Análisis de sensibilidad numérica de tests de respuesta térmica (TRT) en pilotes geotérmicos

Abstract

El desarrollo de los intercambiadores de calor como sistemas de aprovechamiento de energía geotérmica de muy baja entalpía, ha contribuido de forma significativa a reducir el consumo de energía en la climatización de edificios. Para obtener un buen rendimiento de este tipo de sistemas es necesario realizar un diseño óptimo, lo cual requiere una buena estimación de los parámetros térmicos. El test de respuesta térmica (TRT) es el método actualmente empleado para la determinación de las propiedades térmicas del suelo para el diseño de sistemas geotérmicos de muy baja entalpía tradicionales. Los sistemas de pilotes geotérmicos utilizan los pilotes de fundación requeridos en la construcción de edificios, como intercambiadores de calor con el suelo, al incorporarle un circuito de tuberías en su interior por donde fluye el líquido transportador de calor. Estos sistemas son relativamente nuevos y presentan ciertas diferencias con respecto a sistemas tradicionales, lo que hace necesario estudiar la validez de aplicar pruebas TRT para su diseño. Lo anterior es la motivación del trabajo de esta tesis, en la cual se utilizó un modelo numérico desarrollado en COMSOL Multiphysics® para reproducir TRTs sintéticos en un pilote geotérmico bajo ciertas condiciones ideales. Basado en el análisis de los resultados de las simulaciones numéricas, se concluye que la interpretación de los resultados de TRTs en este tipo de sistemas es complejo, ya que dependen de la relación entre la conductividad térmica del suelo y del concreto, la tasa de la capacidad calorífica volumétrica entre el suelo y el material de relleno, el diámetro del pilote, y el espaciamiento entre tuberías, entre otros factores. Los errores asociados a cualquiera de esos parámetros en la interpretación de dichas pruebas mediante el uso del método tradicional de análisis, que considera una fuente lineal de calor (LHS), pueden ser hasta un 50% de sobrestimación para pruebas de relativa corta duración. Por ejemplo, el análisis de las simulaciones indica que, para un pilote de un metro de diámetro, es necesario realizar pruebas de más de 400 horas para obtener resultados confiables. Además, estos errores pueden ser acumulativos lo que puede aumentar la incertidumbre respecto a la estimación de los parámetros de diseño. Por lo anterior, se recomienda utilizar el conjunto de resultados generados en este estudio para estimar factores de corrección que deben aplicarse al interpretar los resultados de TRT en pilotes geotérmicos. Se espera que de esta forma los resultados presentados en este estudio permitan una correcta interpretación de los resultados de pruebas de terreno de corta duración, con el consiguiente beneficio en términos logísticos y económicos.