Los campos de sondeo geotérmicos pueden utilizarse en muchos escenarios diferentes, pero una distinción general es entre sistemas geotérmicos individuales y colectivos. En este artículo analizaremos tres tipos diferentes de sistemas geotérmicos, desde los totalmente individuales hasta los totalmente colectivos, y le daremos algunas ideas sobre cuándo uno podría ser mejor opción que el otro.
Tres tipos de sistemas geotérmicos de borefield
Cuando se tiene un proyecto con diferentes unidades o edificios, como un barrio de nueva construcción o un edificio de apartamentos al que se quiere dotar de calefacción y refrigeración geotérmicas, se plantea una pregunta: ¿instalamos un sistema colectivo o individual? En la imagen siguiente se muestran tres tipos generales de soluciones.
Por un lado, como se muestra a la izquierda, está la solución totalmente individual. Cada apartamento, edificio o unidad tiene su propia producción de calefacción y refrigeración (es decir, una bomba de calor geotérmica) y está conectado a su propio pozo o campo de sondeo independiente.
Por otro lado, como se muestra a la derecha, está la solución totalmente colectiva. Aquí se centraliza la producción de calefacción y refrigeración y se distribuye el calor y el frío a los distintos edificios. Cuando esto se hace entre varios edificios separados, la solución se convierte en una red tradicional de calefacción y refrigeración.
La última opción, a la que últimamente se presta mucha atención, consiste en trabajar con unidades de producción individuales para calefacción y refrigeración conectadas a un campo de perforación centralizado. Esta solución es similar a lo que se denomina calefacción urbana de quinta generación, en la que las temperaturas geotérmicas se comparten entre distintos usuarios que pueden decidir por sí mismos cómo utilizarla para calefacción o refrigeración.
Las tres opciones anteriores tienen sus propios casos de uso, ventajas e inconvenientes. En las secciones siguientes las analizaremos una por una, centrándonos en los aspectos de diseño geotérmico (potencia máxima y desequilibrio), así como en las preocupaciones generales (coste, mantenimiento y efectos sociales).
Nota
En este artículo no trataremos las ventajas de utilizar un sistema geotérmico colectivo frente a las bombas de calor aerotérmicas individuales. Las ventajas de los campos de sondeo geotérmicos ya se trataron en otro artículo.
Producción individual, yacimiento individual
Cuando todos sus edificios o unidades tienen su propio sistema de calefacción y refrigeración, debe asegurarse de que cada perforación individual (o campo de perforación, según el tamaño del edificio) puede suministrar 100% de la carga máxima del edificio. Además, cada fuente geotérmica también debe gestionar 100% del desequilibrio. La combinación de estos efectos puede ejercer una gran presión sobre el diseño de cada uno de los campos de sondeo.
Sin embargo, puede que en esta situación la distancia media entre perforaciones sea mayor que en un campo de perforación tradicional. Imaginemos, por ejemplo, un barrio en el que cada casa tiene su propia perforación o perforaciones geotérmicas. Normalmente, estos pozos estarían más separados que si estuvieran centralizados en un único campo. Una mayor separación entre perforaciones podría ayudar a compensar el posible desequilibrio, como comentamos hace un par de semanas en este artículo.
No obstante, el hecho de que sus campos de sondeo estén conectados a instalaciones individuales no significa que estén completamente separados entre sí. Entre cualquier par de campos de sondeo geotérmicos siempre existe un cierto grado de interferencia térmica.
Interferencias
La interferencia describe el efecto que tienen entre sí los sondeos vecinos, ya que la influencia térmica no se detiene en el límite del sondeo o de la propiedad. Esta interferencia está causada por el desequilibrio de un determinado sistema, que enfriará o calentará el terreno vecino año tras año. Cuanto más cerca estén las perforaciones individuales, mayor será esta interferencia geotérmica. Ni que decir tiene que hay que tener en cuenta este efecto a la hora de diseñar los sistemas de perforación individuales.
Nota
En GHEtool Cloud es posible simular estas interferencias térmicas entre sistemas vecinos. Encontrará más información al respecto en nuestro artículo aquí.
En el ejemplo siguiente se ve claramente la importancia de esta interferencia. Imaginemos que tenemos nueve casas individuales, cada una con su propio pozo geotérmico. Si diseñáramos el campo de sondeo para una sola casa de forma aislada, podríamos acabar con un sistema que, al cabo de 20 años, tuviera una temperatura media mínima del fluido de 0,41°C. Sin embargo, si tomamos el mismo diseño y lo simulamos para todo el barrio en conjunto, la temperatura final (debido a las interferencias) pasa a ser de -0,88°C.
Debe quedar claro que las perforaciones individuales deben diseñarse teniendo en cuenta las interferencias.
Nota
En el caso de nuestras nueve casas, no todos los sondeos geotérmicos experimentan el mismo nivel de interferencia geotérmica. Los sondeos situados en el centro del barrio experimentarán más interferencias de los sistemas circundantes que los situados en el borde del proyecto. Por lo tanto, aumentar simplemente el diseño de todas las casas en la misma cantidad llevaría a una sobreestimación de la longitud de perforación necesaria para algunos edificios, mientras que otros podrían experimentar un ligero infradimensionamiento. Lo mejor es simular estas situaciones directamente con el módulo de interferencias en GHEtool Cloud para determinar la influencia específica en cada sistema.
Conclusión
En general, podemos decir que el tamaño final del campo de perforación, cuando se trabaja con sistemas totalmente individuales, se rige por dos factores principales:
- Una mayor potencia pico resultante (100% de la demanda del edificio)
- Una menor influencia del desequilibrio y las interferencias, en función de la distancia entre perforaciones
La importancia relativa de estos dos efectos puede variar de un proyecto a otro. En general, en los edificios de viviendas en los que los pozos están relativamente juntos (como si fueran un único campo de perforación), los sistemas individuales darán lugar a un ligero sobredimensionamiento. En los barrios en los que las perforaciones están más separadas de lo que estarían en un único campo de perforación, el diseño individual podría ser ligeramente menor.
En cuanto a los costes de mantenimiento, son relativamente elevados para este tipo de solución, ya que el mantenimiento de varias bombas de calor conlleva mayores gastos acumulados. Además, como cada edificio tiene su propia unidad de calefacción y refrigeración, se producirán mayores picos de carga eléctrica en la red, lo que requerirá una mayor capacidad.
Producción individual, perforación colectiva
Otra opción es mantener las instalaciones separadas pero conectarlas a un único campo de sondeo. Esto podría ser interesante en los casos en que los pozos estuvieran en cualquier caso cerca unos de otros (por ejemplo, debido al espacio limitado, como en el caso de un edificio de apartamentos), o en el contexto de una red de calefacción urbana de quinta generación. Al disponer ahora de un campo de sondeos colectivo, podemos identificar dos grandes ventajas:
- Podemos trabajar con un desequilibrio global, que siempre será igual o menor que la suma de los desequilibrios individuales. Imaginemos, por ejemplo, que un edificio requiere más calefacción que refrigeración mientras que otro tiene la demanda contraria. En ese caso, el borefield resultante podría estar más equilibrado, mientras que en el caso de soluciones individuales tendríamos que hacer frente al desequilibrio dos veces.
- Podemos trabajar con una potencia pico menor gracias a la simultaneidad.
Atención
Cuando se trabaja con bombas de calor individuales, la simultaneidad resulta cada vez más difícil de predecir. Imaginemos, por ejemplo, los perfiles del agua caliente sanitaria. La mayoría de la gente se ducha por la mañana o por la tarde, lo que da lugar a un solapamiento potencialmente elevado de los picos de potencia. Además, cada vez más bombas de calor responden a los precios dinámicos de la electricidad para determinar cuándo calentar o enfriar un edificio. Dado que todas las bombas de calor siguen el mismo perfil de precios de la electricidad, en casos extremos esto podría llevar a un funcionamiento sincronizado con plena simultaneidad.
En este caso, las perforaciones están potencialmente más cerca unas de otras, lo que provoca una mayor influencia del desequilibrio. El lado positivo es que, dado que el desequilibrio está ahora centralizado, también podemos utilizar la regeneración (por ejemplo, mediante un refrigerador seco, absorbedores solares y tecnologías similares) para resolver este problema. Más información en otro artículo. Sin embargo, el propio campo de perforación central sigue siendo un componente pasivo sin sistema de control propio. Por lo tanto, añadir la regeneración requeriría una estrategia de control centralizada, lo que podría aumentar la complejidad del sistema.
Conclusión
Cuando se trabaja con un campo de sondeos colectivo, la potencia pico y el desequilibrio a los que hay que hacer frente son potencialmente menores. Sin embargo, como las perforaciones están más cerca unas de otras, la influencia del desequilibrio puede ser mayor. La decisión final sobre si esto es beneficioso o no depende en última instancia del proyecto concreto. En general, en los pisos en los que las perforaciones ya están bastante cerca, es probable que una perforación colectiva resulte rentable. En el caso de los barrios, no suele ser así, a menos que los pozos puedan colocarse más separados y conectarse a través de una red de calefacción urbana de quinta generación.
Dado que sigue habiendo varios sistemas, el coste acumulado de mantenimiento de esta solución sigue siendo relativamente alto, al igual que la demanda total de potencia máxima en la red eléctrica. Como no se puede garantizar la simultaneidad y la regeneración es algo más compleja en este caso, el campo de perforación suele ser mayor que en la siguiente opción.
Producción colectiva, perforación colectiva
Nuestra última opción combina la producción centralizada de calefacción y refrigeración con un campo de perforación centralizado. Se trata de la solución tradicional de calefacción y refrigeración urbana, con un sistema de producción compartido. Como en el caso anterior, en el que centralizamos el campo de sondeos, nos beneficiamos de un menor desequilibrio global en comparación con los sistemas individuales.
Sin embargo, a diferencia del campo de perforación colectivo con producción individual, tener un sistema de producción centralizado significa que podemos tener en cuenta la simultaneidad real. Esto permite dimensionar la bomba de calor de forma diferente, lo que se traduce en una menor demanda máxima de energía.
Como en la opción anterior, es probable que las perforaciones estén más próximas entre sí, lo que puede aumentar el efecto de desequilibrio. No obstante, al disponer también de una unidad de producción centralizada, resulta relativamente fácil mitigarlo creando un sistema híbrido o incorporando la regeneración.
Conclusión
Un sistema totalmente colectivo tendrá como resultado una menor demanda de potencia pico en el campo de perforación y un desequilibrio global similar. Por lo tanto, en comparación con el caso de unidades de producción individuales y un campo de sondeo colectivo, esta solución suele dar lugar a sistemas geotérmicos más pequeños, aunque depende del proyecto específico y de la geometría del campo de sondeo. En general, esta solución tiende a ser más rentable para los apartamentos, mientras que puede ser más cara para los barrios debido a la necesidad de tuberías de distribución aisladas para la calefacción y la refrigeración.
Como ahora sólo hay que mantener un sistema, el coste acumulado de mantenimiento es menor y también se reduce la capacidad eléctrica necesaria de la red. Los sistemas colectivos son más fáciles de optimizar.
¿Simultaneidad en el suelo?
En los tres casos anteriores mencionamos la simultaneidad (sobre la que puede leer más aquí), el concepto de que los picos de carga se suavizan cuando varios usuarios comparten el mismo sistema. Esto explica por qué, en el caso de un campo de sondeo colectivo, y especialmente para un sistema totalmente colectivo, hay una menor potencia pico resultante en el campo de sondeo. Sin embargo, no ocurre lo mismo con los sistemas individuales.
“Pero hay interferencias entre las distintas perforaciones. ¿No hay simultaneidad bajo tierra?” La respuesta corta es no. Para la respuesta larga, echemos un vistazo al gráfico siguiente.
Como ya se ha dicho, las interferencias son reales y muy importantes para los sistemas vecinos, pero la escala temporal de las interferencias y la de la simultaneidad son muy diferentes. Más arriba, volvemos sobre los efectos a largo plazo en la temperatura del campo de sondeo (más información aquí) para tres distancias diferentes entre perforaciones. Como puede observarse, todas las líneas coinciden inicialmente, pero al cabo de uno o dos meses el caso con una distancia entre perforaciones de 6 m empieza a divergir. Esto indica el momento en que el calor ha viajado lo suficientemente lejos a través del suelo como para alcanzar la perforación vecina.
Esta escala temporal de meses a años (según la distancia) es mucho más larga que la escala temporal en la que se produce la simultaneidad, que es inmediata. Por tanto, las interferencias son relevantes a largo plazo y para el desequilibrio colectivo de todos los sistemas, pero no pueden utilizarse para alcanzar valores de potencia pico más bajos.
Conclusión
En este artículo analizamos tres soluciones geotérmicas diferentes: el sistema totalmente individual (en el que tanto la producción como las perforaciones están separadas), el sistema totalmente colectivo (con producción colectiva y una perforación compartida) y una solución combinada, en la que unidades de producción separadas para calefacción y refrigeración están conectadas a una fuente geotérmica central.
Aunque el ahorro de costes específico de pasar de sistemas individuales a colectivos depende de las características de cada proyecto, avanzar hacia un campo de sondeos colectivo ofrece la ventaja de trabajar con un desequilibrio combinado en lugar de abordarlo edificio por edificio. Además, la centralización de la producción puede ayudar a reducir los costes de mantenimiento, limitar los picos de potencia en el campo de perforación y reducir la capacidad eléctrica necesaria.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.