Uno de los parámetros de entrada clave para cualquier simulación geotérmica es la demanda de calefacción y refrigeración del edificio. A veces, estos valores se conocen a partir de simulaciones o mediciones detalladas, pero con más frecuencia -sobre todo en las primeras fases- es necesario estimarlos. Este artículo arroja algo de luz sobre el tema y explora varios enfoques para abordar este reto.
Demanda de edificios térmicos en GHEtool
En GHEtool es posible introducir varios tipos de perfiles de carga. En primer lugar, se distingue entre resoluciones horarias y mensuales, con 8.760 y 12 pasos temporales respectivamente. Normalmente, la escala temporal de los datos abarca un solo año, lo que significa que se supone que la demanda del edificio sigue siendo la misma cada año a lo largo de todo el periodo de simulación. Para proyectos por fases, en los que la demanda del edificio evoluciona con el tiempo, también se pueden utilizar datos con una escala temporal de varios años. Este artículo se centra en los primeros, mientras que en otro se analizarán con más detalle los datos plurianuales.
Resolución horaria
1TP8El análisis de un campo de sondeo con una resolución horaria proporcionará los resultados más precisos, ya que los picos de potencia (y sus duraciones, como se explica en este artículo) ya no deben estimarse. Los datos horarios suelen generarse a partir de simulaciones dinámicas de edificios (utilizando software como IESVE, DesignBuilder, IDA ICE, etc.) o, en el caso de una renovación, pueden basarse en datos de medición.
Nota
Es importante señalar que una mayor resolución no garantiza automáticamente resultados más precisos. Si el perfil horario no es representativo de la demanda real del edificio, el resultado puede ser engañoso. En tales casos, un perfil mensual bien estimado puede arrojar mejores resultados. Sin embargo, cuando se dispone de datos horarios fiables, sigue siendo el enfoque más preciso.Atención
Los perfiles de demanda horaria se extrapolan a veces de otros proyectos. Esto puede dar lugar a diseños inexactos, ya que las potencias y duraciones máximas son muy sensibles a las características del edificio. Asegúrese de que el perfil de demanda que está extrapolando es realmente representativo del edificio que está diseñando (por ejemplo, extrapolándolo de un apartamento dentro del mismo bloque de apartamentos).
Resolución mensual
Si no se dispone de datos horarios, puede realizarse una simulación mensual. Para ello, se necesitan cuatro datos clave -cinco si se incluye la demanda de agua caliente sanitaria (ACS)-: la potencia pico tanto para calefacción como para refrigeración, así como la demanda anual de energía para calefacción y refrigeración. Cada uno de ellos se analiza con más detalle a continuación.
Nota
Aunque nos referimos a una resolución mensual, puede introducir simplemente los valores anuales en GHEtool Cloud, que los distribuirá automáticamente entre los meses, lo que le ahorrará un tiempo considerable.
Potencia máxima para calefacción
La potencia pico de calefacción corresponde a la potencia pico de la bomba de calor del edificio. Si la bomba de calor tiene una capacidad de 10 kW, el edificio no puede consumir más de 10 kW, por lo que este valor debe fijarse como pico de calefacción. Dependiendo de las normas regionales de construcción, esta capacidad de la bomba de calor suele basarse en un cálculo estático de pérdida de calor en relación con una temperatura exterior de referencia (por ejemplo, -8 °C en Bélgica).
Bombas de calor modulantes
Supongamos que la pérdida de calor estática calculada de un edificio es de 7 kW. Un instalador podría optar por instalar una bomba de calor de 8 kW para permitir cierto sobredimensionamiento. Sin embargo, esto daría lugar a un yacimiento sobredimensionado, ya que el yacimiento debe ser capaz de hacer frente a los picos de demanda. Si el sistema utiliza una bomba de calor modulante, a menudo se puede establecer una potencia máxima inferior en el controlador de la bomba de calor -por ejemplo, limitando el funcionamiento de la bomba de calor de 8 kW a un máximo de 7 kW-, evitando así un sobredimensionamiento innecesario del campo de sondeo. El mismo razonamiento se aplica si el sistema de emisión (por ejemplo, radiadores o calefacción por suelo radiante) no puede utilizar toda la capacidad de la bomba de calor.
Atención
Aunque la pérdida de calor estática del edificio sea inferior a la capacidad nominal de la bomba de calor, una bomba de calor modulante puede funcionar a plena potencia, dependiendo de la lógica de control interna. Por lo tanto, si su campo de sondeo está dimensionado para una potencia inferior a la potencia máxima de la bomba de calor, es esencial asegurarse de que los ajustes de control de la bomba de calor apliquen este límite de potencia.
Fase inicial
Si aún no se conocen las especificaciones de la bomba de calor, la demanda máxima de calefacción puede estimarse utilizando reglas empíricas establecidas. Éstas se basan en la capacidad del sistema de emisión o en orientaciones generales relacionadas con el tipo y la antigüedad del edificio. A continuación se ofrece una tabla de muestra con valores típicos, aunque tenga en cuenta que estas cifras son específicas de cada región y deben adaptarse a su contexto local.
| Tipo | Potencia de emisión en calefacción | Potencia de emisión en refrigeración |
|---|---|---|
| Calefacción por suelo radiante | 40-80 W/m | 15-25 W/m |
| Techo climático | 30-55 W/m | 25-50 W/m |
| Calefacción mural | 30-70 W/m | 25-60 W/m |
| Unidad de ventiloconvector (sin condensación) | 200-2000 W | 250-500 W |
| Unidad de ventiloconvector (condensación) | 200-2000 W | 1000-2000 W |
(Datos obtenidos del proyecto Cooling 2.0)
| Tipo | Demanda de calor |
|---|---|
| Edificio residencial (después de 2002) | 45 W/m |
| Edificio de oficinas (antiguo) | 89 W/m |
| Edificio de oficinas (nuevo) | 59 W/m² |
| Escuela (antigua) | 109 W/m |
| Escuela (nueva) | 60 W/m |
| Venta al por menor (antiguo) | 56 W/m |
| Comercio minorista (nuevo) | 54 W/m |
(Datos obtenidos de nPro, valores para el clima de Berlín)
Simultaneidad
Cuando se conectan varias bombas de calor a un pozo central compartido, la potencia máxima resultante no es simplemente la suma de las unidades individuales. En su lugar, debe aplicarse un factor de simultaneidad. Este tema se trató en uno de nuestros artículos anteriores, que puede encontrar en aquí.
Potencia máxima de refrigeración
El enfoque para definir la potencia de refrigeración máxima depende de si el campo de sondeo está diseñado activamente para la refrigeración o si la refrigeración se considera un beneficio secundario, algo ‘agradable de tener’.
Design para refrigeración
En climas más cálidos, donde la refrigeración desempeña un papel más importante que la calefacción, el campo de perforación suele estar limitado por la temperatura máxima de inyección (para más detalles, véase nuestro artículo sobre cuadrantes de campos de perforación). En estos casos, la demanda de refrigeración suele determinarse de acuerdo con la normativa local de edificación, teniendo en cuenta factores como la superficie acristalada, el valor g y el valor U. A partir de estos cálculos, la demanda de refrigeración del edificio se obtiene de forma similar a la demanda de calefacción.
Agradable de tener
En las regiones donde la refrigeración no es una preocupación primordial, el sistema de emisión no suele dimensionarse para garantizar el confort térmico en verano. En este caso, la refrigeración suele considerarse una característica “deseable”, una ventaja añadida de la instalación de un campo de sondeo geotérmico. En este caso, la potencia máxima de refrigeración suele basarse en la capacidad del sistema de emisión (diseñado originalmente para calefacción). Consulte la tabla de capacidades típicas del sistema de emisión proporcionada anteriormente.
Fase inicial
En las primeras fases de un proyecto, la demanda máxima de refrigeración -al igual que la demanda de calefacción- puede estimarse utilizando reglas empíricas básicas, basándose en la capacidad del sistema de emisión o en valores de edificios de referencia similares.
Demanda de energía para calefacción
Aunque la potencia pico es un aspecto importante del perfil energético de un edificio, el otro parámetro clave para el diseño de un campo de sondeo es la demanda anual de energía para calefacción. Puede calcularse de varias formas: utilizando horas de carga completa, reglas empíricas o grados-día de calefacción.
Horas a plena carga
Utilizar las horas de plena carga es un método sencillo para estimar la demanda anual de energía a partir de la potencia pico conocida (o estimada). Si un sistema funciona a carga máxima durante x número de horas al año, la demanda total de energía viene dada por: $$energía = pico \cdot FLH$$. A continuación se muestra una tabla con valores indicativos de horas a plena carga para varios tipos de edificios.
Atención
Como se ha comentado anteriormente, la bomba de calor instalada puede estar sobredimensionada en relación con la demanda máxima real del edificio. Para evitar sobreestimaciones, se aconseja aplicar el FLH a la pérdida de calor estática del edificio en lugar de a la capacidad instalada de la bomba de calor.
| Tipo | Horas a plena carga |
|---|---|
| Residencia de ancianos | 1300-1900 |
| Hospitales | 1500-2000 |
| Oficinas | 900-1600 |
| Escuelas | 800-1300 |
| Residencial | 1200-1500 |
| Otros | 1000-2000 |
(Datos obtenidos de SenterNovem, Cijfers en Tabellen 2007)
Regla general
Al igual que ocurre con la potencia máxima, la demanda anual de calefacción también puede estimarse utilizando valores empíricos basados en la superficie de suelo. En la tabla siguiente se indican los valores típicos de demanda de calor de los edificios de la región climática de Berlín.
| Tipo | Demanda de calor |
|---|---|
| Edificio residencial (después de 2002) | 72 kWh/m² |
| Edificio de oficinas (antiguo) | 125 kWh/m² |
| Edificio de oficinas (nuevo) | 65 kWh/m² |
| Escuela (antigua) | 120 kWh/m² |
| Escuela (nueva) | 60 kWh/m² |
| Venta al por menor (antiguo) | 95 kWh/m² |
| Comercio minorista (nuevo) | 65 kWh/m² |
(Datos obtenidos de nPro)
Grados-día de calefacción
Otro método para estimar la demanda de calefacción consiste en utilizar los días-grado de calefacción (HDD). Los HDD cuantifican en qué medida (y durante cuánto tiempo) la temperatura del aire exterior es inferior a una determinada temperatura base, denominada temperatura de equilibrio, por debajo de la cual el edificio necesita calefacción. El HDD total es la suma de las diferencias diarias de temperatura entre esta temperatura base y la temperatura exterior real, a lo largo de una temporada de calefacción.
Los métodos basados en el HDD ofrecen una estimación más refinada en comparación con el FLH porque tienen en cuenta por separado las características del edificio (aislamiento, ganancia solar, etc.) y las condiciones climáticas.
Nota
El punto de equilibrio no es simplemente el valor de consigna del termostato. En la UE, suele ser de 15,5 °C, teniendo en cuenta las ganancias internas, la masa del edificio y otros factores.
Demanda de energía para refrigeración
Los mismos principios que se aplican a la calefacción también son válidos para la refrigeración. Cuando no se dispone de datos horarios detallados, la demanda de refrigeración puede estimarse utilizando las horas de carga completa (FLH) o reglas empíricas.
Horas a plena carga
Para el clima de Bélgica, los valores típicos de FLH en refrigeración oscilan entre 500 y 1000 horas. Una vez conocida o estimada la potencia máxima de refrigeración, la demanda energética puede calcularse como:
$$energía = pico \cdot FLH$$
Regla general
Como alternativa, puede utilizar valores de referencia para la demanda anual de refrigeración por metro cuadrado. En la tabla siguiente se indican estos valores.
| Tipo | Sector servicios | Sector residencial | Media |
|---|---|---|---|
| Austria | 83 kWh/m² | 38 kWh/m² | 49 kWh/m² |
| Bélgica | 50 kWh/m² | 23 kWh/m² | 28 kWh/m² |
| Alemania | 74 kWh/m² | 33 kWh/m² | 46 kWh/m² |
| Países Bajos | 37 kWh/m² | 16 kWh/m² | 22 kWh/m² |
| España | 130 kWh/m² | 59 kWh/m² | 69 kWh/m² |
(Datos obtenidos del Hoja de ruta del calor en Europa)
Grados-día de enfriamiento
Al igual que los grados-día de calefacción (HDD) pueden utilizarse para estimar la demanda de calefacción, los grados-día de refrigeración (CDD) ofrecen una forma de estimar las necesidades de refrigeración. Los CDD se calculan a partir de la diferencia entre una temperatura de punto de equilibrio (normalmente 18 °C) y la temperatura exterior real, siempre que esta última supere el punto de equilibrio.
Dos fórmulas empíricas desarrolladas por la Comisión Europea (ENER/C1/2018-493, doi: 10.2833/158083).
Para la refrigeración de espacios en el sector residencial:
$$FLH=96+0.85\cdot CDD$$
Para la refrigeración de espacios en el sector terciario:
$$FLH=475+0.49\cdot CDD$$
Demanda de energía para ACS
Un parámetro cada vez más importante en el diseño de los campos de perforación es la demanda de agua caliente sanitaria. En la mayoría de los contextos residenciales, un valor típico se sitúa en torno a: 1000 kWh/persona/año. Sin embargo, este valor puede ser significativamente superior en edificios como hoteles y hospitales.
Nota
Un reto a la hora de estimar la demanda de agua caliente sanitaria (ACS) reside en decidir si se basa en el número actual de residentes o en la ocupación máxima potencial. Imaginemos, por ejemplo, un edificio con tres habitaciones para dos personas, ocupadas actualmente por sólo dos residentes de edad avanzada. ¿Debería dimensionar el pozo en función de sólo 2 ocupantes (es decir, 2 MWh/año) o en función de la capacidad total de 6 personas?Si el objetivo es que el campo de sondeo geotérmico sirva como activo a largo plazo, debe ser capaz de albergar todo el potencial del edificio, no sólo su uso actual. Por lo tanto, recomendamos estimar la demanda de ACS en función del número máximo razonable de residentes, en lugar de basarse únicamente en la ocupación actual. De este modo se garantiza que el sistema siga siendo apto para el futuro y adecuado para su finalidad, incluso cuando cambie la ocupación.
Conclusión
En este artículo se analiza la demanda térmica de los edificios y cómo puede estimarse. Se hizo una distinción entre los datos de demanda de edificios con una resolución horaria y mensual, siendo los primeros los que ofrecen los resultados más precisos, aunque a menudo no estén disponibles. En el caso de la resolución mensual, se presentaron varias directrices y reglas empíricas para estimar la demanda energética del edificio en calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria.