¿Cómo evitar el desequilibrio?

El desequilibrio es un aspecto central e importante en el mundo del diseño geotérmico. La semana pasada hablamos de cómo afrontarlo a la hora de diseñar el campo de sondeos, pero hoy daremos un paso atrás y analizaremos distintas formas de evitarlo.

¿Qué es el desequilibrio?

El desequilibrio es el calentamiento o enfriamiento anual del suelo causado por una diferencia entre la energía extraída y la inyectada anualmente. En ese sentido, está totalmente determinado por la demanda energética de su edificio y es algo con lo que simplemente hay que aprender a lidiar. A continuación, puede ver un ejemplo de un campo de sondeo dominado por la extracción.

La demanda geotérmica anterior se traduce en el campo de perforación dominado por la extracción que se muestra a continuación. Como puede verse, la temperatura desciende año tras año porque se extrae más energía de la que se inyecta. Esto ejerce una presión considerable sobre el umbral mínimo al final del periodo de simulación, ya que se convierte en el punto crítico de diseño. Cuanto mayor sea el desequilibrio, más metros de perforación (y, por tanto, más inversión) serán necesarios para hacerle frente.

Nota
No todos los desequilibrios conllevan por definición más metros de perforación y, por tanto, mayores costes de inversión. Cuando existe un cierto desequilibrio pero su perforación ya está limitada en el primer año debido a una potencia punta elevada, pierde importancia. Encontrará más información en nuestro artículo en los cuadrantes del campo de perforación.

¿Evitar o afrontar?

Está claro que el desequilibrio puede plantear retos considerables para el diseño de su campo de perforación y, como ocurre con la mayoría de los retos de la vida, puede intentar evitarlo o aprender a afrontarlo.

La semana pasada estudiamos distintas formas de hacer frente al desequilibrio una vez que se había producido. (Puedes encontrar el artículo aquí.) Esta semana daremos un paso atrás y analizaremos las distintas opciones de diseño disponibles para evitar el desequilibrio. Esto puede hacerse de dos maneras: teniendo en cuenta las decisiones arquitectónicas del edificio o utilizando un enfoque más basado en el sistema. Ambas se explican a continuación.

Representación gráfica del origen del desequilibrio y de dónde se puede hacer frente a él.

Enfoque arquitectónico

Como ya se ha dicho, el desequilibrio es consecuencia de la demanda de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria del edificio, pero esas demandas no están grabadas en piedra. Por supuesto, aspectos como la ocupación y los niveles de confort son bastante estrictos e inmutables, pero en la fase de diseño arquitectónico de un proyecto podemos influir en varios factores que determinarán la demanda final de calefacción y refrigeración del edificio. A continuación se exponen algunos de ellos.

Persianas solares

Una de las discusiones más habituales en la fase arquitectónica de un proyecto es si instalar persianas solares para evitar que el edificio se sobrecaliente en verano.

Aunque esto puede ser una buena idea por razones de comodidad, la instalación de protección solar disminuirá la demanda de refrigeración del edificio, y cuando se tiene un campo de sondeo dominado por la extracción (donde la temperatura bajará año tras año), esto no es lo ideal. En ese caso, lo que se necesita es una mayor demanda de refrigeración para equilibrar el campo de perforación.

Nota
En lugar de colocar persianas solares, sería mejor explorar formas de mantener fresco el edificio sin reducir la propia demanda de refrigeración, ya que eso afecta al desequilibrio. Por ejemplo, podría utilizar ventiladores de refrigeración para ayudar a hacer frente a la elevada demanda de refrigeración en verano. Sin embargo, asegúrate siempre de que tu campo de perforación también pueda soportar los picos de demanda de refrigeración.

Windows

Además de las persianas solares, el tamaño y la ubicación de las ventanas también influyen significativamente en el desequilibrio. En primer lugar, el tamaño de las ventanas tiene un doble efecto: aumenta las ganancias solares en verano (elevando la demanda de refrigeración y, por tanto, la carga de inyección en el campo de sondeos), pero, por otro lado, también aumenta las pérdidas de calor por conducción en invierno (elevando la demanda de calefacción y, por tanto, la carga de extracción en el campo de sondeos).

La magnitud relativa de estos efectos viene determinada por la colocación o ubicación de las ventanas. Una ventana en la fachada norte del edificio sólo aumentará ligeramente la carga de refrigeración, mientras que una ventana en la fachada sur provocará un aumento considerable de la demanda de refrigeración. Las pérdidas de calor en invierno son menos sensibles a la orientación.

Además del tamaño y la orientación de las ventanas, sus valores U y g también marcan la diferencia. El primer parámetro afecta a la calidad de aislamiento de la ventana (y, por tanto, influye en la demanda de calefacción o extracción), mientras que el segundo afecta a las ganancias solares (que influyen en la demanda de refrigeración o inyección).

Material del suelo

Un último tema que influye significativamente en el desequilibrio geotérmico es el material del suelo. Las dos situaciones que se describen a continuación utilizan sistemas de calefacción por suelo radiante, pero una está acabada con baldosas de cerámica, mientras que la otra tiene un suelo de madera maciza.

Además de la diferencia estética, el comportamiento térmico de ambos suelos es extremadamente diferente. El suelo cerámico es muy buen conductor del calor, mientras que el de madera actúa más como aislante. Esto significa que, si desea utilizar la refrigeración del suelo, un suelo cerámico funcionará casi un 50% mejor que uno de madera. Esto no sólo afecta al confort térmico, sino también al desequilibrio, ya que un suelo de madera captará menos demanda de refrigeración, lo que se traducirá en una menor carga de inyección en el campo de perforación.

Enfoque sistémico

Las opciones comentadas anteriormente pueden utilizarse para modificar la demanda del edificio hasta cierto punto, pero antes de abordar el desequilibrio en nuestro diseño geotérmico, hay otro enfoque que podemos adoptar para evitarlo: el enfoque de sistema. A continuación se analizan ambas opciones, la hibridación y la regeneración.

Hibridación

Diseñamos un sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado para proporcionar al edificio la calefacción y la refrigeración necesarias, pero, dependiendo de la configuración, sólo una parte de esta demanda es satisfecha por el campo de sondeos. Cuando volvemos a ver el gráfico del desequilibrio, queda claro que el edificio tiene una demanda de calefacción mayor que la de refrigeración (como se ve por una extracción mayor que la inyección de calor), lo que provoca el desequilibrio.

Un enfoque para equilibrar el campo de perforación consiste en retirar parte de la demanda de calefacción del edificio del sistema geotérmico y asignarla a otra tecnología, como una bomba de calor aire-agua, una caldera de gas o un calentador eléctrico. De este modo, no alteramos la demanda del edificio en sí, sino que eliminamos el desequilibrio geotérmico desplazando parte de la carga a otro lugar.

Nota
Como se menciona en nuestro artículo en los cuadrantes del campo de sondeos, las cargas de inyección y extracción no son idénticas a las demandas de refrigeración y calefacción del edificio, ya que entre ellas funciona una bomba de calor. Además, si también se produce agua caliente sanitaria con la bomba de calor geotérmica, parte de la carga de extracción procede de ella. Sin embargo, a efectos de este artículo, nos abstendremos de ello.

Ejemplo de sistema híbrido

Aunque los sistemas híbridos (como analizamos ampliamente en nuestros artículos sobre el tema) suelen utilizarse en instalaciones de mayor tamaño, también pueden aparecer en proyectos residenciales más pequeños. Un ejemplo es un edificio con calefacción y refrigeración por suelo radiante acopladas a una bomba de calor geotérmica, que se calienta demasiado en verano. Para evitar el sobrecalentamiento, los propietarios instalan una unidad split de aire acondicionado independiente para satisfacer la demanda de refrigeración. Entonces tenemos un sistema híbrido en el que hay una bomba de calor geotérmica y otra de aire.

Sin embargo, si el sistema geotérmico está dominado por la extracción, el sistema híbrido descrito anteriormente no será beneficioso para el desequilibrio. La unidad dividida puede enfriar fácilmente la temperatura ambiente a 21 °C, sin dejar carga de refrigeración para el sistema de refrigeración del suelo. Como resultado, la cantidad de calor inyectada de nuevo en el campo de sondeo será casi nula, lo que podría provocar un aumento significativo del desequilibrio.

Por otra parte, si la unidad dividida se utiliza también para ayudar a calentar en invierno, puede quitar parte de la demanda de calefacción del edificio al campo de sondeo, lo que sería beneficioso para el equilibrio de éste.

Regeneración

Otro método para reducir el desequilibrio en el campo de perforación es la regeneración. En este caso, en lugar de retirar parte de la carga del campo de sondeo para compensar el desequilibrio, aumentamos la carga opuesta. Por ejemplo, en el caso siguiente, en el que la extracción es mayor que la inyección, podemos aumentar la demanda de inyección instalando refrigeradores secos, absorbedores solares o sistemas similares. De este modo, se compensa de nuevo el desequilibrio.

Atención
Al regenerar el campo de sondeo, aumenta la carga que soporta. Es importante simular si el campo de sondeo puede soportar esta carga adicional. Por ejemplo, en el caso anterior, si se instalaran absorbedores solares para inyectar calor adicional en el suelo, aumentaría la potencia de inyección y, por tanto, también la temperatura media del fluido en el interior del pozo. Debe asegurarse de que puede seguir suministrando la refrigeración necesaria al edificio; en otras palabras, debe asegurarse de que la regeneración no interfiere con el confort real del edificio.

Próximamente
El año que viene lanzaremos módulos para la regeneración (junto a la hibridación) en GHEtool Cloud. Esté atento.

Conclusión

El desequilibrio desempeña un papel importante en el trabajo de un diseñador geotérmico y, aunque se puede intentar solucionarlo durante la fase de diseño de la perforación, es mejor evitarlo por completo. En este artículo, nos centramos en dos enfoques para lograrlo: el enfoque arquitectónico y el enfoque de sistema.

El primero puso de relieve la importancia de las opciones de diseño del edificio relacionadas con el tamaño y la colocación de las ventanas, la protección solar y también el impacto del tipo de suelo cuando se trabaja con calefacción y refrigeración por suelo radiante. La segunda introdujo la adición de otra tecnología al sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado para crear un sistema híbrido, que retira parte de la carga del campo de sondeo para mantenerlo equilibrado, o un campo de sondeo regenerado, en el que contrarrestamos el desequilibrio inyectando o extrayendo calor adicional en él o de él.

Referencias

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