Simulación con bombas de calor modulantes en GHEtool Cloud

Hoy se ha lanzado una nueva función en GHEtool Cloud: la simulación con bombas de calor modulantes. En lugar de trabajar con eficiencias de bomba de calor constantes tradicionales para convertir la carga del edificio en una carga resultante en el suelo, ahora puede seleccionar una máquina o varias máquinas de nuestra base de datos, y GHEtool calculará la eficiencia resultante por usted.

Nota
Este artículo se basa en la investigación presentada en un artículo anterior. aquí.

Hacia un diseño más preciso de los campos de sondeo: un proceso en tres etapas

En verano del año pasado presentamos nuestra hoja de ruta en tres pasos para cambiar para siempre la forma de diseñar los campos de perforación geotérmicos. Hoy, con la implantación de bombas de calor directamente en GHEtool, este proceso se ha completado.

Paso 1: variación de las propiedades del fluido

El primer paso, lanzado justo antes del verano de 2025, fue deshacerse de las propiedades constantes de los fluidos que se utilizan tradicionalmente en el diseño de perforaciones. En GHEtool Cloud, las propiedades de los fluidos, como la viscosidad y la densidad, se actualizan cada hora, lo que proporciona un número de Reynolds y una resistencia de perforación variables. Esto era especialmente importante para la precisión de las cargas de refrigeración elevadas. Más información en nuestro artículo sobre este tema.

Paso 2: caudales variables

La siguiente suposición de la que nos deshicimos, justo el mes pasado, fue la de un caudal constante. En realidad, la mayoría de las perforaciones tienen un caudal variable, ya que la bomba de calor controla la velocidad de la bomba para alcanzar una determinada diferencia de temperatura en su evaporador. Aunque este cambio no afectó necesariamente al diseño de sus sistemas, ya que el caudal máximo permanece invariable, predijo mejor las temperaturas del fluido en las estaciones intermedias y allanó el camino para nuestro tercer paso.

Más información sobre los caudales variables aquí.

Paso 3: bombas de calor modulantes

Cuando se diseñan campos de perforación, normalmente se tiene un carga del edificio que hay que convertir de un modo u otro en carga de tierra (es decir, extracción e inyección de calor). Esto se hace tradicionalmente utilizando un valor SCOP que puede encontrarse en las fichas técnicas. Sin embargo, esta suposición plantea un par de problemas.

1. Al utilizar el SCOP para convertir el pico de potencia de calentamiento en un pico de potencia de extracción, se sobreestima el pico de potencia, ya que el COP durante las condiciones de pico suele ser inferior al del SCOP. Esto puede dar lugar a un campo de sondeo sobredimensionado.

Nota
El SCOP es una medida de la eficiencia estacional de una bomba de calor, mientras que el COP es una medida de la eficiencia instantánea. Si no está familiarizado con las eficiencias de las bombas de calor, lea nuestro artículo sobre este tema.

2. Al utilizar un SCOP en B0/W35 para convertir la demanda de calefacción y agua caliente sanitaria en una carga del suelo, se está suponiendo que la temperatura del suelo es de 0°C. Sin embargo, en la mayoría de los diseños esto sólo ocurre, si es que ocurre, después de un par de años, lo que significa que la temperatura media es más alta. Esto da lugar a un SCOP más alto, por lo que utilizar un valor B0/W35 es una subestimación de la eficiencia y, por tanto, del desequilibrio, lo que puede dar lugar a un dimensionamiento insuficiente (véase, por ejemplo, nuestro artículo sobre cómo afrontar el desequilibrio).

3. El rendimiento de una bomba de calor depende de la temperatura del suelo y, por tanto, variará en función de su diseño. Sin embargo, dado que el SCOP suele ser una entrada en lugar de una salida de un diseño de campo de sondeo, el SCOP no varía cuando cambia el diseño. Esto es bastante contraintuitivo.

Debe quedar claro que existen bastantes retos e incertidumbres cuando se utiliza sólo un SCOP para el diseño de campos de perforación. Por eso, a partir de hoy, puede seleccionar sus máquinas directamente en GHEtool.

Bombas de calor en GHEtool Cloud

Trabajar con datos de eficiencia dependientes de la temperatura y la carga parcial no es trivial, ya que esta información no está disponible en las fichas técnicas. Por eso colaboramos directamente con los fabricantes de bombas de calor para obtener datos de medición muy detallados y crear un gemelo digital de sus máquinas. Estos gemelos digitales están ahora disponibles en la herramienta, de modo que siempre que esté trabajando con una carga horaria de un edificio, aparecerá la opción de seleccionar una o varias bombas de calor modulantes de nuestra base de datos de bombas de calor.

Nota
En la actualidad, cuatro máquinas de Enrad están disponibles en la herramienta, y en los próximos meses se añadirán otras máquinas y fabricantes.

Nota
Por el momento, trabajar con bombas de calor modulantes sólo es posible cuando se dispone de una carga horaria, ya que sólo con esta resolución podemos calcular con precisión las temperaturas del fluido y el rendimiento. No obstante, si no se dispone de esta información, se puede generar una carga horaria directamente en GHEtool, tal y como se explica aquí.

Bombas de calor en cascada

Un nivel extra de complejidad es cómo se modelan varias bombas de calor trabajando juntas. Por ejemplo, en lugar de tener una máquina de 100 kW capaz de modular entre 30 y 100 kW, también puede trabajar con dos máquinas de 50 kW capaces de modular entre 15 y 50 kW. Con esta última opción, su rango de modulación total será de 15 a 100 kW, lo que le dará más flexibilidad que cuando trabaja con una sola máquina.

Ahora bien, esto implica que necesitamos algunos principios de funcionamiento en cascada para determinar cuándo se encenderá cada bomba de calor. En GHEtool, la filosofía es que, para cada nivel de potencia, funcione el máximo número de bombas de calor con el fin de mantener el grado medio de modulación, así como el WAIR, lo más bajo posible, mejorando al mismo tiempo la precisión.

Para ilustrarlo, imagine que tiene dos máquinas de 50 kW y que se demandan 30 kW. Esto podría conseguirse dejando que una máquina funcione a 30 kW o dejando que ambas funcionen a 15 kW. En GHEtool, siempre se selecciona la segunda opción. Para potencias inferiores a 30 kW, sólo hay una máquina activa.

Simulación con una bomba de calor modulante

Para ilustrar la información adicional que se puede obtener trabajando directamente con un gemelo digital de bomba de calor, se simulan diferentes escenarios en GHEtool.

Línea de base

Para ilustrar la importancia de trabajar con bombas de calor modulantes, simulamos un sistema geotérmico con una demanda máxima de calefacción de 100 kW y 200 MWh al año, y 40 kW en refrigeración con 40 MWh al año, utilizando una bomba de calor HP500 de Enrad con una potencia nominal de 111 kW. Como primer paso, buscamos el valor oficial SCOP B0/W35 de 3,41 y simulamos nuestro campo de perforación utilizando este valor. A continuación se muestra el perfil de temperatura que servirá de referencia.

La temperatura media mínima del fluido es de -0,41 °C y está ligeramente por debajo de nuestro límite de diseño de 0 °C.

Bomba de calor individual

A modo de comparación, seleccionemos ahora la bomba de calor HP500 directamente de la lista y simulemos nuestro campo de sondeo utilizándola. A continuación se muestra el nuevo perfil de temperatura.

Una cosa que queda clara de inmediato es que la temperatura sigue bajando hasta -1,47°C. Esto se debe a que nuestro SCOP calculado no es el 3,41 oficial, sino 4,62 en este caso, lo que supone un aumento de 35%. Esto, por supuesto, también influye en el desequilibrio, que aumentó de 99 MWh al año a 115 MWh al año de extracción neta, lo que al final se traduce en temperaturas más bajas. El impacto de la tendencia a la baja de la temperatura en la eficiencia de la bomba de calor también es claramente visible en el gráfico siguiente.

Con el descenso de las temperaturas, también disminuye la capacidad de la bomba de calor. En este caso, la bomba de calor no es capaz de satisfacer totalmente la demanda del edificio en el último año, ya que a -1,47 °C sólo puede suministrar unos 93 kW. En GHEtool, esto se muestra como un “déficit de potencia”.

Nota
En este caso, esto no es realmente un problema, ya que los 7 kW que faltan se producen durante una sola hora del periodo de simulación. Sin embargo, como ahora está limitado a la capacidad máxima de una máquina, puede ocurrir que la primera vez que pruebe este método, descubra que su selección de bomba de calor es significativamente demasiado pequeña o quizás demasiado conservadora.

Dos bombas de calor en cascada

La simulación anterior se realizó con una sola bomba de calor HP500, de 111 kW, que parecía suficiente, pero quizá un poco pequeña. En esta segunda variante, hemos seleccionado dos HP300 más pequeñas, de 60 kW cada una, lo que da una potencia total disponible de 120 kW, ligeramente superior a la del caso anterior. Cuando simulamos nuestro campo de perforación con estas máquinas, la curva de eficiencia tiene el siguiente aspecto.

Seguimos observando esta tendencia descendente, pero la eficiencia global del sistema es ahora de 4,9 en lugar de 4,62 con nuestra única bomba de calor, lo que supone un aumento de la eficiencia de 6%. Sin embargo, nuestras temperaturas son, de nuevo debido a la mayor eficiencia, algo más bajas, alcanzando ahora los -2,05 °C.

Yacimiento más profundo

Como tercera variación, vamos a cambiar el diseño de nuestro campo de sondeos para mantenernos por encima de nuestro umbral mínimo de 0°C. Por lo tanto, en lugar de trabajar con 20 sondeos de 150 m, vamos a cambiarlo por 10 sondeos de 300 m, lo que nos proporcionará una temperatura del suelo inalterada significativamente superior. Con las mismas dos máquinas HP300 seleccionadas, el perfil de temperatura se muestra a continuación.

Como puede verse, las temperaturas medias del fluido son ahora mucho más altas, hasta el punto de que el campo de sondeo está realmente sobredimensionado, con un mínimo de 3,16 °C. Esta temperatura más alta también es beneficiosa para la eficiencia de la bomba de calor, que ahora tiene una media SCOP de 5,39 durante todo el periodo de simulación. Así pues, al cambiar nuestro diseño, nuestra eficiencia aumentó en 10% en comparación con el último escenario.

¿Y ahora qué?

Sin embargo, aunque el día de hoy marca el final de nuestro proceso de tres pasos para hacer que GHEtool sea significativamente más preciso para el diseño de campos de sondeo geotérmicos poco profundos anno 2026, este no es el final del camino. Están previstas muchas más mejoras de precisión en general, pero en relación con las bombas de calor modulantes, ya se están dando los siguientes pasos.

• Como ya se ha mencionado, por el momento trabajar con bombas de calor modulantes sólo es posible cuando se tiene un perfil de carga horaria, ya que el modelo necesita conocer la potencia a cada hora para calcular la eficiencia respectiva y la carga de suelo correspondiente. Estamos investigando si esto podría ampliarse para trabajar con cargas puramente mensuales. Mientras tanto, puedes utilizar la función integrada de GHEtool para generar un perfil de carga horario tú mismo.

• Por el momento, las bombas de calor modulantes no son compatibles con los métodos de optimización de potencia, energía y equilibrio porque siguen una estrategia diferente. Por un lado, existen métodos de optimización que determinan por usted la potencia necesaria de su bomba de calor geotérmica y, por otro, cuando se trabaja con bombas de calor modulantes, usted selecciona directamente las máquinas. Estamos trabajando en un método mejorado en el que se pueden seleccionar varias máquinas y un algoritmo determinará cuál de ellas, o qué combinación de máquinas, se necesita.

• Otro aspecto clave es la temperatura del condensador. Por el momento, la calefacción se suministra siempre a 35 °C y el agua caliente sanitaria a 55 °C, pero, por supuesto, también hay proyectos en los que se necesitan 45 °C para la calefacción o en los que esta temperatura de emisión varía con el tiempo. Esto se implementará en otra actualización para que usted, nuestro usuario, pueda diseñar de forma aún más precisa.

Además de estas mejoras en los modelos, estamos en conversaciones con múltiples fabricantes para implantar también sus máquinas en GHEtool. Si es usted fabricante, póngase en contacto con nosotros a través de info@ghetool.eu.

Conclusión

En este artículo, presentamos la nueva e innovadora función de trabajar con bombas de calor modulantes directamente en GHEtool Cloud. Esto no sólo le da más información sobre la eficiencia real de su sistema, en el ejemplo anterior se consiguió una mejora de 58% en comparación con los datos oficiales de SCOP, sino que también le permite ver el efecto de las variaciones de diseño en el rendimiento del sistema, como la profundidad de perforación o el número de máquinas.

Con esta implantación, se completa la última piedra angular de nuestras tres revolucionarias funciones: propiedades variables de los fluidos, modulación de los caudales y modulación de las bombas de calor. Sin embargo, esto no era más que el marco para otras innovaciones. Suscríbase a nuestro boletín si no quiere perdérselo, o pruebe GHEtool hoy mismo.

Referencias

• Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.
• Peere, W. (2025). Integrating Temperature and Part-Load Dependent COP in Shallow Geothermal Borefield Design. En Actas del Congreso Geotérmico Alemán DGK 2025. Fráncfort (Alemania), 18-20 de noviembre de 2025.
• Para más información sobre las bombas de calor modulantes de Enrad, haga clic en aquí.