estaciones de tren geotérmi-cas, la instalación de los colectores en el interior de las estruc-turas de cimentación (losas y pantallas), la instrumentacióncolocada con el fin de controlar en todo momento el comporta-miento estructural y térmico del conjunto, así como la puestaen marcha de la instalación.

3.3. FUSIÓN DE HIELO O NIEVE EN ACERAS, ANDENES,PUENTES Y CARRETERAS

Durante el invierno, en función de las condiciones climatológi-cas de la zona, los puentes y carreteras pueden verse cubier-tos de nieve lo que puede dificultar o incluso imposibilitar eltráfico. Para evitar situaciones de peligro, es fundamental re-alizar una cuidadosa labor de mantenimiento. La técnica másgeneralizada de lucha contra la presencia de nieve o hielo enlos pavimentos de carreteras o puentes es la adición de sales.Se calcula que 30 millones de toneladas de sal se utilizananualmente con este fin (Wang et al, 2008). Sin embargo, este

método produce una serie de impactos negativos como la co-rrosión del hormigón o la contaminación del terreno o aguasubterránea (Hutchinson, 1970).

La energía geotérmica, incluso de baja temperatura, puedeaportar esta labor de mantenimiento desde abajo haciaarriba, utilizando una energía renovable y siempre accesible.En los casos de energía geotérmica de baja y muy baja ental-pía, ésta puede ser explotada en un sistema mixto de inter-cambiadores de calor alimentados mediante energía solar osimplemente mediante bombas geotérmicas (Spitler & Hogue,1995). Este tipo de instalaciones permiten cumplir los si-guientes objetivos (Brandl, 2006):

• Mantener las carreteras o puentes libres de nieve ohielo, reduciendo con ello los posibles riesgos de tráficopara los usuarios.

• Reducir la necesidad de limpieza del pavimento.• Reducir la aparición y desarrollo de roderas en pavi-

mentos de asfalto inducidas por el tráfico pesado y latemperatura.

• Evitar el uso de sales o gravilla para fundir el hielo o lanieve. Ello a su vez reduce el impacto ambiental y loscostes de mantenimiento.

• Evitar el uso de cadenas en invierno, que erosionan elpavimento por abrasión y aumentan la frecuencia deoperaciones de mantenimiento de carreteras. En estesentido valga el ejemplo del cálculo realizado en las ca-rreteras que atraviesan los Alpes. Se estima que es po-sible un ahorro de hasta un 50% en gastos de manteni-miento en estas carreteras si se evitara el uso de lascadenas. Ello sería posible si se instalaran conduccio-nes geotérmicas bajo el pavimento.


FIGURA 3. Sección transversal de la estación de metro U2/2-Taborstraße con pantallas termoactivas. Ubicación de los sensores instalados (Basado en: Brandl, 2006).

N 0

N –1

N –2

Andén 1 Andén 2

Losa

Materialesantrópicos

Limosarenosos

Gravasarenosos

Arena arcilllosaLimos

Arena limosa

Transductores de temperatura

Bandas extensométricas

Extensómetros

Nivel freático

Pantallasgeotérmicas(D = 80 cm)

Pantallasgeotérmicas(D = 80 cm)

Pantallacon instrumentación

Sedi

men

tos

cuar

tena

rios

Sedi

men

tos

terc

iario

s

N –3

N –5

N –4


Teniendo en cuenta que estas instalaciones deben, en pri-mer lugar fundir la nieve, y en segundo lugar evaporar elagua resultante, los requisitos de calefacción para fundirnieve dependen de cuatro factores atmosféricos: frecuencia denevadas, temperatura del aire, humedad relativa y velocidaddel viento. Teniendo en cuenta estos factores ambientales la“American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditio-ning Engineers” (ASHRAE) propone un método de diseño deinstalaciones de fusión de hielo ampliamente aceptado y utili-zado en todo el mundo (ASHRAE Handbook, 1995).

Se han desarrollado en todo el mundo numerosos experi-mentos piloto con el fin de evaluar el potencial de este sis-tema, en ocasiones ayudados por la instalación de bombas decalor:

• 1948: La instalación más antigua del mundo, en Esta-dos Unidos (Lund, 2000).

• 1990: Numerosas plantas piloto en Japón (Morita &Tago, 2000, 2005).

• 1994: Planta piloto SERSO en Suiza. Considerada lamadre de la aplicación geotérmica al deshielo de puen-tes y carreteras. Desde su creación, todavía sigue fun-cionando. Este sistema recoge calor en verano de la pro-pia carretera y la almacena en las rocas adyacentes, enun campo de almacenamiento subterráneo de energíatérmica (ASET) de 55.000 m3 compuesto por 91 sondeoscon intercambiadores de calor, de 65 m de profundidadcada uno. En invierno, este calor almacenado sirve paramantener la temperatura de la carretera por encima delos 3°C. Expertos aseguran que utilizar la misma insta-lación hidráulica para enfriar en verano la carretera,podría prolongar la vida útil de la misma. La superficiecalentada con esta instalación es de 1.300 m2. (Eugster,2007). Los costes de instalación fueron 2.500 €/m2 y unmantenimiento de 4 €/m2/año.

• En 2002 se construyeron sistemas de calefacción geo-térmicos para fundir nieve en dos aceras en AomoriCity, en Japón, considerada la ciudad de más de300.000 habitantes con mayor tasa de nevadas, lle-gando a superar en ocasiones los 10 metros de altura.Parte del calor se obtenía de agua de mar a 6°C me-diante bombas geotérmicas, extrayendo el resto directa-mente de sondeos donde el agua subterranea se en-cuentra a 14°C.

• En 2005 se construyó en la región de Harz (Alemania)una instalación geotérmica para descongelar los ande-nes de usuarios de una parada de tren local. Ello supo-nía descongelar 200 m de longitud con 9 sondeos de 200metros de profundidad cada uno. Esta instalación se re-alizó siguiendo el proyecto SERSO de Suiza, funcio-nando mediante almacenamiento estacional del caloren el terreno.

• En 2006 se habilita un sistema de calentamiento bajoun carril de la carretera sobre el puente de la felicidad“Happiness Bridge” en Fukui (Japón). Durante el añosiguiente se amplía a dos carriles. En total más de3.900 m2 de superficie de carretera calentados me-diante 378 pilas de acero de 140 mm de diámetro y 23metros de profundidad.

Sanner (2007) realiza una magnífica recopilación de todaslas experiencias de fusión de nieve y hielo mediante aprove-chamiento de energía geotérmica en todo el mundo. En supresentación describe un amplio rango de aplicaciones comocarreteras, aparcamientos, aceras, pistas de aeropuertos, an-denes de estaciones de tren e instalaciones deportivas.

En la actualidad, se está llevando a cabo en Austria unproyecto a largo plazo cuyo objetivo es determinar la posiciónóptima de los intercambiadores de calor en los pavimentosdesde el punto de vista térmico, energético y estructural. Lasexigencias del sistema desde cada punto de vista son diferen-tes y enfrentadas, por lo que es necesario llegar a una solu-ción de compromiso.

Los costes de este tipo de instalaciones no son muy elevados:desde algunos cientos de € hasta 1.200 €/m2 (www.EGEC.org).


FIGURA 4. Tubos embebidos en aceras para fundir la nieve en KlamathFalls, Oregon. (Fuente: USGS, 2003).

FIGURA 5. Tablero de puente en Oklahoma State University, Stillwater,E.E.U.U. (Fuente: Llopis y Rodrigo, 2008).


Las canalizaciones pueden ser de metal (acero, hierro o co-bre) o plástico. Sin embargo, dado que se utilizan sales comofundentes de nieve o hielo, con el fin de evitar corrosión, espreferible usar materiales derivados del polietileno de altadensidad (PEAD). Las tuberías se pueden llenar simplementede agua pero es mucho más eficaz usar una solución anticon-gelante de glicol. Ello es debido a que este tipo de instalacio-nes suelen diseñarse para zonas con climas muy fríos.

Por encima del sistema de tuberías se podrá instalar un pa-vimento de hormigón de cemento Portland o asfáltico. La con-ductividad térmica del asfalto es menor que la del cemento Por-tland, lo cual afecta y ha de tenerse en cuenta en el diseño delsistema.

Es recomendable que las tuberías no atraviesen juntas deexpansión o contracción del pavimento, ya que pueden resultardañadas por los movimientos repetidos de las losas. Finalmente,se debe proteger el pavimento de un posible hinchamiento delterreno por congelación, diseñando un drenaje apropiado y unacapa de base y subbase con suficiente espesor.

Este tipo de instalaciones, con todas las características des-critas hasta el momento, son también aptas para pistas de aero-puertos. En este sentido Senser (1982) realiza en su tesis un es-tudio teórico, desarrollando un modelo de fusión de hieloapropiado para calentar pavimentos mediante tuberías de calor.

Se han realizado numerosos estudios teóricos para la apli-cación de sistemas geotérmicos de calentamiento de pistas dedespegue y aterrizaje en aeropuertos. Posiblemente el pri-mero de ellos, el aeropuerto de Chicago, data de 1982. Poste-riormente le siguieron el aeropuerto de Wien-Schwechat enViena (Austria), Eindhoven (Holanda), Kallax en Luleå (Sue-cia), Stuttgart (Alemania) y recientemente se ha analizado laposibilidad de calentar la entrada del aeropuerto de Arlandaen Estocolmo (Suecia).

3.4. ALMACENAMIENTOS SUBTERRÁNEOS DE ENERGÍATÉRMICA (ASET)

En los almacenamientos subterráneos de energía térmica(Underground Thermal Energy Storage UTES) se almacenafrío, calor o ambos bajo tierra.

Durante el invierno se extrae calor del terreno inyectandoagua fría que servirá durante el verano para refrigerar. Du-rante el verano, se inyecta agua caliente que queda almace-nada para ser utilizada en invierno con fines de calefacción. Elfuncionamiento es fundamentalmente el mismo que el de lasbombas de calor, pudiendo ser sistemas abiertos (Aquifer Ther-mal Energy Storage: ATES) o cerrados (Borehole ThermalEnergy Storage: BTES) (Tabla II). Esta tecnología sólo fun-ciona en grandes instalaciones, donde el volumen de suelo quees calentado o enfriado mediante este sistema es grande com-parado con su superficie.

Además de estas dos tipologías bien conocidas y utilizadas,Gehlin (1998) menciona en su tesis de licenciatura un tercergrupo: Almacenamiento de energía geotérmica en cuevas(Rock Cavern Thermal Energy Storage: CTES).

El primer almacenamiento subterráneo de frío fue cons-truido en 1987 para refrigerar las instalaciones de una com-pañía de pinturas en Holanda (Kooiman & van Loon, 1991). Apartir de entonces, este tipo de instalaciones se desarrollanrápidamente, sobre todo en Holanda, Bélgica y los países es-candinavos.

El almacenamiento subterráneo de calor puede llegar a serde temperaturas muy elevadas. Algunos experimentos lleva-dos a cabo en Francia y Estados Unidos durante los años 80llegaron a superar los 100°C aunque sin éxito. En Holanda, elalmacenamiento subterráneo de calor de la Universidad deUtrecht se encuentra operativo desde 1991 llegando a tempe-


TABLA 2. Almacenamiento térmico subterráneo en acuíferos y en sondeos. Basado en Eugster & Sanner, 2007.

Agua subterránea como medio de almacenamiento y transporte de calor Sistema de sondeos y tuberías

Terrenos de media a alta conductividad hidráulica y transmisividad Elevado calor específico

Elevada porosidad Conductividad térmica media

Flujo de agua bajo o nulo Flujo de agua subterránea nulo

Ejemplos

Acuíferos en arenas o gravas porosas Depósitos sedimentarios como margas, arcillas, etc

Acuíferos en rocas fracturadas: carbonatos, areniscas o rocasmetamórficas o igneas

Rocas igneas como granito, gabro, etc.Rocas metamórficas (gneiss...)

BTES: Borehole StorageAlmacenamiento en sondeos

ATES: Aquifer StorageAlmacenamiento en acuífero


raturas de hasta 90°C, aunque finalmente fue eliminado ysustituido por otro sistema.

Sin embargo, los conocimientos y la tecnología relaciona-dos con el almacenamiento subterráneo de frío y calor han idomejorando y hoy en día existen numerosas instalaciones condiferentes aplicaciones.

Un buen ejemplo de combinación de almacenamiento decalor y frío es la conexión de superficies de calles y carreterasa un sistema de almacenamiento subterráneo de energía geo-térmica (Figura 6).

El calor proveniente de la radiación solar sobre la superfi-cie se puede almacenar y utilizar en invierno para desconge-lar y derretir la nieve en la misma superficie. Este sistema seusa principalmente en puentes, aunque también se puede uti-lizar en cualquier otra superficie como carreteras, pistas deaterrizaje, etc.

Cabe destacar el ejemplo del Parlamento Alemán de Ber-lín, donde el calor residual proveniente de un cogenerador decalor y energía se almacena durante el verano en un almacénsubterráneo de energía térmica para calefactor en invierno(Figura 7).

Este edificio de Berlín incorpora por primera vez dos siste-mas de almacenamiento a distintos niveles separados por unestrato acuitardo: el superior, a 60 metros de profundidad paraalmacenamiento de frío y el inferior, a más de 300 metros deprofundidad, para almacenamiento de calor (hasta 70°C). Así,todo el exceso de calor proveniente de la generación de energíase almacena en el sistema inferior, mientras que gran parte dela refrigeración proviene del sistema superior.

En la figura 8 se puede observar una sección de la mayorinstalación de almacén subterráneo de calor y frío de Suiza,ubicado en Lucerna y consistente en un sistema cerrado for-mado por 49 sondas geotérmicas de 160 m de profundidad.

Durante el verano, los captadores centrales recogen el re-torno de agua más caliente que los de la periferia y transmi-ten el calor al terreno, convirtiéndolo en un foco de captaciónpara el invierno. Durante el invierno, la captación se realizaen esta zona del terreno calentado en verano, devolviendo elagua más fría a los sondeos exteriores, que enfrían el terrenoy lo convierten en el foco adecuado de captación para el si-guiente verano, repitiéndose el ciclo anualmente.

Unas placas solares refuerzan la producción de calor paraalimentar las bombas geotérmicas y la producción de agua ca-liente sanitaria.

En resumen, los almacenamientos subterráneos de ener-gía térmica, aunque más costosos, presentan una serie deventajas que los hacen muy interesantes en los casos en losque se disponga del espacio necesario y se cumplan unas de-terminadas cualidades del terreno, como la inercia térmicaque le permita almacenar el calor o el frío. Algunas de susventajas más destacables son (Llopis y Rodrigo, 2008):

• Mejora el rendimiento de la instalación.• Ahorro de energía eléctrica, con la consecuente dismi-

nución de costes.• Mantenimiento del medio geotérmico, impidiendo un

eventual agotamiento estacional.• Mayor durabilidad de la maquinaria, al funcionar con

menores diferencias térmicas.Sin embargo, es necesario tener precaución con una serie de

problemas técnicos relacionados con los cambios de tempera-tura en los acuíferos. Sanner (1999) describe en su estudio lascomplicaciones que pueden surgir en los almacenamientos decalor subterráneo derivados de la alteración de las propiedadesquímicas del agua subterránea como consecuencia de la varia-ción de temperatura. Esta modificación de las propiedades delagua puede llevar a fenómenos no deseados como la obstruc-ción y colmatación de la red porosa, oxidación, corrosión y lixi-viación o percolación del agua a niveles más profundos.

Teniendo estas consideraciones en cuenta, es posible dise-ñar y construir buenos y fiables almacenamientos térmicoscomo medio de ahorro de energía y reducción de emisiones deCO2 a la atmósfera. Para más información sobre este tipo deinstalaciones se recomienda visitar la pagina web de la Agen-cia Internacional de la Energía (IEA): http://iea-eces.org


FIGURA 6. Almacenamiento subterráneo de energía térmica de tipocerrado. Aplicación para fusión de nieve y hielo en puentes o carreteras.(Fuente: Mands & Sanner www.UBeG.de).

FIGURA 7. Almacenamiento subterráneo de energía térmica de tipocerrado. El Parlamento Alemán de Berlín. (Fuente: Mands & Sannerwww.UBeG.de).

Sistema de calefacciónde la superficie de la carretera

Bomba geotérmica

Almacenamiento subterráneo de Energía TérmicaTipo cerrado (sondeos)

Biofuel

Calor Electricidad

Cogeneracióncalor/electr.

Almacenamiento de frío Prof. 60 m.

Prof. > 300 m.Almacenamiento de calor

Rupel Clay: Acuitardo


3.5. OTRAS APLICACIONES: DESALINIZACIÓN GEOTÉRMICA

El proyecto europeo “Key Issues for Renewable Heat in Eu-rope” (K4RES-H) nació en 2004 con el objetivo de fomentar ladiscusión e interacción a escala europea en materia de ener-gías renovables (geotérmica, solar y biomasa). Este proyectoestaba articulado en 5 capítulos fundamentales que a su vez

cubrían los tres tipos de energías renovables estudiados (Fi-gura 9). Los cinco capítulos eran: Objetivos verificables,Cuantificación de la distribución de energía, Normativa, In-centivos económicos y Aplicaciones innovadoras de las ener-gías renovables. Para más información se recomienda visitarla página web de “European Renewable Energy Council(EREC)”: http://www.erec-renewables.org/


FIGURA 8. Esquema del mayor almacenamiento de calor subterráneo de Suiza. Centre D4 en Root. (Fuente: La géothermie. Une technologie efficace.Suisse énergie).

FIGURA 9. Esquema de laestructura del proyecto K4RES-H en capítulos y paquetes detrabajo. http://www.erec-renewables.org/.

Z2

CALDERA

CALEFACCIÓN Y REFRIGERACIÓNDE LOCALES

PLACAS SOLARES 660 m2

REFRIGERACIÓN DIRECTA

ALMACENAMIENTO DE FRÍOALMACENAMIENTODE CALORDISTRIBUCCIÓN DEENERGÌA SOLAR

49 SONDAS GEOTÉRMICASDE 160 M

BOMBA DE CALOR+ MÁQUINA FRIGORÍFICA

ALMACÉN SUBTERRÁNEODE CALOR

AGUA CALIENTESANITARIA

Z3

Key Issues for RES-Heat

WP2: Common RES-HMethod. Framework

WP2: Common RES-HIntegration of Results

Guide-lines

Guide-lines

Guide-lines

Guide-lines

Guide-lines

WP6/7

RES-HeatAction Plan

WP3: Solar Thermal Solar ThermalAction Plan

Biomass Action Plan

Geothermal Action Plan

Verif

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Qua

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Ener

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S-H

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n

WP4: Biomass

WP5: Geothermal


Dentro del capítulo de aplicaciones innovadoras de la ener-gía geotérmica, ya se menciona en este proyecto la posibilidadde aprovechar la energía del interior de la tierra para abaste-cer las necesidades del proceso de desalinización de agua demar. La información que se resume a continuación ha sido ex-traída de la memoria de este proyecto y de la página web delEuropean Geothermal Energy Council (EGEC).

El 97,5% del agua del planeta es marina. Del 2,5% de aguarestante dulce, el 70% se encuentra en los polos formando loscasquetes polares y la mayor parte del 30% restante se en-cuentra en acuíferos de variable accesibilidad. Un minúsculoporcentaje de agua dulce (menos del 1% del agua dulce, me-nos del 0,007% del total de agua del planeta) se encuentra ac-cesible al consumo humano en ríos, lagos y acuíferos poco pro-fundos. Por lo tanto, los océanos son una fuente alternativa deagua para el hombre, aunque la extracción de agua dulce apartir de ésta es un proceso que consume grandes cantidadesde energía. Por ello, la combinación del aprovechamiento geo-térmico para extraer energía y aplicarla en una planta desali-nizadora abre nuevas posibilidades al desarrollo de esta tec-nología.

Hasta el momento no existen muchas experiencias eneste campo. Cabe destacar el caso de la isla de Milos, enGrecia (Fytikas et al., 2005; Karytsas et al. 2002, 2004; Ma-nologlou et al. 2004). Esta isla se encuentra en un arco vol-cánico y, debido a la intensa actividad magmática, presentaun elevado potencial de aprovechamiento geotérmico dealta, media y baja temperatura. En este contexto geológicose ha llevado a cabo un proyecto de construcción de unaplanta de desalinización de agua de mar totalmente alimen-tada por energía geotérmica. La capacidad de producción esde 75-80 m3/h de agua potable, a un precio realmente bajo(1,5 e/m3). Esta cantidad es suficiente para abastecer deagua potable a la totalidad de la isla. La explotación geotér-mica que alimenta la planta desalinizadora está compuestapor 10 pozos de profundidad comprendida entre 70 y 185metros, que producen un caudal total de 550 m3/h, de agua auna temperatura de 55-100°C.

Existen otros proyectos similares de plantas desalinizado-ras de agua de mar potenciadas por explotaciones geotérmi-cas, como la de Sousaki Korinthos. Para más información serecomienda visitar la página web de EGEC (European Geot-hermal Energy Council): www.EGEC.org

4. CONCLUSIONESLa energía geotérmica es una de las fuentes de energía reno-vable menos conocida pero ofrece una amplia gama de posi-bles aplicaciones. Esta energía presenta la ventaja adicionalde que aunque la instalación de sistemas de intercambio geo-térmico implica necesariamente una inversión económica con-siderable, los ahorros documentados en comparación con lastecnologías convencionales, permiten obtener unos periodosde amortización razonables que la convierten en económica-mente interesante a medio plazo. Aunque las aplicacionesmás obvias e inmediatas son instalaciones para calefacción yrefrigeración de edificios mediante intercambiadores de calorgeotérmicos instalados directamente en el terreno o en cimen-taciones termo-activas, existe también la posibilidad de apli-car esta tecnología en la construcción de elementos estructu-rales de hormigón de grandes infraestructuras. En elpresente trabajo se han expuesto algunas de las posibles apli-caciones de aprovechamiento geotérmico asociadas a obraspúblicas, mencionando en cada tipología algunos casos prácti-cos ya construidos y en funcionamiento existentes en elmundo.

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1. INTRODUCCIÓN

Cuando se habla sobre geotermia, surge como un símbolo laidea del géiser que, de forma espectacular, ofrece la imagen decómo desde el interior de la Tierra brota el agua hirviente libe-rando energía interna a través del agua. La imagen es absolu-tamente sugerente, pero un géiser no deja de ser una singula-ridad poco frecuente en el contexto del globo.

Más cercanas, y más abundantes, son otro tipo de manifes-taciones de esta energía del interior de la Tierra que se presen-

tan en zonas volcánicas, asociando ya este tipo de áreas geológi-cas a la presencia de la geotermia. Se trata de las fumarolas,escapes de fluidos termales que surgen en la superficie en te-rrenos volcánicos, creando zonas en las que es fácil imaginarcómo en la antigüedad se asociaban a “las calderas de PedroBotero” y al “averno”, a través de un ambiente en el que vapo-res, gases (y olores) y ruidos crean un escenario mágico.

En general, son las fuentes termales las que, ampliamentedistribuidas a través del territorio, han ofrecido esta imagendel calor que se desprende desde el subsuelo en zonas localiza-

Recursos geotérmicos en España

CELESTINO GARCÍA DE LA NOCEDA MÁRQUEZ (*)

GEOTHERMAL RESOURCES IN SPAINABSTRACT A general view on the geothermal resources is presented and the basic concepts of geothermal fields and theirclassification, the different possibilities of geothermal energy utilization as well as a general panoramic of geothermal energy in Spain.

RESUMEN Se presenta una visión general sobre los recursos geotérmicos y los conceptos básicos de yacimientos geotérmi-cos, así como las diferentes posibilidades de su aprovechamiento y del panorama general de la geotermia en España.

113

Palabras clave: Geotermia, Energía Geotérmica, España.

Keywords: Geothermics, Geothermal Energy, Spain.

(*) Ingeniero de Minas. Responsable de Proyectos de Investigación Geotérmica. Instituto Geológico y Minero de España (IGME). C/ Ríos Rosas 23, 28003, Madrid.


FIGURA 1. Fumarolas y fuentestermales.

das del globo, aunque mucho mas ampliamente distribuidasque las anteriores.

Sin mostrar una espectacularidad como ninguna de las an-teriores manifestaciones, la estabilidad térmica del subsuelo yde las cavidades naturales, fue aprovechada desde tiempos in-memoriales por el hombre para procesos que requerían talescondiciones: lugar para vivir, bodegas…

Es por tanto bien cierto que el hombre ha podido constatarla existencia de un calor que proviene del interior del globo yque aporta la energía suficiente para mantener estable la tem-peratura del subsuelo en grandes espacios, así como es capazde suministrar niveles energéticos de alto valor en áreas mas omenos localizadas del globo.

2. LA ENERGÍA DE LA TIERRAQue la Tierra es un planeta caliente es un hecho bien conocidopor todos. Que una parte del calor de la Tierra es el que recibedel Sol y que otra parte proviene del calor interno del planeta,también están suficientemente asumidos.

De dónde viene el calor interno de la Tierra puede ser unaspecto menos conocido. Hay una parte del calor que se disipa

permanentemente por la superficie del planeta que provienede su propio calor de formación: aquel que la Tierra poseíacuando se formó y que ha ido perdiendo para convertirse en unplaneta habitable.

Otra parte del calor interno lo genera la desintegración demateriales radiactivos muy presentes en las capas más exter-nas del globo que conforman la corteza terrestre.

Finalmente, buena parte de la manifestación “caprichosa”del calor de la Tierra en forma de volcanes, géiseres y fumaro-las se sitúa en zonas tectónicamente activas de la cortezadonde se producen movimientos de ésta. Tanto las zonas decreación de nueva corteza en las dorsales oceánicas como laszonas donde se produce la disminución de corteza al chocar lasdenominadas “placas corticales” así como otras zonas activasson áreas donde se disipan grandes cantidades de energía quese desprenden hacia la parte exterior del globo.

Se sabe desde antiguo que la Tierra está constituida por ca-pas concéntricas. Desde la zona más interna denominada nú-cleo cuyas temperaturas se estiman del orden de los 5.000°Cse transmite por convección el calor a través del denominadomanto interno y del manto externo, más fluido que el anterior.La corteza constituye la capa más externa del globo; tiene es-pesor variable entre 4 y 40 kilómetros; la temperatura vadesde los 800°C en su contacto con el manto externo hasta los15-20°C en la superficie; en esta capa se produce la desinte-gración radiactiva de los materiales que tienen esta propiedad,aportando energía calorífica que se disipa igualmente por lasuperficie terrestre, lo que ha evitado el enfriamiento total delplaneta desde su origen.

Desde un punto de vista más mecánico, la litosfera que estáconstituida por la corteza y la porción más exterior del mantoy que tiene un espesor medio de unos 250 kilómetros, está for-mada por placas que se desplazan separándose entre sí y comoflotando sobre el resto del manto; ello provoca la existencia dezonas donde las placas se separan, con creación de nueva cor-teza y zonas donde las placas convergen, produciéndose lasubducción de una sobre la otra y la consiguiente fusión de cor-teza; además existen zonas de actividad distensiva con disminu-ción de espesor cortical y zonas de fracturación profunda quealcanzan niveles profundos más fluidos. En estas situacionesse produce acercamiento a la superficie de magmas a elevadatemperatura o generación de calor por rozamientos y por todoello gran aporte de energía.

Se puede deducir por tanto que en la mayor parte de la su-perficie del globo (más del 90% del territorio) se produce unadisipación de energía calorífica que viene desde el interior (de

RECURSOS GEOTÉRMICOS EN ESPAÑA


FIGURA 3. Litosfera y placas tectónicas.

FIGURA 2. Estructura interna de la Tierra.

CORTEZAT = 15-800°Ce = 5-35 kmMANTO

800°C < T < 4.000°C

NÚCLEOT < 4.000°C 2.900 Km

ASTENÓSFERA ASTENÓSFERA

PLACA CONTINENTAL

ZONA DE FRACTURA

TRENCH

DORSAL MESOOCEÁNICA ZONA DE SUBDUCCIÓN

FOSAARCO DE ISLA

VOLCÁNCOMPUESTO

“RIFT VALLEY“CONTINENTAL

LITÓSFERA

PLACA OCEÁNICA

zonas profundas o de la propia corteza) con una importanteconstancia en el tiempo y en intensidad (el flujo calorífico me-dio es de 1-1,5 μcal/cm2 seg).

En las zonas geológicamente activas de la corteza el valordel flujo de calor puede alcanzar valores que multiplican pordiez este valor medio.

Este flujo de calor trae como consecuencia un incrementode la temperatura con la profundidad a medida que se penetraen la corteza terrestre. En las zonas estables, esto implica unaumento de unos 2-4°C cada cien metros. En zonas anómalasse pueden superar los 20-30°C cada cien metros.

3. RECURSOS GEOTÉRMICOSLa Directiva Europea de Energías Renovables(*) define la ener-gía geotérmica como la energía almacenada en forma de calorbajo la superficie de la tierra sólida.

A partir de esta definición se puede a su vez establecer queel recurso geotérmico es la parte de la energía geotérmica quese encuentra en una forma concentrada, de tal manera quepuede ser extraída y aprovechada por el hombre.

Lógicamente, la tecnología disponible en cada momentotanto para la localización, extracción y aprovechamiento del re-curso es un factor fundamental para la existencia del recurso yésta viene condicionada por el valor económico del recurso.

Así el yacimiento geotérmico es el lugar geológico en la cor-teza terrestre en el que se localiza el recurso geotérmico deforma que su aprovechamiento (para su aplicación directa enusos de calefacción, industria, agricultura, refrigeración... o bienpara su conversión en energía eléctrica) pueda ser llevado acabo de forma técnicamente viable (con las tecnologías existen-tes y aquellas que pudiesen ser desarrolladas en tiempos próxi-mos), económicamente competitiva y sostenible en el tiempo.

Los recursos geotérmicos se clasifican en función de su ni-vel energético de acuerdo con el valor de la entalpía. Con ob-jeto de hacer más comprensible esta clasificación se sustituyeesta magnitud termodinámica por la temperatura, que es unamagnitud más cercana y que permite dar una idea aproxi-mada del potencial energético.

La clasificación más sencilla de los distintos tipos de recur-sos geotérmicos es:

• Recursos geotérmicos de baja temperatura: aquellos enque el gradiente geotérmico normal mantiene la tempe-ratura del fluido geotérmico en el orden de los 45-100°Calbergado en un rocas permeables situadas a profundi-dades entre los 1.000 y 2.500 metros (o a profundidadesinferiores a los 1.000 metros en caso de mayores gra-dientes). Son adecuados para el aprovechamiento di-recto del calor (calefacción, aplicaciones industriales…)en sistemas situados próximos al punto de captación. Elfluido geotérmico contiene generalmente un elevadocontenido en sales disueltas por lo que su aprovecha-miento requiere, en general, el empleo de intercambia-dores especiales y la inyección del fluido, una vez extra-ído el calor, en el propio yacimiento.

• Recursos geotérmicos de alta temperatura: aquellosen que la temperatura del fluido geotérmico superalos 150°C y éste se encuentra sometido a altas presio-nes. Se localizan en zonas de gradiente geotérmico ele-vado, requieren la existencia de una cobertera que ac-túe como sello del yacimiento y la profundidad a laque se localizan es muy variable, situándose general-mente entre los 1.000 y los 2.500 metros. Se aprove-chan fundamentalmente para la producción de electri-cidad.



FIGURA 4. Yacimientogeotérmico.

(*) Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables.

Flujo de calor(conducción)

Fuente termalo fumarola

Pozo geotérmico

Fluidoscalientes

Área de regarga

Aguameteórica

fría

Intrusiónmagmática

Roca impermeable

(conducción térmica)

Reservorio

(convención termal)

Cubierta impermeable(conducción térmica)

Resulta evidente que esta clasificación tan simple deja im-portantes huecos e imprecisiones. Sin embargo, es a medida quevan surgiendo diferentes necesidades y aplicaciones que puedenser cubiertas mediante la aplicación de nuevas tecnologías,cuando se van diferenciando y definiendo otros tipos de recursos:

• Recursos geotérmicos de muy baja temperatura: sonaquellos en los que se aprovechan los niveles estables detemperatura del subsuelo poco profundo (hasta profun-didades que generalmente no alcanzan los 250 metros,incluyendo aquellas que van asociadas a elementosconstructivos de la edificación) o de aguas subterráneasincluidas las provenientes de labores mineras y drenajesde obras civiles siempre para su uso exclusivamenteenergético y no consuntivo del agua. Este tipo de recur-sos se puede localizar prácticamente en cualquier puntodel territorio ya que no se requiere estar situados sobreningún tipo de anomalía geotérmica y son aprovechadospara usos térmicos en sistemas de aireación, calefaccióny climatización de locales y/o procesos, generalmentemediante el uso de la bomba de calor.

• Recursos geotérmicos de media temperatura: son aque-llos en los que el fluido se encuentra a temperaturas en-tre 100°C y 150°C. Pueden ser localizados en zonas congradiente geotérmico normal a profundidades entre2.000 y 4.000 metros, aunque las profundidades puedendisminuir de forma importante en zonas de gradientemás elevado. Pueden, por tanto, ser aprovechados encentrales de generación eléctrica, pero la conversión va-por-electricidad se realiza con un rendimiento menor, yaque requiere la utilización de un fluido intermedio demenor temperatura de vaporización. También puede ser

utilizado para uso térmico en calefacción y refrigeraciónen sistemas urbanos y en procesos industriales.

• Recursos geotérmicos de roca caliente seca (actualmenteincluidos en los denominados sistemas geotérmicos esti-mulados): son aquellos en los que sin previa existenciade fluido (tan sólo una masa de roca a elevada tempera-tura), mediante técnicas de fracturación artificial e in-yección de fluido se consigue establecer un circuito geo-térmico con introducción de agua fría y extracción devapor que es utilizado para la generación de electrici-dad, en centrales binarias como los recursos de mediatemperatura.

Finalmente cabe reseñar otros tipos de recursos cuya tecno-logía aún está en fase incipiente, entre los que cabe señalar:

• Recursos geotérmicos en rocas incompletamente solidifi-cadas: en áreas de volcanismo reciente, se encuentranrocas en estado de fusión o parcialmente solidificadas, alas que se les puede extraer su energía.

• Recursos geotérmicos en condiciones hipercríticas: lascondiciones termodinámicas del fluido geotérmico se si-túan por encima del punto crítico. Se trata de futurosdesarrollos en zonas muy privilegiadas del globo.

Todo este panorama de distintos recursos permite ampliar deforma muy notable el estrecho abanico que se podía plantearcuando se llevaron a cabo los primeros trabajos de investigacióngeotérmica en España en la década de los 70 del pasado siglo XX.



FIGURA 5. Recursos geotérmicos someros de muy baja temperatura.

FIGURA 6. Yacimiento de roca caliente seca a gran profundidad.

T: 4°C

T: 10°C

4. APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICALos recursos geotérmicos constituyen un recurso geológico-mi-nero de tipo energético y en gran parte renovable cuyas especi-fidades conllevan el desarrollo de diferentes tecnologías queposibilitan su aprovechamiento. No hay que olvidar que laenergía térmica que se explota está contenida tanto en elfluido geotérmico como en la roca que lo contiene y que sólouna parte de esta energía es recuperable como consecuenciadel comportamiento termodinámico del sistema fluido-roca;también es importante conocer que se trata de un recurso quese aprovecha generalmente mediante perforaciones a travésde las cuales se eleva hasta la superficie el fluido geotérmicoque actúa como elemento de transporte de la energía; final-mente, que los elementos tecnológicos que en la superficieaprovechan la energía contenida en el fluido geotérmico hande estar adaptados a las características del fluido.

Por todo ello, las tecnologías de aprovechamiento geotér-mico dependen básicamente del nivel energético del fluido.

Los recursos geotérmicos de alta temperatura se aprove-chan fundamentalmente para la producción de electricidad. Eltipo de planta necesaria para la generación eléctrica dependede las características del fluido geotérmico. En los yacimientosde vapor seco, éste se turbina directamente. Este tipo de yaci-mientos es muy escaso ya que lo más frecuente es la mezcla devapor y agua sobrecalentada. Las plantas requieren la instala-ción de un separador de fases (vapor–líquido) que podrán seren una o varias etapas, lo que da origen a las plantas “flash”.

Cuando las temperaturas no son suficientes para que elfluido geotérmico se lleve directamente a turbinas (o cuando elcontenido salino pueda ser dañino para los elementos de laturbina), se utilizan ciclos binarios. En este tipo de plantas, elfluido geotérmico intercambia su energía con un fluido de bajopunto de vaporización que es el que se lleva a la turbina. Lamejora en este tipo ciclos en las últimas décadas, ha permitidoincrementar el rendimiento de este tipo de plantas, cada vezmás numerosas en el mundo.



FIGURA 7. Sondeo geotérmico(alta temperatura) y separadorde fluido.

FIGURA 8. Planta geotérmica(ciclo binario).

Dado que los recursos de alta temperatura se localizanúnicamente en zonas muy contadas y privilegiadas del globo,se intentaba incrementar las zonas donde fuese posible apro-vechar la energía geotérmica para la producción de electrici-dad. Por ello, ya desde el comienzo de los años 70 se estudió laposibilidad de aprovechar el calor existente en masas de rocacalientes a ciertas profundidades, aún sin existencia de fluidogeotérmico. Comenzó así la investigación de los denominadoslos yacimientos de Roca Caliente Seca (HDR), en los que setrataba de crear artificialmente una zona fisurada en el ma-cizo rocoso en la que posteriormente se inyectase agua y seextrajese vapor para producir electricidad. Aunque se desa-rrollaron nuevas técnicas para la investigación y monitoriza-ción de estos yacimientos, el mayor esfuerzo innovador eneste campo fue, sin lugar a duda, la forma de crear una zonapermeable en el interior de la masa rocosa. La adaptación detécnicas utilizadas en los yacimientos de hidrocarburos fue laclave para lograr el éxito en este tipo de yacimientos creadosartificialmente. La inyección de agua a presión a través deuna primera perforación que alcance la zona objetivo, permiteabrir las fisuras preexistentes en la roca objetivo y que éstasse mantengan abiertas de forma permanente, por lo que secrea en el macizo rocoso una zona permeable limitada local-mente. Tras alcanzar esta zona alterada mediante una se-gunda perforación, se establece un circuito geotérmico en elque uno de los sondeos se utiliza para la inyección de agua ypor el segundo sondeo se obtiene esta agua a la temperaturasuficiente para poder llevarla a una planta geotérmica en laque se turbina para producir electricidad.

Estas técnicas desarrolladas para los yacimientos de rocacaliente seca, pueden ser usadas para aquellos en los quepueda existir fluido aunque la permeabilidad sea muy baja;por ello se ha extendido su campo de aplicación a los yacimien-tos que puedan ser objeto de mejora en su productividad, in-cluyendo aquellos que fueron descartados en épocas anterioresdebido a su baja permeabilidad; se denominan por tanto a to-dos ellos como Sistemas Geotérmicos Estimulados (EGS) queengloba a los anteriores yacimientos HDR. La demostración dela viabilidad técnica y económica de este tipo de yacimientospermite albergar grandes expectativas para estos nuevos re-cursos. De hecho, el Instituto Tecnológico de Massachusettselaboró un informe en 2006 titulado El Futuro de la EnergíaGeotérmica. Impacto de los Sistemas Geotérmicos Estimula-dos (EGS) en los Estados Unidos en el siglo XXI. En él se se-ñala que, con la inversión adecuada, esta tecnología podría su-ministrar en 2050 hasta el 10% de la energía eléctrica queactualmente está instalada en USA.

Los recursos geotérmicos de baja temperatura pueden serutilizados para el aprovechamiento directo del calor. Dado que eltransporte del calor requiere infraestructuras de elevado coste ycon pérdidas energéticas importantes, se requiere en estos casosque la demanda se sitúe próxima al centro geotérmico, donde seubican las cabezas de los sondeos y se localiza el intercambiador.De esta forma, el circuito geotérmico que actúa como la calderadel sistema de calefacción que se va a utilizar, está compuestoúnicamente por los dos sondeos que conforma el doblete geotér-mico (el sondeo de extracción y el de inyección) y el intercambia-dor; estos elementos que conforman el circuito geotérmico debenestar protegidos contra los procesos de corrosión producidos porlos fluidos con altos niveles en sales disueltas así como los pro-blemas de precipitación de sales y encostramientos. El resto esel sistema de superficie que prácticamente es un sistema con-vencional de distribución de calefacción. La geotermia se adaptacon mayor facilidad cuando se utilizan elementos de calefacciónde baja temperatura como son los suelos radiantes. Normal-mente la cobertura energética total de la demanda de calefac-

ción mediante la geotermia dificulta la rentabilidad del sistemaal desaprovechar gran parte de la potencia térmica disponible;por esta razón se suele usar un sistema de apoyo que cubra laspuntas de demanda, garantizando la geotermia la mayor partede la demanda de energía.

Además de los usos en calefacción de viviendas y locales,existen multitud de aplicaciones de tipo industrial en las que senecesita aporte de calor. La mayor parte están relacionadas conlas industrias del sector agrícola y alimentario si bien cabe des-tacar los usos en calefacción de invernaderos, piscicultura, etc.

Cuando se trata de recursos geotérmicos someros (geoter-mia de muy baja temperatura) se requiere habitualmente elempleo de bomba de calor. Estos equipos permiten suministrarcalefacción a sistemas convencionales a partir de enfriar flui-dos que inicialmente se encuentran a bajas temperaturas (15-20°C); mediante la bomba de calor se enfría el fluido del deno-minado foco frío y la energía que se le quita a éste es aportadaal fluido del foco caliente (el circuito de calefacción) que llega ala bomba de calor a mayor temperatura que la del foco frío.

Existen varios sistemas que permiten el aprovechamientogeotérmico en sistemas someros. Los sistemas cerrados se rea-lizan formando bucles de tubería por los que circula un fluido(agua con anticongelante por lo general) que toma calor delsubsuelo y lo cede a la bomba de calor. Estos bucles se realizanen disposiciones horizontales bajo el terreno a poca profundi-dad, en perforaciones verticales de menos de 250 metros habi-tualmente o conjuntamente con elementos estructurales deconstrucción como son los pilares de edificación.

Los denominados circuitos abiertos aprovechan la tempera-tura estable de las aguas subterráneas (o de otras aguas comolas aguas de mina o de drenaje de túneles) para suministrarcalor a la bomba de calor; una vez enfriada, el agua subterrá-nea se suele devolver al acuífero.

Las posibilidades de funcionamiento reversible de la bombade calor permiten que estos sistemas puedan funcionar comoelementos de climatización durante la época estival. El sub-suelo actúa en ese caso como sumidero o almacén del calor quese aporta desde la edificación.

A diferencia con los recursos geotérmicos convencionales dealta, media y baja temperatura cuya localización y aprovecha-



FIGURA 9. Sondeo geotérmico profundo de baja temperaturasuministrando calefacción de distrito.

miento vienen condicionados por la existencia de anomalíasgeotérmicas o por la presencia de una importante demanda decalor “in-situ”, los recursos geotérmicos someros se puedenaprovechar en cualquier lugar del territorio.

5. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA ENERGÍAGEOTÉRMICA

La gran diferencia entre la geotermia y gran parte de las res-tantes energías renovables, es que se trata de una energía quepuede garantizar el suministro durante las 24 horas del día ylos 365 días del año sin sufrir variaciones de suministro ni li-mitaciones en ningún momento del año. Se trata, por tanto deuna energía gestionable.

La geotermia debe ser aprovechada de forma sostenibledado que se trata de un recurso que recupera lentamente sunivel energético, hecho que caracteriza a esta energía renova-ble. El fluido geotérmico ha de ser considerado como el ele-mento transmisor de la energía, por lo que nunca debe seraprovechado como recurso minero en el sentido de su uso con-suntivo, sino que debe ser planteada su reinyección en el yaci-miento una vez que se haya hecho uso de su energía.

La energía geotérmica es una energía respetuosa con elmedio ambiente y no produce emisiones contaminantes. Exis-ten las adecuadas tecnologías para garantizar que nunca seproducirían escapes de gases o elementos químicos disueltosen los fluidos geotérmicos que pudiesen ser perjudiciales.

La geotermia requiere una importante inversión económicapreviamente a su puesta en funcionamiento. No sólo en losprocesos de investigación sino en los propios elementos de lainstalación geotérmica como son los sondeos, la inversión eselevada. Sin embargo tiene unos bajísimos costes de manteni-miento y explotación. Ello permite que los tiempos de retornode la inversión sean moderadamente bajos.

Son los proyectos con menores inversiones los que, portanto, obtienen mayores rentabilidades. Dado que los sondeossignifican un montante importante de la inversión, serán losproyectos en los que, a igualdad de condiciones del fluido, losrecursos se encuentren a menor profundidad los que ofrezcanmejores perspectivas económicas.

En relación con la geotermia somera o de muy baja tempera-tura, ha de tenerse en cuenta que la Agencia de Protección Am-biental de los Estados Unidos (EPA) valora las bombas de calorgeotérmicas (GHP) como la tecnología mas eficiente en calefac-ción y climatización. No sólo desde el punto de vista de la efi-ciencia sino del confort y el ahorro en coste, la geotermia somerapermite tasas de retorno de inversión muy aceptables, por de-

bajo de los 9 años. Hay que destacar que, en cualquier lugar delterritorio, es posible aprovechar los recursos geotérmicos some-ros. La utilización de este tipo de sistemas en forma reversible(calefacción en invierno y climatización en verano) permite me-jorar notablemente la rentabilidad económica de los proyectos.

6. LA GEOTERMIA EN ESPAÑAEl potencial de recursos geotérmicos en España fue puesto enevidencia por el Instituto Geológico y Minero de España(IGME) principalmente a lo largo de las décadas de los 70 y 80.

Las investigaciones se extendieron a lo largo de todo el te-rritorio, aunque se concentraron en las áreas consideradas demayor potencial. Sin duda las Islas Canarias fueron objeto deestudios detallados fundamentalmente en las islas de Lanza-rote, La Palma, Gran Canaria y sobre todo Tenerife en dondelas posibilidades de existencia de geotermia de alta tempera-tura se continúan evaluando en la actualidad.

En el territorio peninsular los esfuerzos en investigación seconcentraron en las Cordilleras Béticas en las que destaca elpotencial existente en las denominadas depresiones internas,fosas tectónicas donde las formaciones sedimentarias del ter-ciario tiene gran permeabilidad y en las que aparecen numero-sas manifestaciones termales. Las depresiones catalanas tam-bién fueron objeto de los proyectos de investigación; se trata deimportantes fosas con saltos de fallas superiores a los 3.000metros en algunos casos y con algunas de las manifestacionestermales de mayor temperatura en España. Igualmente enGalicia, en materiales graníticos situados próximos a fallasimportantes se investigó su potencial con detalle y se alcanza-ron temperaturas del orden de los 80°C a tan sólo unos cente-nares de metros de profundidad.

En otras áreas sedimentarias, la información provenientede los sondeos de hidrocarburos permitió definir niveles de in-terés geotérmico sin existencia de surgencias en superficie.

Fruto de estas investigaciones se localizaron áreas de ele-vado potencial en recursos de baja y media temperatura asícomo posibles yacimientos de alta temperatura y se realizarondiversos sondeos profundos de reconocimiento y preexplota-ción con vistas al desarrollo de proyectos de demostración eneste campo.

Los problemas surgidos en los proyectos de demostracióniniciados en la década de los 80 no fueron debidos a problemastécnicos ni básicamente a problemas de rentabilidad econó-mica sino a montajes empresariales inadecuados para estetipo de proyectos. Estos problemas causaron la práctica parali-zación de la actividad en geotermia durante casi dos décadas.



Yacimientosgeotérmicos

Baja tempera-tura T < 100°C

Almacenessedimentarios

profundos

Cuenca del Tajo: Madrid.Cuenca del Duero: León, Burgos y Valladolid.Área Prebética e Ibérica: Albacete y Cuenca.

Zonasintramontañosas

y volcánicas

Galicia: zonas de Orense y Pontevedra.Depresiones catalanas: Vallés, Penedés, La Selva y Ampurdán.Depresiones internas de las Cordilleras Béticas:Granada, Guadix, Baza, Cartagena, Mula, Mallorca.Canarias: isla de Gran Canaria.

Media temperatura100°C < T < 150°C

Cordilleras Béticas: Murcia, Almería, Granada.Cataluña: Vallés, Penedés, La Selva y Olot.Galicia: áreas de Orense y Pontevedra.Pirineo Oriental: zona de Jaca-Sabiñánigo.

Alta temperaturaT > 150°C Islas Canarias: Tenerife, Lanzarote y La Palma. TABLA 1. Principales áreas

geotérmicas en España.

La llegada del nuevo siglo ha traído nuevas perspectivaspara la geotermia en España; se retoman viejos proyectosabandonados años atrás; se plantea la continuación de las in-vestigaciones que el IGME llevó a cabo dos o tres décadasatrás, con vistas a la utilización de los recursos tanto para usosdirectos como para producción de electricidad, probablementemediante ciclos binarios; se estudian las posibilidades de exis-tencia de yacimientos profundos que puedan ser aprovechadospara la producción de electricidad mediante las tecnologías deEGS; finalmente, el crecimiento ya detectado del sector de geo-termia somera evidencia un fuerte incremento de este tipo desistemas en los próximos años, tal como ha sucedido en otrospaíses de la Unión Europea, aunque en el caso español con no-tables ventajas dado las posibilidades de uso no sólo en calefac-ción y agua caliente sanitaria sino en climatización.

Hay otros factores que pueden influir también de forma im-portante en el futuro de la geotermia en España:

• El entorno propicio que en estos momentos se vive en elmundo en cuanto se refiere a la lucha contra el cambioclimático y la disminución de la emisión de gases deefecto invernadero.

• La necesidad de aprovechar los recursos autóctonos, re-duciendo la dependencia energética y garantizando elsuministro.

• El favorable marco geológico y climático en relación conla geotermia.

• El desarrollo de un nuevo marco normativo que impulseel sector.

• El reconocimiento de que este tipo de energía renovablepuede contribuir junto con otras tecnologías a mejorar lacalidad de vida y la eficiencia energética.

• Las características de la geotermia en cuanto a las posi-bilidades de almacenamiento de calor/frío y su posibleuso combinado con otras tecnologías energéticas y otrasenergías renovables (sistemas híbridos).

En todo caso, la actuación coordinada de los distintos acto-res que intervienen en el sector, tanto desde las administracio-nes públicas como del sector empresarial e industrial y de lospropios usuarios permitirá lograr el impulso que esta energíarenovable necesita para su desarrollo. Se han dado ya los pri-meros pasos en este sentido y el futuro es prometedor.

7. REFERENCIASGarcía de la Noceda, C. (2009). Los recursos geotérmicos. En-señanza de las Ciencias de la Tierra. 15.3.,239-247.IDAE-IGME (2008) Manual de geotermia. Ed. IDAE, Madrid.IGME. (1985). La energía geotérmica. Ed. IGME. Madrid.IGME. Los recursos geotérmicos. URL: http://www.igme.es/in-ternet/Geotermia/inicio.htm. Con acceso: setiembre 2009.Massachusetts Institute of Technology (MIT) (2006). The Fu-ture of Geothermal Energy. Impact of Enhanced GeothermalSystems (EGS) on the United States in the 21st Century. U.S.Department of Energy’s Office of the Geothermal TechnologyProgram. Idaho.



FIGURA 10. Mapa de síntesis de áreas geotérmicas en España.

LEYENDAÁREAS DE BAJA TEMPERATURAT <100°C

ÁREAS DE MEDIA TEMPERATURA100°C < T < 150°CALMACENES EXTENDIDOS (CARBONATADAS)

ÁREAS DE MEDIA TEMPERATURA100°C < T < 150°CALMACENES LOCALIZADOS(ZÓCALO FRACTURADO)

ÁREAS DE ALTA TEMPERATURAT > 150°C

ÁREAS SIN INTERÉS O NO RECONOCIDAST > 150°C

LÍMITE DE ÁREA Y PROFUNDIDADESTIMADA DE ALMACENES DENTRO DE ELLA

NO EXISTEN DATOS PARA ESTIMARLA PROFUNDIDAD

SÍNTESIS DE ÁREAS GEOTÉRMICAS

Instituto Geológicoy Minero de España

S. Cruz de Tenerife

Las Palmas

Islas Baleares

Palma

I. Ibiza

I. Formentera

I. La Palma

I. Gran Canaria

I. Fuerteventura

I. Lanzarote

I. Gomera

I. Hierro

I. Tenerife

Islas Canarias

I. Mallorca

I. Menorca

HuelvaSevilla

Córdoba Jaén

Málaga

Granada Almería

Murcia

Cáceres

Badajoz

Soria

Segovia

Avila

Salamanca

Zamora Valladolid

PalenciaBurgos

León

La Coruña Lugo

Orense

Pontevedra

Asturias CantabriaVizcaya

Álava

Guipúzcoa

Navarra

Logroño Huesca

Zaragoza

Teruel

Lérida

Tarragona

Gerona

Barcelona

Alicante

Valencia

Castellón

Madrid

Cuenca

P=2000-3000

P=?

P=600-2000

P=500-1000P=1500-2500

P=1500-2000

P=1000-3000

P=1000-2000

P=1500-2500

P=1500-2500

P=500-1500

P=1500-3000

P=1500-3000

P=2000-3500

P=1500-2500

P=1000-2000

P=2500-3500

P=2000-2500

P=1500-2000

P=500-2000

P=?

P=?

P=?

P=?

P=?

P=?

P=?

P=?

P=?

P=?

Toledo

Ciudad RealAlbacete

Guadalajara

Cádiz


Para conocer de modo fiable el impactoenergético y de emisiones de un determi-nado proyecto hidráulico es necesario apli-car metodologías capaces de analizar deuna manera integrada los impactos ener-géticos de todas las tareas incluidas en elciclo completo del agua. Estas metodolo-gías, que son de uso común desde haceaños en numerosos sectores industriales,son conocidas como “Análisis de Ciclo deVida” (ACV). Su aplicación viene siendoobjeto de normalización internacional(Normas ISO-14040 y derivadas) desde fi-nales de la década de 1990.Los análisis de ciclo de vida tratan de eva-luar la totalidad de los efectos ambientalesque genera un determinado producto oservicio en las sucesivas etapas de diseño,producción, distribución, utilización y eli-minación. En cada etapa se consideran nosólo los efectos directos, sino también losindirectos, esto es, los que se generan através de la utilización de materias pri-mas, productos semielaborados, serviciosauxiliares y, en general, cualquier activi-dad vinculada al ciclo de vida del producto.

En el presente trabajo se trata de obtener una primera aproximación al pro-blema de los consumos de materiales y energía que se generan directa e indirec-tamente durante la construcción de infraestructuras hidráulicas, con una orien-tación especial hacia los sistemas dedicados al abastecimiento urbano. Porconsiguiente, se tomarán en consideración las infraestructuras más habitual-mente utilizadas para esta finalidad, dentro de los intervalos de escala que sesuelen presentar en los sistemas urbanos, evitando entrar en la consideraciónde macroproyectos específica o mayoritariamente orientados al regadío. Las es-taciones de tratamiento (desaladoras, desalobradoras, potabilizadoras y depura-doras) quedan fuera del ámbito del presente estudio.

Pedidos

Para realizar un pedido de publicaciones puede hacerlo por teléfono, fax o correo a:CEDEX Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas

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La Guía técnica sobre redes de saneamiento ydrenaje urbano es un documento cuyo objetivo esordenar el estado del arte en la materia y servirde guía al usuario de las redes de saneamiento ydrenaje en la aplicación de la muy abundante einconexa normativa al respecto. El ámbito deaplicación es de las redes de saneamiento y dre-naje, independientemente de cual sea su funcio-namiento hidráulico (en lámina libre, bajo pre-sión o por vacío), o su concepción (unitarias oseparativas). Quedan excluidos expresamente losemisarios submarinos y las estaciones depurado-ras. Tampoco son objeto de la guía las instalacionesde recolección de las aguas residuales y pluvialesen el interior de los edificios, ni las conduccionesde drenaje de las obras lineales.

Nº de páginas: 636Año de edición: 2009

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P.V.P.: 40€


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Este libro es la traduccióndel texto francés “Calcul descimentations superficielles etprofondes” originalmente pu-blicado en 1999 por el profe-sor Roger Frank. El objetivoha sido facilitar la divulga-ción de la práctica de cimen-tación francesa basada fun-damentalmente en métodosdirectos a partir de ensayos“in situ”, y, en particular, elensayo presiométrico, si-guiendo la experiencia y tra-dición desarrolladas porLouis Ménard. Los métodosdirectos, menos habitualesen los países de tradición an-glosajona, como es el caso deEspaña, pueden resultaruna alternativa o comple-mento razonable a los méto-dos clásicos de tipo indirecto. En el libro se recogen aspec-tos fundamentales relacio-nados con los cálculos decapacidad portante de ci-

mentaciones superficiales y profundas, tanto los basados en el mé-todo presiométrico como en otros ensayos in situ (CPT, SPT). Se de-sarrollan también otros aspectos como la evaluación de los esfuerzosparásitos sobre pilotes (rozamiento negativo, empujes laterales) o lainterpretación de pruebas de carga en pilotes recogiendo metodolo-gías específicas, poco conocidas fuera de Francia. Pero, conviene te-ner en cuenta para su empleo, que los ensayos “in situ” que involu-cran un avance previo de sondeo pueden estar afectados por el modode ejecución del mismo.


P.V.P.: 23€


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EDICIONES DEL

Este Manual pretende constituir una ayuda para to-dos aquellos que tienen que proyectar o construir fir-mes con capas tratadas con cemento, en especial paralos técnicos que se enfrentan por primera vez a unfirme de este tipo desde cualquier posición: empresasconsultoras, constructoras, laboratorios a administra-ciones. El texto detalla los conceptos básicos a los ma-teriales tratados con cemento, las propiedades de losdistintos tipos de mezclas, su dosificación y caracteri-zación, y describe las prácticas más adecuadas para elproyecto, construcción y control de calidad de los fir-mes con capas tratadas con cemento. El Manual es elresultado de la colaboración entre el Instituto Españoldel Cemento y sus aplicaciones (IECA), y el Centro deEstudios y Experimentación de Obras Públicas (CE-DEX), del Ministerio de Fomento.

La "Guía Técnica sobre tuberías parael transporte de agua a presión" es elresultado de un trabajo realizado en elCentro de Estudios Hidrográficos delCEDEX por encargo de la DirecciónGeneral de Obras Hidráulicas y Cali-dad de las Aguas del Ministerio de Me-dio Ambiente. Tiene por objeto compi-lar la normativa y reglamentaciónvigente sobre la materia, así como es-tablecer unos criterios generales en lorelativo al proyecto, instalación y man-tenimiento de tuberías para el trans-porte de agua a presión, independien-temente de cual sea su destino final(abastecimientos, regadíos, etc).

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