20.3.14

BOMBAS DE CALOR GEOTÉRMICAS (III)

Ejecución de la instalación
Perforación
En la ejecución de los intercambiadores de calor verticales, se deberán tener en cuenta una serie de aspectos que faciliten su puesta en obra y minimicen las interacciones con otros trabajos.
Previamente a la entrada de la maquinaria en obra se deben determinar:
• Accesos
• Replanteos
• Espacio para acopio de material
• Obra civil auxiliar (pista de trabajo, balsa de lodos,…)
• Necesidades de agua y energía
• Adecuada planifi cación en la gestión de lodos, detritus y agua extraída de la perforación
Se realizará el replanteo de las perforaciones quedando consignado los siguientes datos:
• Ubicación de las perforaciones (plano de planta)
• Sección y profundidad y previsión de acuíferos atravesados durante la perforación para una planificación adecuada del sistema de perforación
• Tipo de relleno


La perforación se realizará mediante la tecnología más adecuada para cada tipo de terreno (rotopercusión, perforación con lodos, sistemas de entubación simultánea, etc.) y principalmente con diámetros comprendidos entre los 110 y 165 mm. Únicamente en casos extremos de colapso del terreno o de existencia de coqueras se procederá al encamisado metálico, pudiéndose perforar en este caso con diámetros mayores a los expuestos anteriormente. Preferiblemente se encamisará simultáneamente a los trabajos de perforación y, si es posible, con tubería roscada con el objetivo de que se pueda recuperar al finalizar la obra. En el caso de que no se pueda recuperar la camisa, el perforador realizará los trabajos de adecuación de los pozos una vez introducidas las tuberías, cortando la tubería de encamisado sobrante. La longitud del encamisado metálico puede variar en cada perforación según las características del terreno.
En el caso de que fuera necesario introducir tubería metálica en los primeros metros de la perforación para estabilizar la primera capa vegetal del suelo y permitir el comienzo de los trabajos, la longitud de la tubería metálica será la menor posible. El objetivo es facilitar su extracción una vez realizada la zanja de los colectores y no dañar las sondas geotérmicas.
Es muy importante realizar una correcta evacuación del detritus, por lo que el perforador deberá prever los elementos necesarios: zanjas, balsas de lodos, bomba de achique, plásticos para cubrir elementos constructivos circundantes, etc.
Inmediatamente después de la retirada del varillaje se procederá a la introducción de las sondas geotérmicas en la perforación, ya rellenas de agua, con el objetivo de evitar colapsos. La introducción de las sondas se realizará por gravedad, bien manualmente o bien ayudándose de un desenrollador u otro dispositivo mecánico.
La manipulación de las tuberías se realizará con cuidado de no dañarlas, introduciendo la sonda por el centro de la perforación, sin que entre en contacto con la tubería metálica de encamisado o emboquillado.
Los extremos salientes de tubería permanecerán protegidos con los tapones que llevan de fábrica para evitar la introducción de cualquier partícula, hasta la realización de las pruebas de presión correspondientes.
El espacio existente entre las paredes de la perforación, ya sea terreno natural o camisa, y la sonda geotérmica debe ser rellenado para:
• Asegurar una buena transferencia de calor
• Aislar la perforación de flujos de agua
El relleno se puede realizar bien por gravedad con arena silícea o bien mediante inyección con un sistema adecuado, desde el fondo hasta la boca del sondeo, de cemento, bentonita o materiales termoconductivos específicos para este fin. La selección del tipo de relleno y de su modo de ejecución está determinada por las condiciones hidrogeológicas del sustrato. Si la permeabilidad del sustrato es baja podrán realizarse rellenos granulares siempre que el sellado alcance la máxima profundidad del nivel piezométrico, mientras que si el sustrato es permeable o se conoce de la existencia de acuíferos es necesario sellar la perforación para evitar afecciones hídricas.
Ejecución y relleno de zanja
En la ejecución de un intercambiador geotérmico es necesario la realización de zanjas para la instalación de:
• Ramales de conexión y cabecera de un campo de colectores verticales.
• Intercambiador de calor horizontal.
• Intercambiador de calor “Slinky”.
Zanjas de ramales de conexión en intercambiadores verticales
La ejecución de los trabajos tendrá las siguientes fases:
1 Retirada de la capa vegetal
2 Apertura de zanja de la anchura y profundidad establecida en la sección tipo correspondiente facilitada por el proyectista según las condiciones de cada proyecto.
– En el caso de zanjas para colectores de ida y retorno de las perforaciones verticales, los trabajos se realizarán sin dañar las tuberías verticales instaladas y la camisa metálica de protección. Una vez finalizada la zanja, se procederá a cortar o eliminar la camisa de las perforaciones.
3 Limpieza del fondo de zanja y las paredes de zanja.
Para la ejecución de un buen relleno que asegure la correcta transmisión de calor y evitar daños en la tubería, es necesario refinar las paredes y el fondo de zanja, es decir, eliminar las rocas presentes en la parte inferior de la zanja para evitar cualquier daño a las tuberías. Las tolerancias de defecto máximas admisibles serán:
– Salientes de roca o bolos + 3 cm
– Protuberancias locales - 5 cm
El signo negativo significa defecto en la excavación.
4 Lecho de arena según la sección tipo correspondiente.
5 Instalación de la tubería y alrededores de la zanja y realización de las pruebas correspondientes para detectar posibles errores, cortes, torceduras,…
6 Relleno de arena cubriendo la totalidad de la tubería según la sección tipo correspondiente. El relleno se realizará en varias pasadas del modo más uniforme posible, compactando, limpiando suciedad y bolos y allanando cada capa.
7 Señalización del trazado de la tubería mediante una cinta plástica.
8 Relleno con materiales procedentes de la excavación previamente seleccionados (sin cantos punzantes, con diámetros inferiores a 5 cm, etc.).
El relleno se realizará a tongadas de espesor reducido para obtener un mayor grado de compactación, con el objetivo de aumentar la humedad del suelo y disminuir el contenido de aire. Un espesor adecuado de cada capa de relleno puede ser entre 25 y 30 cm.
En fase de diseño, se evitará en lo posible ubicar la instalación del intercambiador en la zona de afección de otros servicios enterrados.
Cuando esto no sea posible, se tomarán las siguientes precauciones:
• El cruce de otros servicios con tuberías del intercambiador siempre será superior, de forma que si se tuvieran que realizar trabajos de reparación de éstos, nunca quedará al descubierto la tubería de intercambiador enterrado. La distancia entre la generatriz superior de la tubería geotérmica y la generatriz inferior del otro servicio será superior a 40 cm. Es recomendable interponer entre ambos servicios elementos de protección como pueden ser placas de polipropileno, placas de fibrocemento o incluso, una losa de hormigón.
• En el paralelismo con otros servicios se mantendrá una distancia superior a 40 cm entre generatrices.
Los casos de paralelismo nunca podrán darse en el interior de la configuración del intercambiador, es decir, nunca se podrá interponer una tubería de otro servicio entre los colectores de ida y retorno de la instalación geotérmica.
Zanjas de intercambiadores horizontales
La ejecución de la zanja de un intercambiador horizontal es más difícil de estandarizar porque existen múltiples configuraciones de tubería en función de la demanda energética a disipar y del terreno disponible. Por este motivo, para cada diseño se realizarán los planos de sección correspondiente. No obstante, se seguirán las siguientes recomendaciones:
• Si hay espacio suficiente, es más conveniente realizar el movimiento de tierras en su totalidad, como una gran piscina, que en zanjas. En estos casos, previo a la colocación de tuberías se colocarán elementos de sujeción que garanticen el correcto tendido de las tuberías.


• Se rellenará con arena fina los alrededores de las tuberías para facilitar la conducción de calor, y el resto con material de extracción con unas características adecuadas (sin cantos punzantes, con diámetros inferiores a 5 cm, etc.).


• Nunca se hormigonará o pavimentará la superficie donde se instale el intercambiador horizontal, con el objetivo de asegurar un buen intercambio de calor.
Zanjas de intercambiador Slinky
Slinky horizontal
• El ancho de zanja será, como mínimo, igual al diámetro de la espira más 35 cm, mientras que la profundidad dependerá de las condiciones de diseño.


Slinky vertical
• Esta configuración se emplea cuando hay restricciones de espacio, ejecutándose una zanja muy estrecha (aprox. 15 cm) y profunda (más de 2 m), normalmente mediante una zanjadora de cadenas, en la que se coloca el intercambiador slinky verticalmente.
Pruebas de presión y purgado en el intercambiador
Pruebas de presión en las sondas verticales
Una vez introducidas las sondas de presión en las perforaciones y antes de proceder al relleno de las mismas se realizarán las correspondientes pruebas de presión.
Se seguirán los siguientes pasos:
1 Se limpiará el interior de las tuberías con agua a presión con el fin de eliminar las posibles partículas que se hayan introducido durante la instalación, así como para purgar las tuberías. El purgado se considerará correcto cuando el agua de salida sea transparente en vez de blanca.
– Para un correcto test de purgado, es necesario que la velocidad del agua en la tubería sea como mínimo de 0,6 m/s, lo que implica los siguientes caudales en función de los diámetros de sondas empleados:


2 Se realizará una prueba conjunta de estanqueidad y resistencia en cada sonda geotérmica con las siguientes premisas:
– La presión de prueba será como mínimo 3 veces la presión de servicio y como máximo el 80% de la presión nominal de la tubería.
– El tiempo de duración de la prueba será 1 hora.
– La caída de presión máxima admisible será del 3%.
En los primeros minutos de la prueba se esperará a la correcta estabilización del manómetro, presurizando si es necesario hasta la presión mínima convenida.
Pruebas de presión en tuberías horizontales
Este apartado se aplica a los siguientes elementos de las instalaciones geotérmicas:
• Conjunto formado por las sondas geotérmicas verticales y los ramales horizontales de conexión a la sala de máquinas.
• Tuberías que conforman un intercambiador horizontal.
• Tuberías que conforman un intercambiador slinky.
Purgado de la instalación
Mediante la circulación de agua a presión con una velocidad mínima de 0,6 m/s en cualquier punto de la instalación se realiza un correcto purgado. El caudal a inyectar en cabecera dependerá de la configuración y diámetro de los colectores horizontales y se puede determinar con un sencillo cálculo hidráulico.
Pruebas de estanqueidad y resistencia conjuntas
Para la realización de esta prueba se mantendrá la instalación a una presión mínima 3 veces la presión de servicio durante dos horas y se comprobará que el descenso de la presión transcurrido en este tiempo es inferior a 0,2 bares.
En el inicio de la prueba se esperará a la correcta estabilización del manómetro, ya que en los primeros momentos de la prueba, sobre todo para longitudes muy largas o en intercambiadores slinky, ésta puede disminuir considerablemente. Si esto ocurre, se procederá a la presurización del circuito hasta la presión mínima de prueba.
En las instalaciones grandes, con el objeto de detectar y aislar con mayor facilidad las causas de los fallos, se recomienda ejecutar estas pruebas por tramos, realizándose a medida que se finaliza el montaje de cada uno de ellos. En estos casos, una vez validadas las pruebas se procederá a cubrir la zanja dejando al descubierto las uniones hasta la realización de la prueba final conjunta. Como orientación, se puede sectorizar:
• En tramos de longitud inferior a 500 m o con un número de uniones en el colector superior a 5 para intercambiadores horizontales, slinky o de cabecera.
• En ramales de conexión que alimenten a más de 10 pozos verticales.
En los casos en los que se realicen las pruebas por tramos, se procederá a una prueba final de todo el circuito consistente en:
• Circular agua por la instalación a una velocidad de 6 m/s durante 15 minutos.
• Mantener la instalación a 6 bares durante 30 minutos.
Montaje de colectores
Horizontales
A continuación se muestran las configuraciones básicas más comunes para los tramos horizontales de los intercambiadores verticales:
1 Configuración lineal: los colectores de ida y retorno se colocan a lo largo de una única línea recta entre las perforaciones y la sala de máquinas. Esta configuración es la más útil cuando hay un gran número de pozos, debido a la facilidad de ejecución en línea de las perforaciones. En este tipo de configuración es conveniente, si no se van a instalar válvulas reguladoras, configurar el colector de retorno en modo retorno invertido.


2 Configuración radial: esta configuración es adecuada para un número intermedio de perforaciones en las que se quiera instalar una arqueta de registro común a las mismas. La arqueta con la valvulería correspondiente se instalará en el centro de la configuración desde la que partirán, radialmente, los colectores de ida y retorno a la sala de máquinas.


3 Tuberías a sala de máquinas: en las obras de viviendas, en las que el número de perforaciones suele ser inferior a 6 y la ubicación de las mismas se encuentra muy próxima a sala de máquinas, una de las soluciones recomendadas es la de ubicar los colectores principales vistos, colgados en pared, introduciendo directamente en la sala de máquinas las propias sondas geotérmica a través de pasatubos.
En la siguiente figura se muestra el modo de conexión recomendado de las sondas geotérmicas al colector principal. El uso de codos de 90° se empleará siempre que, por motivos de espacio, no sea posible el curvado de la tubería, cuyo radio mínimo de curvatura será 25 veces el diámetro de la tubería.


Otro aspecto fundamental a tener en cuenta en el tendido de tuberías horizontales, tanto en la ejecución de un intercambiador horizontal como en los retornos invertidos, son los finales de bucle, como se observa en la figura 6.11. Si, por razones de espacio, no se puede realizar la curvatura adecuada con la propia tubería (25*en polietileno, 50* en polibutileno), la ejecución se resolverá mediante codos de 90°.


Slinky
Los intercambiadores de calor slinky pueden ser configurados de diferentes maneras, según estén superpuestas o separadas las espiras. Las configuraciones recomendadas son:
• Slinky espiras separadas
En esta modalidad se realizan espirales de 30 a 32 pulgadas de diámetro con el mismo espaciamiento, es decir, los lazos se ponen uno en contra del otro sin sobreponerse. Este espaciamiento es la media del paso de una persona o la longitud de su brazo, con lo que no son necesarios instrumentos de medida y es fácil realizarlos con el operario de pie.
Esta modalidad se empleará en longitudes cortas de intercambiador, por ejemplo en instalaciones combinadas con sistemas verticales, cuando sea importante la rapidez en la ejecución.
• Slinky espiras superpuestas
El modo más sencillo de formar el lazo slinky desde el rollo de tubería consiste en permitir que el rollo de tubería permanezca en la misma configuración circular en la que fue enrollado durante su fabricación; para ello hay que extender rollos del carrete principal sin desenrollar completamente la tubería. Es conveniente, para realizar los lazos más fácilmente y evitar estar tomando medidas continuamente, colocar una fijación para poder guiar el espaciamiento de los lazos y su atado. De este modo, los lazos son estirados a través de la fijación, y la altura es fijada por sus límites. Una vez la tubería está colocada en la fijación con las medidas especificadas, los lazos pueden ser atados con bridas de plástico. Realizando el slinky por este procedimiento, el diámetro más pequeño para que la configuración sea manejable es de 24 pulgadas.


Sala de máquinas
Todo espacio destinado a sala de máquinas dispondrá de una pared libre para la ubicación de la bomba de calor y los colectores de entrada y salida a la misma con todos sus elementos, colgados en la pared. Este espacio se deberá ubicar lo más próximo posible tanto a las conexiones exteriores al intercambiador enterrado como a las conexiones de distribución interior. Los colectores vistos irán aislados con espesores mínimos fijados por la IT 1.2.4.2.1. del Reglamento de Instalaciones Térmicas.
Tanto la bomba de calor como los colectores y accesorios deberán quedar accesibles para trabajos de mantenimiento y reparaciones, dejando como mínimo las distancias especificadas en el catálogo del fabricante de la bomba de calor.
Las salas de máquinas en las que la potencia instalada sea superior a 70 kW cumplirán las especificaciones de la IT 1.3.4.1.2.
En general, todos los elementos (valvulería, grupos hidráulicos, instrumentación, etc.) cumplirán con los requisitos de las instrucciones técnicas correspondientes del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios.