Con el cambio climático, la demanda de nuestros edificios se orienta cada vez más hacia la refrigeración. Con los campos de perforación, se puede tener refrigeración pasiva (también llamada refrigeración libre), pero dimensionar el campo de perforación de esta manera es bastante caro. Por eso, a veces se propone la opción de utilizar refrigeración activa para reducir el coste de la inversión. Sin embargo, esto aumenta el consumo eléctrico en comparación con la refrigeración pasiva. En este artículo se investiga si es posible diseñar un campo de sondeo para refrigeración activa y cómo hacerlo, maximizando al mismo tiempo el uso de la refrigeración pasiva.
El reto del diseño
Los sistemas geotérmicos han cobrado un gran interés en la transición energética debido a su capacidad para proporcionar a los usuarios una refrigeración pasiva. Esto significa que no es necesaria ninguna bomba de calor para refrigerar el edificio, ya que utilizamos directamente el frío almacenado en el suelo (de ahí el término alternativo: ‘free cooling’). Para utilizar directamente este frío, debemos asegurarnos de que la temperatura media del fluido no supere un determinado límite, normalmente fijado entre 16-18°C. Por lo tanto, el dimensionamiento de los campos de sondeo para la refrigeración pasiva exige respetar unos límites de temperatura muy estrictos, lo que aumenta el tamaño necesario del campo de sondeo para edificios con una demanda de refrigeración elevada.
La otra opción tradicional es renunciar a la refrigeración pasiva y dimensionar el campo de sondeos para que funcione con refrigeración activa, utilizando una bomba de calor para enfriar el edificio. Esto consume más electricidad, pero elimina la restricción de mantener el intervalo de 16-18 °C de la refrigeración pasiva. Por tanto, la refrigeración activa reduce el tamaño del campo de sondeo, pero aumenta los costes operativos.
Para ilustrar esta diferencia, examinemos un ejemplo típico.
Ejemplo de edificio: auditorio
Un auditorio en el clima belga suele tener una demanda anual de calefacción superior a la de refrigeración, pero a menudo experimenta un pico de refrigeración superior al de calefacción. Esto se debe a que la calefacción suele suministrarse a través de un sistema de emisión lenta como el suelo radiante, mientras que la refrigeración se suministra a través de un sistema todo aire. A continuación se muestra la curva de duración de carga de este edificio.
Como se muestra, el auditorio tiene un pico de calefacción de 32 kW y un pico de refrigeración de 90 kW. Sin embargo, la demanda energética es de 38,3 MWh/año y 3,86 MWh/año para calefacción y refrigeración, respectivamente. Dimensionemos ahora este campo de sondeo para refrigeración pasiva y activa.
Dimensionado para refrigeración pasiva
Si dimensionamos nuestro campo de sondeo para refrigeración pasiva, debemos asegurarnos de que la temperatura media del fluido se mantiene por debajo de 17 °C, ya que, de lo contrario, nuestro sistema de emisión no puede satisfacer la demanda de refrigeración. El resultado es una longitud total de perforación de 2.310 m y un consumo eléctrico de 193 kWh/año (con un SEER de 20). A continuación se muestra el perfil horario de temperatura.
Nota
Aunque la refrigeración pasiva suele denominarse ‘gratuita’, siempre hay una bomba de circulación en marcha para la perforación. Por lo tanto, nuestra eficiencia de refrigeración (SEER) es finita, normalmente en torno al 20-25.
Nota
Si no sabe cómo interpretar estos perfiles de temperatura, puede consultar nuestro artículo sobre el tema aquí.
Dimensionado para refrigeración activa
Si eliminamos la restricción de la refrigeración pasiva, podemos aumentar la temperatura media máxima del fluido hasta, por ejemplo, 25 °C. Esto reduce significativamente el tamaño de nuestro campo de perforación a 990 m de longitud total de perforación, con un consumo anual de electricidad de 772 kWh/año (suponiendo un SEER de 5 en refrigeración activa).
Atención
Aunque no existe ninguna limitación técnica a la temperatura media máxima del fluido, es aconsejable mantenerla bajo control para evitar daños al medio ambiente. Consulte la legislación local para conocer las restricciones relativas a las temperaturas del fluido.
Como se ha demostrado, hay una diferencia significativa en la longitud total de perforación necesaria (2.310 m para la refrigeración pasiva frente a sólo 990 m para la refrigeración activa) y en el consumo de electricidad (193 kWh/año frente a 772 kWh/año). Esto plantea una cuestión de diseño: ¿es posible mantener el diseño para la refrigeración activa y lograr al mismo tiempo la eficiencia de la refrigeración pasiva? ¿Podemos combinar lo mejor de ambos mundos?
Metodología Design
Hay dos maneras de abordar este reto de diseño: o bien pasar por defecto a la refrigeración activa durante determinados meses o bien pasar a la refrigeración activa cuando se supera un umbral de temperatura específico, independientemente de la época del año. Ambos métodos se aplican en GHEtool Cloud y se comentan a continuación.
Meses fijos
Una forma de combinar la refrigeración activa y pasiva es utilizar la refrigeración activa exclusivamente durante determinados meses. Este planteamiento es similar al de un sistema de cambio centralizado en el que, en función de la demanda de refrigeración, puede ser necesario recurrir a sistemas de emisión que requieren un régimen de fluidos inferior, que el campo de sondeo no puede proporcionar. Este método implica establecer la eficiencia tanto para la refrigeración activa como para la pasiva y determinar los meses en los que se utilizará la refrigeración activa. A partir de esta información, el algoritmo calcula la carga de suelo resultante, genera el perfil de temperatura correspondiente y devuelve un SEER medio.
Aplicando este método al caso del auditorio, utilizando los mismos valores de SEER que antes para la refrigeración activa y pasiva y refrigerando activamente de junio a septiembre, obtenemos un SEER medio de 5,24 y un consumo anual de electricidad de 737 kWh/año (que es casi idéntico al caso de refrigeración activa de 100%).
Este resultado es comprensible analizando los gráficos anteriores. Al optar por defecto por la refrigeración activa durante el verano, casi toda la demanda de refrigeración se suministra de forma activa, y sólo una parte insignificante es pasiva, salvo un pico de refrigeración pasiva a finales de mayo. En este caso, hay que instalar 32 kW de refrigeración pasiva y 90 kW de refrigeración activa.
Umbral de temperatura
Otro enfoque para combinar la refrigeración activa y pasiva se basa en el principio: “Pasivo cuando sea posible, activo cuando sea necesario”, con el objetivo de maximizar la refrigeración pasiva. Este método consiste en fijar un umbral de temperatura: si la temperatura del fluido se mantiene por debajo de este umbral, se utiliza la refrigeración pasiva; si supera el umbral, se emplea la refrigeración activa.
Este método funciona de la siguiente manera:
- Ajustar la eficiencia en refrigeración activa y pasiva
- Ajuste el umbral de temperatura por encima del cual hay refrigeración activa
- Calcular la carga resultante en el suelo, suponiendo sólo refrigeración pasiva.
- Calcular el perfil de temperatura
- Compruebe si la temperatura media máxima del fluido supera el umbral pasivo
- En caso afirmativo, recalcule la carga de suelo resultante, siendo cada hora en la que la temperatura esté por encima del umbral, refrigeración activa.
- Si no, pase a (7)
- Recalcular el perfil de temperatura/tamaño del campo de perforación
- Devolución media SEER
Utilizando esta metodología, conseguimos un sistema geotérmico con un SEER medio de 13,06 y un consumo eléctrico anual de 296 kWh, lo que supone una mejora significativa respecto al caso anterior.
Nota
Cuando se utiliza el método del umbral de temperatura, la media de SEER se calcula a lo largo de todo el periodo de simulación. La energía en MWh en el diagrama de la cuota de refrigeración pasiva también representa la energía media anual para la refrigeración pasiva. Esto se debe a que, debido al desequilibrio térmico, las condiciones del suelo pueden cambiar con el tiempo, aumentando o disminuyendo potencialmente la cuota de refrigeración pasiva anual.
La razón principal de esta mejora puede verse en la figura anterior, donde sigue habiendo una considerable refrigeración pasiva durante el verano. Esto depende en gran medida del perfil de la demanda de refrigeración. En el caso de los campos de sondeo que están limitados térmicamente en el tercer o cuarto cuadrante, la refrigeración activa puede no suponer ninguna diferencia.
Nota
Si no ha leído nuestro artículo sobre los cuadrantes de campos de sondeo, puede consultarlo aquí.
El análisis del perfil de la demanda de refrigeración durante todo el periodo de simulación revela que la refrigeración pasiva aumenta año tras año. Esto se debe al desequilibrio térmico negativo del auditorio (recordemos que su demanda de calefacción es casi diez veces superior a su demanda de refrigeración). Como consecuencia, el suelo se enfría a lo largo del periodo de simulación, aumentando anualmente el porcentaje de refrigeración pasiva y, en consecuencia, elevando la media de SEER a lo largo del tiempo.
Conclusión
Tanto la refrigeración activa como la pasiva tienen ventajas e inconvenientes. La refrigeración activa reduce considerablemente los costes de inversión pero aumenta el consumo eléctrico, mientras que la refrigeración pasiva tiene el efecto contrario. En este artículo se ha demostrado que si se dimensiona el campo de sondeo para refrigeración activa, pero se utiliza la refrigeración pasiva siempre que sea posible, se puede conseguir una media de SEER de 13. Existe un gran potencial para integrar la refrigeración activa y pasiva, y en el próximo artículo le mostraremos cómo calcularlo utilizando GHEtool Cloud. Permanezca atento.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.
- Encontrará más información sobre refrigeración activa y pasiva en (Coninx y otros, 2024).