Geoíndex - Geotermia superficial

Objetivos

El diseño de un sistema de intercambio de calor con bomba de calor geotérmica depende de las características de tres grandes elementos relacionados entre sí:

• El subsuelo. Las características térmicas del terreno en el emplazamiento escogido determinan el diseño del campo de captación y la cantidad de calor que es posible intercambiar con el subsuelo.
• La bomba de calor. La potencia y las temperaturas de trabajo de la bomba seleccionada condicionan las dimensiones y características del campo de captación y el diseño del sistema de climatización y producción de ACS.
• La demanda de calor, refrigeración y ACS. Las características del edificio, el tipo de uso, el tipo de sistema de climatización elegido y la climatología del emplazamiento determinan cuánto calor hará falta intercambiar con el subsuelo en época de calefacción, refrigeración y/o producción de ACS.

El visor Geoíndex Geotermia superficial está enfocado a la caracterización del subsuelo para el aprovechamiento del recurso geotérmico de muy baja temperatura (<30 ºC) en los primeros 100 a 200 m de profundidad.

El visualizador se concibe como un proyecto transversal que aglutina información de disciplinas diversas como la geología, la edafología, la geofísica, la climatología y la hidrogeología, entre otras, y pretende:

1. Dar a conocer la energía geotérmica de muy baja temperatura, su estado de implementación y su proyección de futuro, mediante la estimación del potencial geotérmico de muy baja temperatura de Cataluña.
2. Dar a conocer los parámetros del subsuelo que intervienen en el diseño de un sistema de intercambio de calor.
3. Poner a disposición de los usuarios la información puntual recopilada y aquella de nueva creación sobre los parámetros térmicos y de distribución de temperaturas en el subsuelo, y facilitar, de esta manera, las valoraciones preliminares de viabilidad de instalaciones verticales cerradas (closed-loop), abiertas (open-loop) y horizontales.

La información que se incluye no pretende, en ningún caso, substituir los estudios de detalle, que son indispensables en la fase de diseño constructivo del sistema de intercambio de calor que deben realizar las empresas competentes en este campo.

El visualizador Geoíndex Geotermia superficial se publica en formato digital, con una resolución máxima de la información equivalente a la escala gráfica de 1:50.000 y mediante la representación de los elementos en 2D. Los parámetros que se representan han sido obtenidos utilizando diversas metodologías que parten de modelos teóricos sobre el comportamiento del terreno. Estos modelos no tienen en cuenta las particularidades de una determinada zona donde, debido a la heterogeneidad del territorio, pueden existir anomalías y, por tanto, desviaciones respecto a los modelos teóricos supuestos.

Para la planificación, el diseño y el dimensionamiento de sistemas de intercambio de calor mediante bomba de calor geotérmica, se recomienda la realización de estudios de detalle en el emplazamiento seleccionado, la recogida de datos en el su entorno cercano y la realización de un análisis tridimensional de las características del terreno.

En el caso concreto de los sistemas de intercambio de calor de circuito vertical cerrado mediante bomba de calor geotérmica, se recomienda seguir los procedimientos de la norma UNE 100715-1 “Diseño, ejecución y seguimiento de una instalación geotérmica somera. Parte 1: Sistemas de circuito cerrado vertical” (mayo de 2014).

Estructura

Actualmente, el visualizador contiene 29 capas de información a diferentes escalas y está estructurado en 10 conjuntos de información. 

Potencial geotérmico

El potencial geotérmico permite realizar una primera estimación aproximada del número y longitud de las sondas de intercambio de calor y, por tanto, tiene un impacto directo en la estimación del coste de ejecución del campo de captación.

En el caso de los sistemas de intercambio de calor cerrados (closed-loop), se incluyen dos capas de información:

• El potencial geotérmico expresado como la cantidad de energía que puede ser intercambiada con el subsuelo durante la época de calefacción por un intercambiador geotérmico de 100 m de longitud y un diámetro de 150 mm, con una resistencia térmica de 0.095 mK/W. En este caso, el potencial geotérmico se expresa en las unidades MWh/año.

• El potencial geotérmico expresado en términos de potencia (W) de un intercambiador geotérmico durante la época de calefacción, de 100 m de longitud y un diámetro de 150 mm, con una resistencia térmica de 0.095 mK/W.

El método de cálculo utilizado ha sido el G.POT (Casasso, 2016), desarrollado por el Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI – Politecnico di Torino, Italia).

Instalaciones geotérmicas

El ICGC ha realizado una recopilación de la información disponible facilitada por el ICAEN y la consulta de otras fuentes de información de acceso público sobre la existencia de instalaciones geotérmicas superficiales en Cataluña. La información recopilada ha sido incorporada a la Base de datos de Instalaciones de Geotermia Superficial (BdIGSCat).

En concreto, se han elaborado dos capas de información:

• Localización de instalaciones geotérmicas promovidas por el sector público: Incluye un inventario de instalaciones de intercambio de calor con bomba de calor geotérmica promovidas por el sector público. La mayor parte de las mismas corresponden a edificios y equipamientos de la Administración local o general. Para cada una de ellas, en función de los datos disponibles, es posible consultar la potencia y la longitud de intercambiadores totales instalados.

• Número de instalaciones geotérmicas por municipio promovidas por el sector privado: Recoge el número mínimo por municipio de edificaciones que disponen de una instalación geotérmica en funcionamiento. Se indica la potencia mínima total instalada por municipio.

Dificultad de perforación

Uno de los parámetros que condiciona el coste y la ejecución de un sistema de intercambio de calor, es el tipo de perforación que deberá realizarse para la instalación de las sondas geotérmicas y la dificultad de perforación de los materiales geológicos que permitan dicha instalación.

Incluye dos capas de información que pretenden dar información hasta los 100 m de profundidad, sobre la dificultad de perforar un sondeo vertical (habitualmente perforado por rotopercusión y/o rotación con circulación directa) en un emplazamiento determinado, teniendo en cuenta las características de los materiales a perforar y las posibles dificultades añadidas por la posible existencia de carstificación en los materiales perforados.

Se incluyen las siguientes capas de información:

• Mapa de dificultad potencial de perforación.
• Zonas con posible presencia de carstificación en el subsuelo.

Información edafológica

La información edafológica es necesaria en el caso del diseño y dimensionamiento de un sistema de intercambio de calor horizontal, donde la existencia de suficiente espesor de suelo y su conductividad térmica, entre otros, condicionarán las dimensiones y la disposición del campo de captación.

Se incluyen las siguientes capas de información:

• Mapa de profundidad del suelo edáfico (m).
• Mapa de conductividad térmica del suelo (W/mK).

Información hidrogeológica

El visualizador incluye un inventario de puntos con indicios de aguas especiales y/o termales. Se trata de surgencias o captaciones subterráneas que captan aguas termales con una temperatura superior a 4 ºC a la temperatura media anual del aire en este lugar y/o aguas con carácter picante (agua carbónica), sulfuroso o salino. En algunos casos corresponden a la localización de establecimientos balnearios que explotan el agua con finalidades mineromedicinales. En otros, el punto ha sido recogido únicamente por su topónimo, indicativo de algún rasgo mineral especial o bien indicativo de un posible carácter termal (por ej.: font de la Puda, font Calenta, etc.). También se incluyen perforaciones realizadas durante los años 1970 y 1980 para la investigación de los recursos geotérmicos de Cataluña en los cuáles se observaron gradientes geotérmicos elevados superiores a 5 ºC/100 m.

Las coordenadas de localización de los puntos no han sido verificadas en todos los casos por el ICGC y se corresponden con las citadas en la fuente original de la información.

La capa incluida en el visualizador se denomina:

• Puntos con indicios de aguas especiales y/o termales.

Propiedades térmicas del subsuelo

Las propiedades térmicas del subsuelo determinan, mediante diferentes parámetros, cómo se propaga el calor a través de los materiales.

• La conductividad térmica (W/mK) es la capacidad de una roca o suelo para transmitir calor. Este parámetro es característico para cada litología, siendo especialmente determinantes la existencia de porosidad, la presencia de agua y la composición y distribución de los cristales y/o componentes de una roca.
• La difusividad térmica (mm²/s) define la capacidad de una roca o suelo para disipar el calor y depende de la conductividad térmica, de la densidad y del calor específico de los materiales.
• La capacidad térmica volumétrica (MJ/m³K) se define como la cantidad de calor que se obtiene de una unidad de volumen de roca o suelo como resultado de disminuir su temperatura 1 ºK.

Se incluyen las siguientes capas de información:

• Mapa de conductividad térmica superficial (W/mK).
• Mapa de difusividad térmica superficial (mm²/s).
• Mapa de capacidad térmica volumétrica superficial (MJ/m³K).
• Distribución vertical de parámetros térmicos.

La distribución vertical de parámetros térmicos se muestra a partir de la localización de columnas litológicas y la visualización de los datos en formato PDF.

Temperaturas superficiales y oscilaciones térmicas

En el subsuelo, la temperatura media del aire de un lugar se alcanza a una profundidad de entre 5 y 15 m. La estabilidad de la temperatura en el subsuelo es la clave que permite el aprovechamiento del recurso geotérmico de muy baja temperatura. Contiene información sobre las temperaturas medias superficiales del aire (anual, del mes más frío y del mes más cálido).

Se incluyen las siguientes capas de información:

• Temperatura media anual superficial (°C).
• Temperatura media superficial del mes más frío (°C).
• Temperatura media superficial del mes más cálido (°C).
• Semiamplitud térmica superficial (°C).

Estas capas de información han sido elaboradas por el grupo de investigación Grumets del Departamento de Biología Animal, Biología Vegetal y Ecología de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), con la colaboración del ICGC.

Severidad del clima

Para caracterizar las demandas energéticas de un edificio y el potencial geotérmico en un lugar concreto, es necesario conocer parámetros climáticos que nos informen de la severidad del clima en un emplazamiento. Estos son los siguientes:

• Grados-día de calefacción (GDC 15/15) - Heating Degree Days - HDD: parámetro que mide cuántos grados y durante cuánto tiempo a lo largo de un año la temperatura del aire exterior es inferior a una temperatura umbral o de base establecida para el interior de los edificios, a partir de la cual se prevé utilizar un sistema de climatización para generar calor. Se expresa en ºC*dia/año y la temperatura umbral prefijada para calcular esta capa ha sido de 15 ºC.

• Grados-día de refrigeración (GDR 23/23) - Cooling Degree Days - CDD: parámetro que mide cuántos grados y durante cuánto tiempo a lo largo de un año la temperatura del aire exterior es superior a una temperatura umbral o de base establecida para el interior de los edificios, a partir de la cual se prevé utilizar un sistema de climatización para generar frío. Se expresa en ºC*día/año y la temperatura umbral prefijada para calcular esta capa ha sido de 23 ºC.

• Duración de la época de calefacción: número total medio de días en un año en que la temperatura media del aire ha sido inferior a la temperatura umbral establecida para el interior de los edificios, a partir de la cual se prevé utilizar un sistema de climatización para generar calor. Se expresa en días y la temperatura umbral prefijada para calcular esta capa ha sido de 15 ºC.  

• Duración de la época de refrigeración: número total medio de días en un año en que la temperatura media del aire ha sido superior a la temperatura umbral establecida para el interior de los edificios, a partir de la cual se prevé utilizar un sistema de climatización para generar frío. Se expresa en días y la temperatura umbral prefijada para calcular esta capa ha sido de 23 ºC.

La información ha sido generada por el Servei Meteorològic de Catalunya con la colaboración del ICGC, a partir de los datos de temperatura semihorarias del período 2013-2017. Estos datos provienen de un modelo teórico calculado mediante regresión múltiple, corregido mediante la interpolación de los errores entre los datos reales (obtenidos de más de 200 estaciones meteorológicas) y los valores teóricos calculados por el modelo.

Temperaturas subsuperficiales en el subsuelo

En los primeros metros del subsuelo, la temperatura en el medio experimenta oscilaciones diarias y estacionales relacionadas con la evolución de la temperatura del aire a lo largo del año. En el caso de las instalaciones de intercambio de calor horizontales, es necesario conocer la magnitud de estas oscilaciones para prever un correcto dimensionamiento del campo de captación.

Se incluyen las siguientes capas de información:

• Temperatura mínima a 1,5 m de profundidad (°C).
• Temperatura máxima a 1,5 m de profundidad (°C).
• Amplitud térmica a 1,5 m de profundidad (°C).
• Profundidad donde la amplitud térmica tiende a 0 °C (m).

Temperaturas del subsuelo en profundidad

La distribución vertical de temperaturas en el subsuelo condiciona el gradiente térmico entre las sondas geotérmicas y el medio y, por tanto, la capacidad de intercambio de calor entre la instalación y el terreno.

El visualizador incluye perfiles verticales de temperatura en el subsuelo observados en pozos y sondeos, y la visualización de los datos en formato PDF procedentes de las bases de datos disponibles en el ICGC.

También se presentan tres mapas de temperatura teórica del subsuelo a diferentes profundidades (50, 100 y 150 m). Esta capa se ha realizado mediante el cálculo del gradiente geotérmico superficial teórico de Cataluña a partir del flujo de calor y la distribución de conductividades térmicas superficiales, y ajustando el resultado con datos reales mediante la interpolación de errores entre estos y los valores teóricos inicialmente estimados. Los perfiles verticales de temperatura en el subsuelo son los siguientes:

• Temperatura del subsuelo a 50 m de profundidad (°C).
• Temperatura del subsuelo a 100 m de profundidad (°C).
• Temperatura del subsuelo a 150 m de profundidad (°C).

Referencias

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