Los sistemas híbridos, y especialmente los sistemas geotérmicos híbridos, son una forma probada y eficaz de calentar y refrigerar edificios de forma sostenible. Combinando un diseño inteligente del campo de sondeos con otras tecnologías (como una bomba de calor aire-agua o colectores solares térmicos), se puede conseguir un rendimiento óptimo de todo el sistema de climatización. En este artículo, profundizaremos en los conceptos de sistemas híbridos y potencial geotérmico, explorando en detalle cómo puede utilizar GHEtool Cloud para su próximo proyecto geotérmico.
Nota
Este artículo se basa en los temas introducidos en las partes 1 y 2 de esta serie, donde se trataron varios conceptos importantes. Si aún no ha leído esos artículos, puede encontrarlos aquí: Artículo 1 y artículo 2.
Estudio de caso: un edificio multiusos
Los sistemas geotérmicos híbridos resultan especialmente beneficiosos para grandes edificios (o grupos de edificios) con una elevada demanda de calefacción o refrigeración. El estudio de caso analizado en este artículo se basa en un proyecto real, que tiene una demanda de calefacción de 536 kW y una demanda de refrigeración de 676 kW, con una demanda anual de energía de 643 MWh y 267 MWh, respectivamente. Si utilizáramos una solución geotérmica 100% para este edificio, necesitaríamos un campo de perforación de 130 perforaciones; sin embargo, las limitaciones de espacio sólo permiten 90 perforaciones. Por consiguiente, es necesario un sistema híbrido.
Si quieres diseñar tú mismo el sistema híbrido, a continuación se indican los parámetros de diseño. Cualquier valor que no se mencione explícitamente se asume como valor por defecto en GHEtool Cloud:
- Carga horaria del edificio (descarga aquí)
Atención
Esta metodología requiere un perfil de carga horaria para la demanda de su edificio. En la actualidad, todavía no es posible realizar el mismo análisis utilizando perfiles de carga mensuales.
- General:
- Periodo de simulación: 40 años
- Terreno:
- Conductividad térmica: 1,9 W/(mK)
- Localización: ‘BEL-Antwerpen’
- Borefield:
- Espaciado: 6 m (en longitud y anchura)
- Profundidad de enterramiento: 0,7 m
- Profundidad de perforación (respecto a la profundidad enterrada): 150 m
- Demanda térmica:
- SCOP: 5 / SEER: 20 (refrigeración pasiva/libre)
Atención
Este artículo utiliza la función ‘optimizar perfil de carga’, que sólo está disponible para usuarios con una licencia de optimización. Si desea utilizar este método, puede actualizar un proyecto específico a este paquete o actualizar toda su licencia en el panel de administración de su cuenta. Para más información, consulte nuestro página de precios.
Design su sistema híbrido
1TP8El diseño de un sistema geotérmico híbrido es siempre un proceso iterativo. Debe ajustar continuamente su diseño hasta conseguir un sistema óptimo para su situación, ya sea en función de parámetros económicos o de la necesidad de una instalación de reserva. Para este proyecto, se calcularon los siguientes escenarios utilizando GHEtool Cloud y se comentarán brevemente a continuación.
Optimizar la potencia: perforación 10×9
Inicialmente, se introdujo toda la información en GHEtool Cloud para diseñar el sistema híbrido de máxima potencia. Este enfoque se recomienda porque:
- Es el método más rápido.
- Proporciona una estimación inicial del potencial de energía geotérmica sin sobredimensionar la potencia total instalada.
El sistema resultante alcanzó una cuota de energía geotérmica de 78% para las demandas de calefacción y refrigeración, con capacidades instaladas de 178 kW y 247 kW, lo que representa 46% de la potencia total de calefacción y 26% de la demanda máxima de refrigeración.
Optimización de la potencia: perforación 9×9
El siguiente paso suele consistir en reducir el tamaño del campo de perforación (para ahorrar costes de inversión) y evaluar el efecto sobre la cuota geotérmica. En este proyecto, redujimos el tamaño en 9 perforaciones para crear un campo de perforación de dimensiones 9×9. Una vez más, la optimización en función de la potencia dio como resultado un sistema híbrido con una cuota de energía geotérmica de 74% y 73% para 160 kW y 224 kW instalados, respectivamente. La cuota resultante es sólo ligeramente inferior a la de nuestro escenario anterior (sólo perdemos unas 4%), mientras que el tamaño de nuestro campo de perforación se ha reducido en 10%. Desde un punto de vista económico, se trata de un compromiso interesante.
Optimización de la potencia: perforación 9×8
Si reducimos aún más el tamaño del campo de sondeos, observamos un nuevo descenso de la cuota de energía geotérmica: 68% y 70% para calefacción y refrigeración, respectivamente. Aunque ahora sólo hemos eliminado 9 perforaciones (frente a las 10 del escenario anterior), nuestra cuota de energía geotérmica para este proyecto disminuye significativamente. Esto se explica por la curva carga-duración que se muestra a continuación.
Como puede verse, nuestra potencia de calefacción instalada de 202 kW ya tiene un número significativo de horas de plena carga. Por lo tanto, la reducción del tamaño del campo de perforación (que se traduce en una disminución de la potencia de calefacción geotérmica) tiene un impacto inmediato en la cuota de energía geotérmica.
Conclusión optimizar la potencia
Para este proyecto -aunque esto depende en gran medida de su caso concreto-, el sistema híbrido con un campo de perforación de 9×9 parece ideal para nuestra situación, ya que ofrece un buen equilibrio entre el tamaño del campo de perforación y la cuota de energía geotérmica. Sin embargo, como se puede ver en el perfil de temperatura resultante para este escenario, todavía hay un considerable potencial energético sin explotar tanto en calefacción como en refrigeración. Podemos seguir explotando este potencial en nuestros escenarios futuros.
Optimizar la energía - 9×9 perforación
Después de explorar varios sistemas híbridos mediante la opción ‘optimizar perfil de carga - potencia’, puede afinar aún más su perfil optimizando la energía. Al hacerlo, el algoritmo (como se explica en nuestro artículo anterior aquí) instalará capacidad adicional de calefacción y refrigeración para maximizar la cuota de energía geotérmica durante todo el periodo de simulación. El resultado es una cuota de energía geotérmica de 84% y 92% para calefacción y refrigeración, respectivamente, con una capacidad instalada de 509 kW y 342 kW.
Como puede verse en el perfil de temperatura que se muestra a continuación, esta capacidad instalada adicional aprovecha plenamente el potencial de energía geotérmica restante, garantizando que el campo de perforación alcance sus límites de temperatura en todos los años de su periodo operativo. Sin embargo, con este diseño de sistema híbrido, se produce un sobredimensionamiento significativo de la capacidad total instalada, ya que ahora tenemos 790 kW instalados para calefacción (en lugar de los 536 kW necesarios) y 845 kW para refrigeración (en lugar de los 676 kW necesarios). Por lo tanto, se considera una buena práctica investigar si limitar la capacidad geotérmica instalada tendría un impacto significativo en el rendimiento global del sistema.
Optimizar la energía: campo de perforación 9×9 (350 kW)
Si reducimos la potencia geotérmica instalada para calefacción a 350 kW (suponiendo una refrigeración pasiva para el sistema de refrigeración, donde el sobredimensionamiento del intercambiador de calor pasivo no es una preocupación importante), nuestro perfil de temperatura a continuación muestra que todavía hay cierto potencial de energía geotérmica disponible durante los primeros cuatro años de funcionamiento. Esto también puede observarse en el gráfico de contribución geotérmica.
Como muestra la figura siguiente, la capacidad de calefacción geotérmica proporcionada por el campo de sondeos permanece constante durante los cuatro primeros años del periodo de simulación, tras lo cual disminuye debido al desequilibrio del sistema. Como siempre, la capacidad disminuye más rápidamente que la energía de carga base, ya que los picos de carga más elevados sólo representan un pequeño porcentaje de la demanda total de energía, como puede verse claramente en las curvas de duración de la carga.
Por último, cuando examinamos la cuota de energía geotérmica a lo largo de todo el periodo de simulación, obtenemos casi la misma cuota de energía geotérmica que antes (es decir, 83,4% en lugar de 83,6% para calefacción y 92,2% en lugar de 92,3% en refrigeración), pero con 150 kW menos de capacidad geotérmica instalada para calefacción. Por lo tanto, este sistema siempre será más rentable de instalar sin comprometer el rendimiento.
Optimización de la energía: campo de perforación 9×9 (250 kW)
Como paso final del proceso de optimización, estudiamos si sería beneficioso reducir aún más la potencia instalada de la bomba de calor geotérmica a 250 kW. Si observamos el perfil de temperatura que se muestra a continuación, veremos que el potencial energético restante es relativamente alto. En cierto modo, esto era de esperar, ya que el algoritmo sugería originalmente 509 kW para alcanzar la cuota máxima de energía, mientras que ahora estamos trabajando con sólo 250 kW.
Si examinamos el gráfico de contribución geotérmica, observamos algo muy interesante. Parece que la potencia instalada de 250 kW puede suministrarse de forma constante durante todo el periodo de simulación, al igual que con la optimización anterior para la potencia mencionada anteriormente. Sin embargo, al optimizar por potencia, sólo podíamos conseguir 224 kW, mientras que ahora tenemos 250 kW. Esta diferencia se debe a la reducción del desequilibrio, ya que inyectamos bastante más calor en el suelo gracias a la mayor cuota de refrigeración (90% frente a 74%). Esto reduce el desequilibrio medio del suelo de -166 MWh/año a -148 MWh/año, creando más oportunidades para la calefacción.
Por último, si nos fijamos en la cuota geotérmica, alcanzamos 78% en calefacción y 90% en refrigeración, sin sobredimensionar la capacidad de calefacción instalada. Se trata de un resultado muy interesante, ya que instalando más refrigeración pasiva -que tiene un coste relativamente bajo- podemos aumentar la cuota geotérmica de 73% a 78% en calefacción y de 74% a 90% en refrigeración, todo ello utilizando el mismo campo de perforación.
Conclusión
No existe una respuesta definitiva a qué sistema geotérmico híbrido es el mejor, ya que depende en gran medida de diversos factores. Por lo tanto, siempre es beneficioso comparar diferentes escenarios uno al lado del otro. En el artículo anterior, proporcionamos un ejemplo en el que empezamos optimizando la potencia, reduciendo gradualmente el tamaño del campo de perforación hasta que encontramos un equilibrio óptimo entre el tamaño del campo de perforación y la cuota geotérmica. Al optimizar entonces la energía, mejoramos aún más nuestro diseño inicial del sistema híbrido, aumentando la cuota geotérmica. GHEtool Cloud está perfectamente capacitado para ayudarle a diseñar proyectos tan complejos.
En la siguiente sección, evaluaremos los aspectos económicos de estos diferentes diseños y demostraremos cómo puede determinar la opción más adecuada para su proyecto específico.