Análisis de la eficiencia térmica de intercambiadores geotérmicos horizontales planos con diferentes tipos de relleno

Abstract

[ES] El presente proyecto estudia y caracteriza la influencia de utilizar materiales de cambio de fase, PCMs, como parte del relleno de una zanja para una instalación geotérmica de poca profundidad horizontal. Para ello, se han realizado dos instalaciones de iguales características, en el laboratorio geotérmico de la Universidad Politécnica de Valencia. Las zanjas se han rellenado con materiales diferentes, una con material de relleno común y otra con los mismos materiales, pero se ha añadido un porcentaje de PCM, para comprobar si su uso mejora la eficiencia térmica del intercambiador geotérmico.

Se han utilizado en cada zanja 4 paneles de captación geotérmica compactos, y para poder llevar a cabo el análisis se han puesto 21 sondas que registran la temperatura, repartidas en cada zanja en los mismos puntos para ambas, además de disponer del sistema de registro de datos del laboratorio.

En primer lugar, se ha introducido agua en los intercambiadores y se ha registrado la temperatura durante un período de tiempo. Luego, se ha hecho una recirculación, y tras esto, se ha pasado a la inyección de calor, mediante la inserción de agua a alta temperatura con un valor constante durante aproximadamente 5 días. Finalmente, se ha parado la inyección térmica y registrado la disipación de calor. Durante todos estos períodos se han almacenado datos de las temperaturas en intervalos de tiempo de alrededor de 1 minuto.

Para analizar el registro de las temperaturas se ha utilizado Matlab, en primer lugar, se ha visualizado la evolución de la temperatura en cada sonda en el tiempo y en la entrada y salida. Posteriormente, se ha hecho una interpolación del registro de todas las sondas para todo el intervalo de tiempos y espacio, de forma que se ha visualizado la distribución de temperaturas en los paneles y la zanja durante la inserción de calor.

Finalmente, mediante los datos registrados durante la inserción de calor se ha obtenido la resistencia térmica del pozo, que determina la eficiencia del intercambiador.

Se ha cuantificado el coste de la instalación para llevar a cabo este análisis mediante un presupuesto.

[EN] This project studies and characterizes the influence of using a phase change material, PCM, as part of the grouting of a trench for a horizontal shallow geothermal installation. To do this, two installations with the same characteristics have been made, in the geothermal laboratory at the Polytechnic University of Valencia. The trenches have been filled with different materials, one with common grouting and the other with the same materials, but a percentage of PCM has been added to it, to check if its use improves the thermal efficiency of the geothermal heat exchanger.

Four compact geothermal panels have been used in each trench, and to carry out the analysis 21 probes that record the temperature have been installed in each trench at the same points for both, in addition to the system for recording data that the laboratory already had.

In first place, water has been introduced into the exchangers and the temperature has been recorded over a period. Then, a recirculation has been made, and after this, the next thing done was the injection of heat, by inserting water at high temperature with a constant value for approximately 5 days. Finally, thermal injection has been stopped and the heat dissipation has been recorded. During all these periods, temperature data has been stored intervals of about 1 minute.

To analyze the temperature record, Matlab has been used, firstly, the evolution of the temperature in each probe and in the input and output over time has been represented. Later, an interpolation of the record of all the probes has been made for the entire time interval and space, so with that the distribution of temperatures in the panels and the trench during the insertion of heat has been visualized.

Finally, with the data recorded during the insertion of heat, the thermal resistance of the borehole has been obtained, which determines the efficiency of the exchanger.

The cost of the installation to carry out this analysis has been quantified by a budget.