Un parámetro clave para el dimensionamiento de una sonda geotérmica es la potencia de extracción de calor por metro lineal de sonda, y varía, generalmente, entre 20 y 70 W/m. En el caso de requerir mayores potencias, por tratarse de grupos de viviendas o de edificios de grandes dimensiones, puede recurrirse al empleo de campos de sondas geotérmicas, en número de 4 a 50, dispuestas lo más cerca posible de las edificaciones o incluso debajo de ellas, con profundidades de 50 a 300 m, que dependerán de la potencia requerida y de las condiciones geológicas locales.
En el caso de instalaciones para potencias inferiores a 30 kW no se requieren estudios previos extensos, ya que suelen dimensionarse para terrenos estándar, a partir de valores tabulados proporcionados por los fabricantes de equipos, o a partir de guías técnicas y normas publicadas por asociaciones de ingenieros y arquitectos en países donde estos sistemas geotérmicos están muy implantados, como pueden ser Alemania, Austria, Francia, Suecia y Suiza.
Para poder dimensionar una sonda geotérmica es necesario conocer previamente:
- Conductividad térmica del terreno. La potencia de extracción es proporcional a la conductividad térmica.
- Humedad natural del suelo. Mejora la conductividad térmica y garantiza un buen contacto entre sonda y suelo.
- Presencia o ausencia de aguas subterráneas. Cuando una sonda geotérmica penetra en una capa freática (primera capa con agua subterránea que se encuentra en el subsuelo), o en un acuífero somero, en los que el agua presente una velocidad de flujo superior a varios centímetros por día, la cantidad de calor útil aumenta sensiblemente.
- Tipo de prestaciones de la instalación. Puede determinarse a partir de las temperaturas del exterior y del interior del edificio, horas de funcionamiento, modalidad (calefacción-refrigeración- ACS), meses de funcionamiento, etc.
La capacidad de las sondas geotérmicas verticales se puede determinar experimentalmente realizando Tests de Respuesta Térmica en uno o varios sondeos piloto. Gracias a las medidas de temperatura realizadas en el interior del tubo de una sonda geotérmica, se puede tener una imagen exacta de las temperaturas encontradas a lo largo del mismo.
En suelos y rocas secos, y en los materiales de revestimiento del sondeo que aloja el material de relleno y los tubos de la sonda geotérmica, la propagación del calor se realiza por conducción. En el seno del líquido que circula por el interior de la sonda, el calor se
propaga por convección natural y por convección forzada. Si la sonda atraviesa un medio poroso saturado de agua, existirá también propagación de calor por convección natural y forzada.
Para la transferencia de calor por conducción, las propiedades físicas más importantes de suelos, rocas y materiales de la sonda son la conductividad térmica y la capacidad térmica volumétrica. Para la transferencia de calor por convección, la permeabilidad del terreno también es un parámetro importante.
- Conductividad térmica es el flujo de calor transmitido por conducción a través de un cuerpo sometido a un gradiente de temperatura de 1 K/m (1 grado Kelvin por metro). Se expresa en W/m· K, o en W/m· ºC.
- Capacidad térmica volumétrica es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 m3 de terreno en 1 K. Se expresa en J/m3· K.
- Permeabilidad es la capacidad de un suelo o roca para ser atravesado por el agua. Se expresa en m/s. Permite determinar la velocidad de flujo del agua subterránea.
Características térmicas según el tipo de roca 