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OBJECTIVE OF THE STUDY In this project a study about the use of geothermal energy for air conditioning of the Colegio Mayor Juan de la Cosa is done. The number of probes required, its position, all the elements required for the installation to extract heat from the subsoil, and the execution thereof are calculated. To this end, all the necessary parameters such as geology, climate, construction site, the energy demands of the building throughout the year, and the number of hours of use of the system will be analyzed. Relevant simulations will be conducted to verify proper operation of the system that will be chosen, and finally, the constructive solution will be defined to comply with these requirements. THEORETICAL CONTEXT The low enthalpy geothermal energy consists of transmiting thermal energy from underground short depth to a building. When a heat input into the building is needed, the use of the system is as heating. Or It is used for cooling when is necessary transport the heat inside the building to the surface layers of the Earth. Geothermal energy of low enthalpy present in anywhere in the world, is a renewable energy, is available 24 hours a day, 365 days a year, is safe, predictable, measurable, controllable, metered, virtually inexhaustible, present at any point of the terrestrial crust and with very low levels of use in Spain. There are several ways to exploit this energy. Used in this study is a closed system. The implementations of vertical geothermal boreholes are located under the building. LOCATION AND GEOLOGICAL FRAMEWORK The location of the building, on which the study of the use of very low enthalpy geothermal will be performed, is located on the current site located at number 55 (D) of the Avenue of the Castros of the city of Santander (39005). At the North, Avenue Castros, At South, Honduras Street, At West, La Teja park, and at the East, buildings for residential use are available. Geology in this area present for less than 170 m depth would be shown in the following two points: 1. A layer formed by an alternation of marl and marly limestones, with powers of centimeters or decimeters and abundant traces of water leaks. In this first layer the borehole has a depth of about 80-90m from the level of project. 2. A second layer formed predominantly by calcarenitas, with bioclastic and sandy limestones with power decimeter or meter, very regular, and having well-defined surfaces frequently stratification by marly joints. In this second layer the 150-170m depth are achieved from the level of project. STUDY OF ALTERNATIVES To determine the number of probes, depth and configuration of the building, is needed to start knowing the data and machines which have to be installed, and proceeds to simulate the thermal behavior of the subsoil over the years to ensure correct operation of the installation. This calculation is performed by EED 3.2 software, very common in the design of vertical heat exchangers. A total of 4 simulations are performed, discarding the first because it doesn’t provide the the building energy needs. The second one is made with a single probe type U, it provides us the building energy needed with the minimum requirements of the installation. With the aim of seeking to reduce costs, a third simulation with a probe double U type is simulated, which save us meters of drilling and therefore reduce the final budget. After calculating the third simulation, and checking that effectively meters of drilling are below those of the second drilling, it is found that is capable of meeting the energy demands of the building. It is noted that this third option is very close to the cool limits for the heat transfer fluid, so it was decided to make one last simulation with a slight increase in the depth of the boreholes. Serving more safely to the limits given for the heat transfer fluid. BOREHOLE EXECUTION AND TESTS This first drilling soil type is required, which can be executed by various methods, the method chosen in this study is the rotation with the use of sludge in direct circulation for debris extraction. The casings will be needed at least in the first part of the boreholes to ensure the sustainability of the land. The introduction of the exchanger (PEX material) will be made once walls of drilling are fitted. It will review the probes lack of scratches caused during transport or during handling. The probes will have dividers that keep apart a given distance the pipes. In the the dividers center will have a hole where will be placed the injection tube. Probes were loaded with the water- antifreeze mixture before they will be introduced in the borehole. This will allow gravity pipe down, taking care to don’t introduce at a rate too high to avoid rubbing the probes with the mouth or the walls of the borehole. It will be introduced manually or with the aid of an unwinding mechanism. Before injection of the filling it is recommended a first pressure test subjecting the exchanger at a pressure of 6 bar for 30 min. If the test succeeds the filling material is injected through injection pipe from the base of the drilling. The filling mixture is made by injection plant. Once cemented the survey, final pressure test is performed according to the UNE 100715-1, whose operating scheme is summarized as follows: • The tubes were kept idle without load for at least 1 hour. • The probe is brought to test pressure (12 ± 1 bar) in a time of 10 minutes. • Stays in pressure (at least 10 bar) for 10 minutes. • Waiting Period: 60 minutes. Maximum pressure drop: 30%. • The pressure is quickly reduced by 2 bar through water drain. the discharged amount is measured and the new pressure value is noted. • Start main test (30 minutes). The pressure is measured at 10,20 and 30 minutes. The pressure test is satisfactory if, after the third measurement, the maximum pressure drop is 0.1 bar. • After an additional 90 minutes, the pressure drop should be less than 0.25 bar. Borehole connection to the heat pumps room is made by HDPE pipes, for it is needed to do a trench with 1m deep, where a sand bed of 10 cm is placed to prevent scratching HDPE tubes is done. Another layer of sand over the HDPE tubes are placed and the rest is filled with ground own previous excavation. ECONOMIC FEASIBILITY AND FINAL CHOOSE In a first analysis indicates that the alternative Nº 2 is the most expensive because of the large number of underground drilling to be executed mainly. If the budget of the horizontal section is also analyzed it shows that the alternative Nº 2 is also the most expensive. This is because the cubic meters of excavation and pipe meters are higher for the largest number of probes to be executed. Analyzing the cost of vertical soundings noticed this difference because the survey meter drilling is more expensive than the exchanger, then reducing meters of drilling cost savings will be achieved. Therefore, The alternative Nº 2 is 7.81% more expensive than the alternative Nº 3 and a 5.7% more expensive than the alternative Nº 4. In this order, the alternative Nº 3 may be discarded for economic reasons. The difference between the alternative Nº 3 and alternative Nº 4 is 4346.5 euros, 1.9% of the budget for the alternative Nº 3. It is not a significant economic difference between these two alternatives. But in response to technical reasons the alternative Nº.4 is willing side of safety, while alternative Nº 3 is more in line with the limit values. Therefore to ensure the proper functioning of the system it decides that the alternative Nº 4, despite a small increase in the budget, is the best alternative with a tender base budget of € 322,454.42. RESUMEN: OBJETIVO DEL ESTUDIO En el presente proyecto se realiza un estudio sobre el uso de la energía geotérmica para la climatización del Colegio Mayor Juan de la Cosa, calculando el número de sondeos necesarios, su posición y todos los elementos que requiere la instalación para extraer el calor del subsuelo, así como su ejecución. Para ello se analizarán todos los parámetros necesarios como son la geología, el clima, el emplazamiento de la obra, las demandas energéticas del edificio a lo largo del año, así como el número de horas de utilización del sistema. Se realizarán las simulaciones pertinentes para comprobar el correcto funcionamiento del sistema escogido, y finalmente, se definirá la solución constructiva necesaria para dar cumplimiento a estos requisitos establecidos. CONTEXTO TEÓRICO La energía geotérmica de baja entalpía consiste en trasmitir energía térmica desde el subsuelo a pequeña profundidad a una edificación. Cuando sea necesario un aporte de calor en el edificio usando el sistema como calefacción, o cuando sea necesario refrigerar las estancias se transportará el calor del interior de la edificación a las capas superficiales de la Tierra. La energía geotérmica de baja entalpía, presente en cualquier punto del planeta, es una energía renovable, está disponible las 24 horas del día, 365 días al año, es segura, previsible, medible, controlable, dosificable, prácticamente inagotable, presente en cualquier punto de la corteza terrestre y con muy bajos niveles de utilización en España. Existen diversas formas de aprovechar esta energía. La utilizada en este estudio consiste en un sistema de lazo cerrado con ejecución de sondas geotérmicas verticales situadas debajo del edificio. UBICACIÓN Y MARCO GEOLOGICO El lugar donde se encontrará el edificio sobre el que se realiza el estudio del empleo de la geotermia de muy baja entalpía se ubica en el actual solar situado en el numero 55(D) de la avenida de los Castros de la ciudad de Santander (39005). Al Norte se dispone la avenida de los Castros, al Sur la calle Honduras, al Oeste el parque municipal de la Teja y al Este un solar con edificaciones de tipología abierta de uso residencial. En esta zona la geología presente para un sondeo menor a 170 m sería la que se muestra en los siguientes dos puntos: 1. Una capa formada por una alternancia de margas y calizas margosas, con potencias de centímetros o decímetros y abundantes huellas de escapes de agua. En el sondeo esta primera capa tiene una profundidad de unos 80-90m desde la cota de proyecto. 2. Una segunda capa formada predominantemente por calcarenitas, junto con calizas bioclásticas y arenosas, con potencia decimétrica o métrica, muy regulares, y que presentan superficies de estratificación muy bien definidas con frecuencia por juntas margosas. En esta segunda capa se alcanzan los 150-170m de profundidad desde la cota de proyecto. ESTUDIO DE ALTERNATIVAS Para determinar el número de sondeos, su profundidad y configuración se parte de los datos de demanda energética del edificio y de la maquinaria a instalar, y se procede a la simulación del comportamiento térmico del subsuelo para asegurar el correcto funcionamiento de la instalación a lo largo de los años. Dicho cálculo se ejecuta mediante el software EED 3.2, muy habitual en el diseño de intercambiadores verticales. Se realizaron un total de 4 simulaciones, descartando la primera de ellas por no satisfacer las necesidades energéticas del edificio. La segunda simulación, realizada para una sonda tipo simple U cumple con los requerimientos mínimos de la instalación. Sin embargo, con el objetivo de buscar reducir los costes se lleva a cabo una tercera simulación con una sonda tipo doble U, que permita ahorrar metros de perforación y por tanto reduzca el presupuesto final. Una vez calculada esta tercera simulación y comprobando que efectivamente los metros de perforación son menores a los de la segunda, se comprueba que esta es capaz de satisfacer la demanda energética del edificio. Se observa que esta tercera alternativa está muy cerca de los límites impuestos al fluido refrigerante, por lo que se decide realizar una última simulación con un ligero aumento de la profundidad de los sondeos, cumpliendo de forma más segura con los valores límites impuestos al fluido refrigerante. EJECUCIÓN DEL SONDEO Y PRUEBAS Primero es necesaria la perforación de este tipo de suelo, que puede ser ejecutado mediante distintos métodos, siendo la rotación directa con el empleo de lodos en circulación directa para la extracción del detritus la considerada en el estudio. Las entubaciones serán necesarias al menos en la primera parte del sondeo para asegurar el sostenimiento del terreno. La introducción del intercambiador (de material tipo PEX) se realizará una vez la perforación esté acondicionada, de manera que se eviten posibles colapsos de las paredes del sondeo. Se revisará que las sondas carezcan de arañazos ocasionados en el transporte o durante su manipulación. Las sondas dispondrán de separadores que mantengan los tubos separados entre sí una distancia dada, llevando en el centro el registro para colocar el tubo de inyección. Las sondas se introducirán cargadas de la mezcla de agua-anticongelante. Esto permitirá que la tubería baje por gravedad, con la precaución de introducirlas a una velocidad demasiado alta que evite el roce las sondas con la boca o las paredes de la perforación. Se introducirá manualmente o con la ayuda de un mecanismo desenrollador. Antes de la inyección del relleno se recomienda realizar una primera prueba de presión sometiendo al intercambiador a una presión de 6 bar durante 30 minutos. Si la prueba es satisfactoria se inyectará el material de relleno mediante tubería de inyección desde la base de la perforación. La mezcla del relleno se realizará mediante una planta de inyección. Una vez cementado el sondeo, se realiza una prueba de presión definitiva según la norma UNE 100715-1, cuyo esquema operativo se resume en lo siguiente: • Se mantienen los tubos en reposo, sin carga durante al menos 1 hora. • Se lleva la sonda a la presión de prueba (12±1 bar) en un tiempo de 10 minutos. • Se mantiene en presión (al menos 10 bar) durante 10 minutos. • Periodo de espera: 60 minutos. Caída de presión máxima: 30%. • Se reduce la presión rápidamente en 2 bar mediante vaciado de agua. Se mide la cantidad evacuada y se anota el nuevo valor de la presión. • Comienza la prueba principal (30 minutos). Se mide la presión a los 10,20 y a los 30 minutos. La prueba de presión es satisfactoria si, al cabo de esa tercera medición, la caída de presión máxima es de 0,1 bar. • Después de un tiempo adicional de 90 minutos, la caída de presión debe ser inferior a 0,25 bar. La conexión de los sondeos a la sala de máquinas se realiza mediante tubos PEAD. Para ello se realiza la excavación de zanjas de 1m de profundidad, en las que se coloca una cama de arena de 10 cm para evitar que los tubos PEAD se arañen. Se colocará otra capa de arena encima de los tubos PEAD y el resto se rellenará con la propia tierra de la excavación. VIABILIDAD ECONÓMICA Y ELECCIÓN FINAL En un primer análisis se observa que la alternativa Nº2 es la más cara debido a la gran cantidad de metro de perforación que se debe ejecutar, principalmente. Si se analiza también el presupuesto del tramo horizontal se observa que la alternativa Nº2 es también la más cara. Esto es debido a que los metros cúbicos de excavación y los metros de tubería son mayores por el mayor número de sondeos que se deben ejecutar. Analizando el coste de los sondeos verticales se observa esta diferencia debido a que el metro de perforación de sondeo es más caro que el metro de intercambiador, por lo que reduciendo los metros de perforación se conseguirá un ahorro de los costes. Por tanto, puesto que la alternativa Nº2 es un 7,81% más cara que la alternativa Nº3, y un 5,7% más cara que la alternativa Nº 4, puede ser descartada por motivos económicos. La diferencia entre las alternativas Nº3 y la Nº4 es de 4346,5 €, un 1,9% del presupuesto de la alternativa Nº3. Apenas hay diferencia económica significativa entre ambas, pero atendiendo a motivos técnicos la alternativa Nº4 está dispuesta del lado de la seguridad, mientras que la alternativa Nº3 está ligeramente más ajustada a los valores límites. Por tanto para asegurar el mejor funcionamiento del sistema diseñado se decide que la alternativa Nº4 es la alternativa más adecuada con un presupuesto base de licitación de 322.454,42 €. Grado en Ingeniería civil