Hasta ahora, GHEtool ofrecía la posibilidad de optimizar sistemas híbridos, pero hoy presentamos un módulo de simulación completamente nuevo. Con la simulación y la optimización ahora disponibles, dispondrá de la caja de herramientas completa para diseñar sistemas geotérmicos híbridos mejores y más eficientes.
Lo que hay que saber sobre los sistemas híbridos
Ya hemos escrito bastantes artículos sobre la optimización de sistemas híbridos. En un primer artículo, introdujimos el concepto de sistemas híbridos y potencial geotérmico. Los sistemas híbridos se definieron como la combinación de diferentes tecnologías de calefacción y refrigeración que juntas satisfacen la demanda térmica del edificio. Puede tratarse de una bomba de calor geotérmica (GSHP) combinada con una bomba de calor aerotérmica (ASHP), un enfriador seco con una GSHP, etc.
Dimensionar un sistema híbrido no es trivial, y mucho menos un sistema geotérmico híbrido. Por eso, en un segundo artículo, Para ello, hemos introducido dos metodologías de diseño: la optimización para la potencia y la optimización para la energía. El primer enfoque da como resultado un sistema con el menor coste de inversión (debido al sobredimensionamiento 0%), pero parte del potencial geotérmico queda sin utilizar. En cambio, si se optimiza el sistema para obtener el máximo intercambio de energía, se sobredimensiona deliberadamente la GSHP para que intercambie más energía con el suelo, lo que reduce los costes operativos. En un tercer artículo.
Otra innovación fue la introducción de un planteamiento más generalizado: la optimización del equilibrio, tal y como se explica en nuestro informe. cuarto artículo. En este caso, puede asegurarse de que la distribución entre la energía/energía geotérmica y los sistemas auxiliares se realice de tal forma que sólo se mantenga un cierto desequilibrio controlado.
Juntas, estas tres metodologías forman un potente conjunto de herramientas para encontrar soluciones óptimas. Sin embargo, aún les faltaba un elemento clave: la flexibilidad para aplicar tu propia estrategia de control.
Simulación de sistemas híbridos
Diferencia entre optimización y simulación
Todos los métodos disponibles actualmente en GHEtool Cloud son métodos de optimización. Esto significa que, dadas ciertas condiciones de contorno -como un tamaño fijo del campo de perforación y una demanda térmica horaria-, se maximiza la cuota geotérmica optimizando la potencia, la energía o el equilibrio. Este proceso puede ser algo lento, ya que puede requerir numerosas iteraciones, que es exactamente donde entra en juego la flexibilidad de la simulación.
Cuando se simula un sistema híbrido, se parte de las mismas condiciones conocidas (tamaño del campo de sondeo y demanda térmica horaria), pero ahora también se define la estrategia de control del sistema híbrido. Es decir, ¿a qué temperatura umbral se activa o desactiva una determinada tecnología? Con esta estrategia y un archivo meteorológico determinado, la demanda geotérmica puede calcularse directamente a partir de la lógica de control, sin necesidad de iteración. De este modo, las simulaciones son mucho más rápidas. Sin embargo, la contrapartida es que no se trabaja necesariamente con la solución óptima.
Nota
Si utiliza los métodos de optimización, está implícita una estrategia de control. Dado que se desea que la temperatura de los fluidos se mantenga dentro de ciertos límites, el algoritmo de optimización adaptará la carga en consecuencia para cumplir este requisito. Aunque esta estrategia de control podría reproducirse en la realidad utilizando un valor de consigna del regulador basado en la temperatura de los fluidos geotérmicos, no es sencillo hacerlo.
Tres ejemplos de simulación de sistemas híbridos
Imagine que tiene un gran edificio comercial en el que una parte de la carga la suministra una GSHP y otra parte una ASHP. Como sabe que cuando la temperatura del aire exterior es superior a 10 °C, su ASHP tiene un rendimiento superior al de su GSHP, tiene sentido -desde el punto de vista del consumo eléctrico- utilizar preferentemente la ASHP en lugar de la GSHP. Esto se puede modelizar fácilmente definiendo la ASHP como una tecnología de calefacción híbrida que funciona por encima de un umbral de temperatura.
Otra situación puede darse, por ejemplo, en un contexto de renovación. Imaginemos que tenemos un edificio escolar (no muy bien aislado) con sistemas de emisión de alta temperatura alimentados por una caldera de gas. En otoño y primavera, la GSHP puede calentar perfectamente este edificio, pero cuando hace demasiado frío fuera, la caldera de gas se enciende para proporcionar las temperaturas más altas necesarias. Esto puede modelizarse utilizando un sistema de calefacción híbrido que funciona por debajo de un umbral de temperatura.
Un último ejemplo podría ser un edificio de oficinas, donde la unidad de tratamiento de aire (UTA) tiene dificultades para enfriar el aire utilizando las temperaturas pasivas del campo de sondeos cuando hace demasiado calor en el exterior. Una solución podría ser equipar la UTA con un componente activo que se active para proporcionar refrigeración híbrida a partir de un determinado umbral de temperatura.
Nota
También existe una cuarta opción, en la que un sistema híbrido proporciona refrigeración cuando la temperatura del aire exterior desciende por debajo de un determinado nivel. Podría tratarse, por ejemplo, de una refrigeración por ventilación nocturna. Como no se trata realmente de un ‘sistema’, esta opción -aunque presente en GHEtool- no se tratará más adelante.
A continuación veremos cómo utilizar GHEtool Cloud para simular estos sistemas.
Simulación de sistemas híbridos con GHEtool Cloud
Dentro de GHEtool, ahora tiene la opción (cuando haya cargado un perfil de carga horaria) de añadir un sistema híbrido al calcular el perfil de temperatura. A continuación se muestra una captura de pantalla de la sección de entrada.
Nota
Dado que la simulación, como se ha comentado anteriormente, no es un proceso iterativo, también es posible añadir un sistema híbrido al calcular la profundidad de perforación necesaria.
En primer lugar, como todas estas simulaciones de sistemas híbridos se basan en un umbral para la temperatura del aire exterior, se necesita un archivo meteorológico EPW. Lo ideal es que el mismo archivo meteorológico utilizado para el cálculo de la carga horaria se utilice también para la simulación, de modo que los picos de demanda térmica coincidan con la información meteorológica correcta.
Nota
Al buscar archivos meteorológicos, https://climate.onebuilding.org/ ofrece archivos EPW gratuitos de casi todas las regiones del mundo para distintos años.
A continuación, tiene la opción de añadir hasta cuatro sistemas híbridos diferentes, cada uno con su propio umbral de temperatura por encima o por debajo del cual se preferirá el sistema híbrido respectivo para calefacción o refrigeración. Para cada opción de calefacción/refrigeración híbrida, también puede especificar la potencia de ese sistema híbrido.
¡Atención!
Aunque hay cuatro entradas separadas para los sistemas híbridos, esto no significa necesariamente que deban modelarse cuatro sistemas diferentes. Es perfectamente posible modelizar una única ASHP que proporcione tanto calefacción por encima de un determinado umbral como refrigeración por encima de un determinado umbral.
Ejemplo de calefacción híbrida
El gráfico siguiente muestra la distribución de energía para una situación en la que hay un sistema de calefacción híbrido que proporciona 100 kW de calefacción cuando la temperatura exterior desciende por debajo de 2 °C. Como puede verse en la figura, esto sólo ocurre (para este archivo meteorológico) en enero, febrero y diciembre. En los demás meses, el efecto es insignificante.
Cuando se añade otro sistema híbrido, que proporciona 200 kW y funciona cuando la temperatura exterior es superior a 10 °C, el perfil se parece al siguiente. Aquí se puede ver que la proporción de calefacción geotérmica es significativamente menor, lo que da lugar a un desequilibrio diferente y, en consecuencia, a un perfil de temperatura resultante distinto.
Limitación de la potencia de perforación
Como última opción, también es posible limitar la potencia geotérmica máxima. Imagine, por ejemplo, que tiene una demanda de calefacción de 536 kW y una ASHP ya instalada para proporcionar algo más de refrigeración en verano. Entonces podría limitar la potencia máxima de la GSHP a, por ejemplo, 475 kW. Esto significa que en sus resultados habrá ahora un ‘exceso de calefacción’, ya que 100% de la carga de calefacción no podría ser satisfecha por la GSHP.
En realidad, sin embargo, su ASHP podría asumir esta parte de la carga, lo que le ofrece otra forma de diseñar y simular sistemas híbridos. A continuación se muestra un ejemplo, en el que alrededor de 1,3% de la demanda anual de calefacción se marca ahora como ‘exceso de calefacción’.
Conclusión
El nuevo módulo de simulación de sistemas híbridos es un complemento perfecto a los métodos de optimización ya disponibles. Aunque no garantiza la mejor solución, proporciona una forma muy sencilla de simular el comportamiento de los sistemas híbridos en la vida real.
Referencias
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