Nuevos desarrollos en la determinación de parámetros térmicos del subsuelo aplicados a la investigación geotérmica somera

Resumen

El campo de estudio de la tesis es el de un sistema geotérmico de muy baja temperatura, también denominado sistema geotérmico somero, conocido en inglés por el acrónimo Geothermal Heat Pump (GHP) o Ground Source Heat Pump (GSHP). Este es un tipo de recurso energético que aprovecha el calor del subsuelo para calefacción y de climatización de viviendas fundamentalmente, y que precisa del uso de una bomba de calor. La energía geotérmica somera es una energía renovable y accesible en cualquier lugar del planeta. Para saber la capacidad de extracción de calor del subsuelo y el comportamiento de la instalación geotérmica a largo plazo, se deben conocer los parámetros térmicos del terreno que se desea aprovechar como foco térmico en la bomba de calor. En esta tesis se desarrollan varias estrategias para la determinación de estos parámetros, basadas en modelos matemáticos que caracterizan la transferencia de calor, y en métodos experimentales para lograr el objetivo final de caracterizar térmicamente el subsuelo. Estas estrategias para determinación de las propiedades térmicas del terreno llevadas a cabo son las siguientes: Estrategia 1. Análisis del intercambio de calor entre el ambiente y el terreno debido a las oscilaciones periódicas de temperatura en el ambiente. Se considerará que el flujo de calor en el subsuelo es por conducción y como resultado del análisis se obtiene la difusividad térmica del subsuelo. Estrategia 2. Análisis del intercambio de calor entre el ambiente y el terreno debido a las oscilaciones periódicas de temperatura en el ambiente. Se considerará que el flujo de calor en el subsuelo es por la suma de dos efectos, conducción y convección y como resultado de este estudio se obtiene la difusividad térmica, la conductividad térmica del subsuelo y la componente vertical de la velocidad del flujo del agua en el subsuelo. Estrategia 3. Análisis del intercambio de calor entre un fluido que circula por el interior de una sonda geotérmica interior al sondeo y el terreno circundante. Como resultado de este modelo se obtiene la conductividad térmica del subsuelo próximo al sondeo y la resistencia térmica del mismo sondeo. Estrategia 4. Análisis del intercambio de calor entre el terreno circundante a un sondeo en cuyo interior circula un fluido calentado y otro sondeo situado a una distancia próxima, menor de 10 m obteniendo la conductividad y la difusividad térmicas del subsuelo comprendido entre ambos sondeos. Los experimentos diseñados han requerido el desarrollo de modelos matemáticos, el diseño construcción y calibración de equipos de medida de la temperatura en profundidad implementados en sondeos de investigación geotérmica y de equipos de calentamiento para realizar ensayos tipo Test de Respuesta Térmica (TRT). Los ensayos realizados son de larga duración y en alguno de ellos ha sido necesario tomar registros de temperatura en el subsuelo durante más de un año. Los ensayos se han llevado a cabo en dos sondeos de investigación geotérmica situados en el Campus de Viesques (Gijón) de la Universidad de Oviedo. Las estrategias 1 y 2 son aplicables a una profundidad somera, hasta 14m. donde los sensores pueden apreciar cambios de temperatura. La estrategia 3 se ha podido aplicar a los primeros metros del sondeo, hasta 9,5 m de profundidad, donde se dispusieron de datos de los sensores de temperatura. La estrategia 4 se ha aplicado a datos de una profundidad entre 14,55 m y el fondo del sondeo. Con estas estrategias se ofrece un abanico de posibilidades para conocer in situ los parámetros térmicos del subsuelo y de uso de modelos geotérmicos de gran utilidad en este tipo de estudios.