1TP8El diseño de sistemas híbridos no es trivial, ya que requiere encontrar el equilibrio adecuado entre la potencia geotérmica instalada, el desequilibrio del sistema y el rendimiento global. En GHEtool ya existían dos métodos de optimización para diseñar este tipo de sistemas: optimizar para potencia y optimizar para energía. Hoy presentamos una tercera opción para ayudarle a diseñar sistemas híbridos aún mejores.
Nota
Este artículo se basa en los conceptos introducidos anteriormente en esta serie. Si no está familiarizado con los sistemas híbridos, le recomendamos que lea este artículo primero.
Contexto
En nuestro primer artículo sobre sistemas híbridos, introdujimos el concepto de potencial geotérmico. (Si no ha leído ese artículo, puede encontrarlo en aquí.)
Identificamos tres tipos principales de yacimientos geotérmicos:
- Yacimientos con potencial energético
- Yacimientos con potencial energético
- Yacimientos sin potencial geotérmico
Cada uno de estos diseños de sistemas híbridos tiene sus propias ventajas e inconvenientes. Se consideró que un yacimiento sin potencial de potencia estaba optimizado para la potencia. Esto da lugar a un sistema híbrido que es el más óptimo en términos de coste de inversión, ya que no hay sobredimensionamiento de la potencia instalada. El inconveniente es que no se aprovecha todo el potencial de energía geotérmica.
Cuando un yacimiento se optimiza para la energía, no queda potencial geotérmico ni en términos de potencia ni de energía. Así se obtiene el sistema híbrido más eficiente, pero con un coste de inversión más elevado, ya que hay que instalar más energía geotérmica.
El problema de ambos métodos de optimización es que se basan en un marco temporal concreto (por ejemplo, 20 o 40 años), lo cual es, hasta cierto punto, una elección arbitraria. La pregunta es: ¿qué ocurre después de ese periodo?
Optimizar el equilibrio
A continuación se muestran dos perfiles de temperatura de sistemas geotérmicos híbridos que se optimizaron respectivamente para potencia y para energía. Como puede verse claramente, ambos sistemas muestran un desequilibrio negativo, en el que el campo de perforación está dominado por la extracción. ¿Qué ocurre después del periodo de simulación de 20 años? El yacimiento sigue enfriándose...
Esta observación condujo al desarrollo de un tercer tipo de optimización: la optimización para el equilibrio, cuyo objetivo es diseñar el campo de perforación de modo que la temperatura del suelo se mantenga equilibrada a lo largo del tiempo. De este modo, independientemente del horizonte temporal, el sistema se mantiene dentro de los límites de temperatura.
Objetivo
Cuando se opta por optimizar el equilibrio, el objetivo del diseño es
Para maximizar la potencia puede (durante la refrigeración) inyectar o (durante la calefacción) extraer del suelo en todo momento y mantener el suelo equilibrado.
Este objetivo es muy similar al método utilizado para optimizar la potencia, con una diferencia clave: se introduce un criterio adicional de equilibrio del suelo. (Si no has leído el artículo sobre metodologías de optimización híbrida, puedes encontrarlo aquí.)
La optimización con este objetivo garantiza que, si instala x kW de capacidad de calefacción o refrigeración geotérmica, puede estar seguro de que el campo de perforación suministrará x kW de forma fiable durante todo el periodo de simulación, siempre que los perfiles de carga asumidos sigan siendo válidos, sin deriva térmica a largo plazo.
Metodología
La metodología de diseño que dimensiona este sistema para el equilibrio es, por tanto, también bastante similar a la metodología de optimización para la potencia:
- Empiece con un perfil de demanda horaria de calefacción y refrigeración y un diseño de campo de perforación fijo.
- Calcule el perfil horario de temperatura como si 100% de la demanda del edificio se colocaran en el campo de sondeo.
- Compruebe si
- La temperatura media mínima del fluido desciende por debajo de un determinado umbral o hay más de $\alpha$% de desequilibrio. Si es así, la potencia de extracción es demasiado alta, por lo que debe reducirse la potencia de calentamiento máxima en x%. Si la temperatura media mínima del fluido está por encima del umbral, el campo de sondeo puede soportar la extracción y la potencia de calentamiento máxima puede permanecer invariable.
- La temperatura media máxima del fluido supera un determinado umbral o hay más de $\alpha$% de desequilibrio. Si es así, la potencia de inyección es demasiado alta, por lo que debe reducirse la potencia de refrigeración máxima en x%. Si la temperatura media máxima del fluido está por debajo del umbral, el campo de perforación puede soportar la inyección y no es necesario realizar cambios.
- Si ambas temperaturas del paso (3) están dentro de los límites y el desequilibrio es inferior a $\alpha$%, La carga geotérmica e híbrida está determinada y puede continuar con el paso (7). En caso contrario, continúe con el paso (5).
- Recalcular la carga horaria del campo de sondeo utilizando las nuevas potencias máximas de calefacción y refrigeración determinadas en el paso (3). Redirija la potencia o la energía que no pueda gestionar el campo de sondeo a las tecnologías híbridas.
- Vuelva a calcular el perfil horario de temperatura y regrese al paso (3).
- Hecho
También en este caso se introdujo otro criterio para tener en cuenta el desequilibrio.
Nota
El porcentaje de desequilibrio se define como: el desequilibrio anual dividido por el máximo de la inyección o extracción anual de calor.Nota
Dado que esta optimización es una ampliación del método “optimizar para la potencia”, este último puede considerarse un caso especial del método de equilibrio. Si se tiene en cuenta el desequilibrio 100% (es decir, si se suprime el criterio de equilibrio), el método se reduce al de “optimización de la potencia”. Esto también se demostrará en el siguiente caso práctico.
Estudio de caso
Si volvemos al caso práctico del edificio multiusos, observamos que si se optimiza el sistema en función de la potencia, un campo de perforación de 9×9 permite 224 kW de calefacción geotérmica y 159 kW de refrigeración geotérmica, lo que corresponde a 73% y 74% de la demanda de calefacción y refrigeración del edificio, respectivamente. Si se optimiza en función de la energía, la cuota geotérmica podría incluso aumentar a 84% para calefacción y 92% para refrigeración, aunque esto conlleva un coste de inversión significativamente mayor.
A continuación, se diseña el sistema híbrido para el edificio de servicios múltiples utilizando un desequilibrio aceptable de 5%, 25% y 100%.
5% desequilibrio
Como muestra la siguiente figura, el sistema sólo presenta un ligero desequilibrio (unos 10 MWh/año), frente a los 167 MWh/año que se observan cuando se optimiza la potencia. Esto hace que el sistema sea extremadamente robusto de cara al futuro. Sin embargo, aún queda un considerable potencial geotérmico de potencia sin utilizar: sólo hay instalados 107 kW de potencia de calefacción y 150 kW de potencia de refrigeración. Como resultado, la cuota geotérmica desciende a 41% para calefacción y 72% para refrigeración, lo que es significativamente inferior a las 73% y 74% alcanzadas cuando se optimiza para potencia.
Atención
Aunque el límite teórico de desequilibrio aceptable es de 1%, se recomienda optimizar para al menos 5% por razones computacionales. Dependiendo de su perfil de carga horaria, puede ocurrir que simplemente no haya ninguna potencia para la que el desequilibrio esté por debajo de su tolerancia. Esto es especialmente probable en edificios con horas de plena carga muy elevadas. Si observa que el proceso de optimización lleva mucho tiempo, considere la posibilidad de empezar con un porcentaje de desequilibrio aceptable más alto.
25% desequilibrio
Si se tiene en cuenta el desequilibrio de 25%, el desequilibrio geotérmico aumenta a 67 MWh/año (en extracción), lo que provoca un ligero enfriamiento del suelo a lo largo de los años. La potencia geotérmica instalada aumenta a 145 kW para calefacción y 153 kW para refrigeración, lo que supone una cuota geotérmica de 53% y 73%, respectivamente. Esto supone una mejora significativa en comparación con el caso anterior, con un desequilibrio de 5%, e ilustra la flexibilidad de la metodología de optimización para el equilibrio.
100% desequilibrio
Por último, como ya se ha mencionado, la optimización con un desequilibrio aceptable de 100% arroja el mismo resultado que la optimización para la potencia. A continuación se muestra el perfil de temperatura resultante.
Conclusión
El método de optimización para el equilibrio es una valiosa adición al conjunto de herramientas de diseño de sistemas híbridos. Aunque suele dar como resultado la cuota geotérmica más baja en comparación con otros métodos, proporciona el diseño más sólido y preparado para el futuro. Mediante el ajuste del porcentaje de desequilibrio aceptable, puede obtener una comprensión clara de cuánto desequilibrio es aceptable para su sistema y qué impacto tiene esto en el diseño general.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.