Regeneración en GHEtool (parte 1)

El desequilibrio es uno de los retos más habituales a la hora de diseñar campos de perforación geotérmicos. Aunque existen diferentes soluciones (como modificar el diseño u optar por un sistema geotérmico híbrido), una solución habitual consiste en recurrir a la regeneración para contrarrestar activamente el desequilibrio. En este artículo se analiza el módulo de regeneración recientemente lanzado en GHEtool Cloud.

¿Qué es la regeneración?

A la hora de diseñar campos de perforaciones geotérmicas superficiales, a menudo hay que tener en cuenta una deriva de temperatura a largo plazo debida al desequilibrio del sistema. O bien el campo de perforaciones se enfriará año tras año debido a que la carga de extracción es mayor que la de inyección, o bien ocurrirá lo contrario. En el perfil de temperatura que se muestra a continuación, se presenta un campo de perforaciones con un desequilibrio significativo en la extracción.

Este desequilibrio no es deseable, ya que puede dar lugar a que sea necesario un campo de perforación de mayor tamaño para garantizar que las temperaturas del fluido se mantengan dentro de los límites establecidos (tal y como se explica en nuestro artículo sobre el desequilibrio aquí).

Desde un punto de vista conceptual, existen dos formas diferentes (además de los cambios arquitectónicos o de uso del edificio) de evitar este desequilibrio: la hibridación y la regeneración. Para comprender claramente la diferencia entre estas dos opciones, volvamos al diagrama de Sankey (más información aquí) del perfil de temperatura anterior.

Un diagrama de Sankey es una forma gráfica de ilustrar el flujo de energía de nuestro sistema geotérmico. En el ejemplo anterior, la demanda de calefacción y de agua caliente sanitaria se encuentra a la derecha, y ambas son cubiertas por la bomba de calor geotérmica (GSHP). Esta GSHP, a su vez, también cuenta con varias entradas diferentes, concretamente la demanda de electricidad (para el compresor de la bomba de calor), el desequilibrio y el almacenamiento estacional de energía térmica (STES).

Tanto el desequilibrio como el STES tienen en cuenta la energía extraída del suelo, pero son conceptos diferentes. El desequilibrio consiste en utilizar el suelo como fuente de calor, mientras que el STES utiliza el calor almacenado durante la refrigeración del verano anterior. Dado que los campos de perforación geotérmicos poco profundos son, en esencia, una tecnología para almacenar calor en lugar de agotar el suelo, lo ideal es que esta parte verde sea lo más grande posible. En el diagrama de Sankey anterior, queda claro que es principalmente el desequilibrio el que alimenta la bomba de calor geotérmica, lo que explica la significativa tendencia a la baja de la temperatura del campo de perforación.

La primera opción para solucionar este problema de desequilibrio elevado consiste en optar por una tecnología híbrida, tal y como se muestra en el diagrama de Sankey que figura a continuación.

En este caso, parte de la demanda de calefacción se cubre mediante un sistema híbrido (más información aquí), por ejemplo, una bomba de calor aerotérmica. Al hacerlo, se reduce la proporción de la bomba de calor aerotérmica y, dado que la demanda de refrigeración y de refrigeración geotérmica se mantiene igual, el desequilibrio se reduce significativamente. Esto da lugar al perfil de temperatura que se muestra a continuación, en el que ahora el fluido se mantiene dentro de los límites predefinidos, pero el desequilibrio sigue siendo claramente visible. Esto también implica que, si el periodo de simulación se amplía, por ejemplo, a 40 años, la proporción del sistema híbrido debería aumentarse para seguir manteniéndose dentro de los límites.

Otra opción es optar por la regeneración del campo de perforaciones, tal y como se muestra en el diagrama de Sankey que figura a continuación. En este caso, la carga de calefacción (y de agua caliente sanitaria) sigue siendo de 100%, suministrada por la bomba de calor geotérmica, pero el desequilibrio ha desaparecido por completo. Gracias a la regeneración, se inyecta calor adicional en el suelo, donde se almacena para ser utilizado posteriormente por la bomba de calor geotérmica.

La situación anterior da lugar al perfil de temperatura que se muestra a continuación. En él se aprecia claramente que ya no se produce ninguna deriva de temperatura a largo plazo, lo que implica que, si el periodo de simulación se ampliara a 40 años, ello no afectaría a la viabilidad del sistema.

También está claro que el perfil ahora es completamente diferente, ya que la regeneración modifica el perfil de carga del suelo al inyectar (o extraer) calor adicional en (o del) suelo.

A continuación, se analizarán las diferentes categorías de tecnologías de regeneración; después, se explicarán los detalles del algoritmo de regeneración (las reglas de regeneración, dónde aplicarlo y qué algoritmo elegir).

Tecnologías de regeneración

La regeneración puede llevarse a cabo con casi cualquier tecnología, siempre y cuando sea capaz de proporcionar calefacción, refrigeración o ambas. Eso, en cierto sentido, es lo bueno de la regeneración. Si se dispone de un campo de pozos en el que predomina la extracción, cualquier elemento que pueda utilizarse como fuente de calor es adecuado para la regeneración, al igual que cualquier fuente de frío en el caso de un campo de pozos en el que predomine la inyección.

En GHEtool Cloud se aplican cuatro categorías de tecnologías de regeneración en las que, con cierto grado de abstracción, pueden encajar todas las tecnologías de regeneración. A continuación se analizan dichas categorías.

Potencia constante

La primera y más sencilla categoría tecnológica para la regeneración es la de potencia constante. Esto implica que siempre disponemos de una determinada cantidad de potencia para su inyección o extracción. Pensemos, por ejemplo, en una resistencia eléctrica que se puede encender en cualquier momento para suministrar una determinada cantidad de potencia, o incluso en una bomba de calor aerotérmica que tiene una potencia instalada determinada que puede suministrar en calefacción y/o refrigeración.

La idea de la tecnología de potencia constante es que su potencia sea constante y que no dependa del tiempo.

Temperatura constante

La contrapartida de una tecnología de regeneración con potencia constante es aquella que tiene una temperatura de referencia (o de regeneración) constante, con la que podemos intercambiar energía a través de un intercambiador de calor. Se trata, por ejemplo, de una red de calefacción o refrigeración urbana, de aguas residuales o de ventilación de aire de escape.

Todas estas fuentes tienen (en gran medida) una temperatura constante e independiente del tiempo que puede utilizarse para la regeneración. Por ejemplo, la temperatura del aire de ventilación de salida suele rondar los ±22 °C durante todo el año. Si se instala aquí un intercambiador de calor y la temperatura del fluido es inferior a esta, se puede extraer calor del aire e inyectarlo en el suelo. Cuando la temperatura del fluido es superior, el calor se puede expulsar, enfriando así el suelo.

La potencia $\dot{Q}$ en [W] que puede suministrar dicho intercambiador de calor es proporcional a la diferencia de temperatura $\Delta T$ entre la temperatura de la fuente de regeneración y la temperatura media del fluido en el intercambiador de calor. Cuando la diferencia de temperatura aumenta, también aumenta la potencia que suministra el intercambiador de calor. En GHEtool, se supone que se trata de una relación lineal con un factor de escala $k$ en [W/K]: $$\dot{Q}=k\cdot \Delta T$$

Energía solar térmica

Una tecnología de regeneración muy habitual es la de los sistemas termosolares, como los colectores termosolares, los absorbedores solares (también denominados calentadores de piscinas, como el que se muestra a continuación) o los paneles PVT. Todas ellas son tecnologías que convierten la radiación solar en calor y suelen utilizarse en situaciones en las que el campo de pozos está dominado por la extracción.

Además de convertir (parte de) la energía solar en calor, estas tecnologías también intercambian energía con el aire circundante. Normalmente, cuando se utilizan colectores solares térmicos para la producción de calor, esto supone una pérdida de calor hacia el entorno; sin embargo, en el caso de la regeneración, en la que las temperaturas de los fluidos son bastante bajas, también puede considerarse una ganancia.

La potencia que pueden proporcionar las tecnologías de regeneración solar térmica se puede expresar de la siguiente manera:

$$\dot{Q}=a_0\cdot \dot{Q}_{sol} \cdot A + a_1\cdot A \cdot \Delta T + a_2\cdot A \cdot (\Delta T)^2$$ donde $\dot{Q}_{sol}$ es la potencia solar en [W/m²], A es la superficie en [m²], $\Delta T$ es la diferencia de temperatura entre el aire ambiente y la temperatura media del fluido en el panel, y $a_0$, $a_1$ y $a_2$ son los coeficientes de pérdida de calor de orden cero, primero y segundo, respectivamente.

La fórmula anterior también muestra que los paneles solares térmicos pueden utilizarse igualmente para la extracción de calor, especialmente cuando el fluido está más caliente que el aire circundante. Sin embargo, esto no suele ser tan eficiente como un enfriador en seco, ya que la mínima cantidad de luz solar vuelve a calentar el fluido.

Nota
A la hora de considerar los paneles solares térmicos, su orientación también es importante, no solo por el valor absoluto del calor que pueden producir, sino también por el momento en que lo hacen. En GHEtool, actualmente, por motivos de simplificación, este aspecto se omite considerando el 80% de la irradiancia horizontal global sobre el panel. Esto debería ser más o menos equivalente a un panel con una orientación media.

Enfriadores secos

Los enfriadores secos (o, de hecho, cualquier tipo de intercambiador de calor con el aire exterior) constituyen la última categoría de tecnología de regeneración. También dependen del entorno exterior, al igual que las tecnologías solares térmicas, pero no aprovechan la radiación solar. Al igual que la regeneración a temperatura constante, funcionan como un intercambiador de calor con el aire ambiente (que ahora varía) y una potencia de regeneración que es proporcional a la diferencia de temperatura.

Los enfriadores secos son muy adecuados tanto para la regeneración de un campo de pozos en el que predomina la extracción como para uno en el que predomina la inyección.

Tres reglas para la regeneración

Aunque tanto la hibridación como la regeneración resuelven el mismo problema de desequilibrio, lo hacen de formas muy diferentes. La hibridación elimina parte de la carga del campo de perforación, lo que hace que el umbral de temperatura sea menos crítico. La regeneración hace lo contrario: aumenta la carga geotérmica de tal forma que se compensa el desequilibrio, pero al hacerlo, modifica significativamente el perfil de temperatura. Esto puede tener un impacto significativo en el futuro.

Imaginemos el caso anterior, en el que se produjo un desequilibrio significativo en la extracción y queremos corregirlo inyectando calor adicional en el suelo. Lo ideal sería hacerlo mediante algún tipo de regeneración solar térmica en verano (cuando hace calor y hay bastante luz solar), pero esto aumentaría tanto la temperatura de las paredes del pozo como la de los fluidos, lo que reduciría el potencial de refrigeración (pasiva).

Para solucionar este problema, en el back-end se aplican tres reglas de regeneración.

1. No regeneres en exceso
   La regeneración tiene como objetivo contrarrestar el desequilibrio, pero si no se tiene cuidado, también puede provocar otro desequilibrio. Imaginemos el caso en el que se utiliza la regeneración para compensar una carga dominada por la extracción mediante la inyección de calor adicional en el suelo. Si se sigue haciendo eso, con el tiempo, el campo de perforación pasará a estar dominado por la inyección. Por lo tanto, la regeneración debería limitarse, como máximo, al desequilibrio actual.
2. No superes el umbral de temperatura a la hora actual
   La regeneración modifica las temperaturas a la hora actual, por lo que debes asegurarte de que se mantengan dentro de los límites de temperatura establecidos. Esto limita automáticamente la potencia que puedes inyectar o extraer mediante la regeneración.
3. No superes el umbral de temperatura en una hora futura
   Además de variar la temperatura en la hora en la que tiene lugar la regeneración, las temperaturas también varían en las horas posteriores a la regeneración. Imaginemos, por ejemplo, que se ha producido una regeneración mediante inyección de calor una hora antes de que se produzca una carga de refrigeración muy elevada en el campo de perforaciones. Puede darse el caso de que, según la regla 2, la temperatura del fluido no se haya superado durante la hora anterior, pero que, debido a la regeneración, el campo de perforaciones esté ligeramente más caliente al gestionar el pico de refrigeración, superando así sus límites.
   
   Para solucionar esto, cada vez que nos regeneramos, tendríamos que comprobar, en teoría, todas las horas futuras para asegurarnos de que lo que hacemos ahora no tenga un impacto negativo en el futuro. Sin embargo, tener un horizonte de simulación igual al periodo de simulación hace que el algoritmo sea bastante lento sin motivo alguno. En la práctica, un periodo de regeneración de un máximo de 4.380 horas (es decir, medio año) es más que suficiente, y normalmente 100 horas también bastarán.

Nota
En la siguiente parte, se realizarán algunas simulaciones para ilustrar la importancia y el efecto del horizonte de simulación tanto en la velocidad como en la precisión del método.

Si se siguen las tres reglas establecidas anteriormente, la regeneración puede producirse sin que se superen los umbrales de temperatura dentro del horizonte de simulación.

Nota
Puede ocurrir que, incluso con estas reglas, se produzcan algunas infracciones de la temperatura. Imaginemos, por ejemplo, el caso en el que el campo de perforación esté dominado por la extracción y la potencia máxima ya supere el límite de temperatura. En ese caso, la regeneración solo puede empeorar la situación, ya que el límite de temperatura ni siquiera se había alcanzado antes de que comenzara la regeneración.

¿Dónde colocar la regeneración?

La siguiente cuestión importante es: ¿dónde coloco la tecnología de regeneración? En GHEtool Cloud hay dos opciones: justo antes de la entrada del campo de perforación o justo después de la salida del campo de perforación. A continuación se comentan brevemente ambas opciones.

Justo antes de la entrada del campo de perforación

Cuando la tecnología de regeneración se coloca justo antes de la entrada del campo de perforación, se ve sometida a las temperaturas más bajas durante el calentamiento y a las más altas durante el enfriamiento, ya que está situada justo después de la bomba de calor geotérmica. (Véase también el artículo (en cuanto a las temperaturas de entrada y salida.)

Esto resulta interesante, por ejemplo, en el caso de un campo de perforaciones en el que predomina la extracción, pero que aún presenta algunos picos de refrigeración elevados. Por lo tanto, la regeneración debería realizarse en invierno o en las estaciones intermedias, para alejarse lo máximo posible del momento en que se produce el pico de refrigeración elevado. En ese caso, queremos que la temperatura del fluido sea lo más baja posible para que resulte más fácil inyectar calor en el suelo, por lo que situamos la regeneración justo antes de la entrada del campo de perforaciones.

Justo después de la salida del campo de perforación

Cuando la tecnología de regeneración se instala justo después de la salida del campo de perforación, se ve sometida a las temperaturas más altas durante la fase de calentamiento y a las más bajas durante la fase de enfriamiento.

Esto podría resultar interesante, por ejemplo, cuando volvamos a tener un campo de perforación en el que predomine la extracción, pero en el que ahora haya muy pocos picos de enfriamiento en verano (o estos estén activos, por lo que la temperatura máxima del fluido no importe demasiado). En ese caso, lo ideal sería que la regeneración se llevara a cabo en verano, cuando el aire ambiente está más caliente y el sol brilla con más intensidad. Dado que en verano, cuando se produce el enfriamiento, la posición de salida devuelve las temperaturas más bajas, esta sería la solución ideal.

Esto demuestra que, en función de la tecnología de regeneración que se utilice y de la carga del edificio, la posición ideal puede variar según cada caso.

Algoritmos de regeneración

La regeneración tiene como objetivo contrarrestar el desequilibrio, pero la pregunta que surge ahora es: ¿qué desequilibrio exactamente? Dependiendo de cómo se aborde el problema, se pueden definir cuatro algoritmos diferentes, cada uno de los cuales se corresponde, en la práctica, con una estrategia de control. A continuación se analizan estos algoritmos.

Anual

El primer algoritmo de regeneración, de carácter anual, tiene como objetivo compensar el desequilibrio de cada año por separado. Imaginemos el caso en el que existe un desequilibrio de 20 MWh/año. En ese caso, este método regenerará como máximo 20 MWh/año (o menos, si no hay suficiente energía disponible para regenerarlo todo), pero no más.

Cuando se dispone de suficiente capacidad de regeneración para compensar la totalidad del desequilibrio, este método dará lugar a un perfil de temperatura idéntico cada año.

Período de simulación

Otra forma de abordar este problema consiste en tener en cuenta el desequilibrio total a lo largo de todo el periodo de simulación. Imaginemos que se considera un periodo de simulación de 20 años, con un desequilibrio de 20 MWh/año. Esto da como resultado 400 MWh que podrían regenerarse a lo largo de todo el periodo de simulación. Este método simplemente comenzará a regenerar tanto como sea posible y lo antes posible hasta que se compense todo el desequilibrio.

Este suele ser el método de regeneración más rápido, ya que puede ocurrir que el campo de perforación se equilibre por completo antes de que finalice el periodo de simulación. Imagina invertir más en paneles solares térmicos para compensar el desequilibrio. Puede ser que estos paneles inyecten más calor al suelo que el desequilibrio en un solo año. Esto implica que, por ejemplo, al cabo de 15 años, todo el desequilibrio de 20 años ya se haya compensado y no sea necesaria ninguna regeneración en estos últimos 5 años. Esto también se muestra en la figura siguiente.

Nota
En este método puede ocurrir que (a corto plazo) el desequilibrio interruptores En algunos años predominó la extracción frente a la inyección, pero dado que ahora el desequilibrio se considera a lo largo de todo el periodo de simulación, esto sigue estando en consonancia con la primera regla de regeneración mencionada anteriormente.

Perspectivas futuras

Los dos métodos anteriores suponen un conocimiento previo sobre el desequilibrio, mientras que, en la práctica, a menudo este se desconoce. En el método del ‘horizonte de actuación’, el algoritmo solo puede regenerar el desequilibrio que ya se ha producido. Esto significa que, por ejemplo, tras el invierno, la suma de todos los intercambios de energía con el suelo suele estar dominada por la extracción, por lo que el algoritmo puede compensar ese desequilibrio. Sin embargo, si en algún momento del verano el desequilibrio es 0, dejará de regenerarlo, aunque se produzca más desequilibrio en los meses siguientes.

Nota
En este método, puede ocurrir que sea imposible eliminar todo el desequilibrio de un determinado campo de perforación, ya que el algoritmo no puede anticipar desequilibrios futuros como sí lo hacen los otros dos métodos. Por ejemplo, cuando parte del desequilibrio de extracción se produce en noviembre y diciembre, el algoritmo no dispondrá del verano siguiente para compensarlo, lo que dejará un pequeño desequilibrio.

Horizonte del procedimiento +

Este último método amplía básicamente la idea en la que se basa el algoritmo anterior, pero ahora la regeneración puede producirse en ambas direcciones. Al igual que antes, el desequilibrio se calcula cada hora a partir de la suma de todas las inyecciones y extracciones de calor anteriores. Puede ocurrir que, para algunos perfiles, este desequilibrio neto resultante antes del verano esté dominado por la extracción y, justo después del verano, por la inyección. En este caso, este método regenerará primero mediante inyección y después mediante extracción, mientras que el método de horizonte progresivo anterior solo regenerará en la dirección del desequilibrio global (ya sea extracción o inyección).

Conclusión

En este artículo se presenta el nuevo método de regeneración en GHEtool. En primer lugar, se analizó la diferencia entre la hibridación y la regeneración para evitar desequilibrios, tras lo cual se presentaron las cuatro categorías diferentes de tecnologías de regeneración. Posteriormente, se explicaron las tres reglas diferentes para la regeneración, teniendo en cuenta que la regeneración en el momento actual también modificará las temperaturas en el futuro. Aquí también se ha introducido el concepto de horizonte de simulación como un término medio entre el tiempo de simulación y la precisión.

A continuación, se analizó la diferencia entre situar la regeneración en la entrada del campo de perforación o después de la salida del mismo, lo que puso de manifiesto que, en función del proyecto concreto, una u otra opción podría resultar más ventajosa. Por último, se presentaron cuatro algoritmos de regeneración diferentes implementados en GHEtool, cada uno de los cuales se corresponde con una estrategia de control específica que podría aplicarse en la práctica.

En la próxima entrega, que se publicará el 17 de noviembre, se aplicará la teoría de este capítulo a varios ejemplos para ilustrar la flexibilidad de este nuevo método en GHEtool. ¡No te lo pierdas!

Referencias

• Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.