Sistemas híbridos (parte 2) - metodología de diseño

Los sistemas híbridos presentan una solución potencial para abordar la naturaleza cada vez más compleja de los proyectos geotérmicos. Los edificios multiuso y los proyectos de calefacción urbana de 5ª generación suelen tener una demanda de calefacción y refrigeración muy elevada, lo que confiere una gran importancia al diseño del campo de sondeo geotérmico. En el primer artículo de esta serie sobre el diseño de sistemas híbridos (geotérmicos), nos centramos en la pregunta ‘qué son los sistemas híbridos’ y cómo se relaciona con el tema del ‘potencial geotérmico’. Este segundo artículo le enseñará dos metodologías diferentes sobre cómo dimensionar un sistema híbrido de este tipo.

Nota
Este artículo profundiza en los temas desarrollados en la primera parte de esta serie. Si no ha leído el primer artículo, puede consultarlo en aquí.

¿Por qué optar por un sistema híbrido?

Como vimos en la primera parte, los sistemas híbridos combinan varias tecnologías para satisfacer la demanda de calefacción y refrigeración de los edificios. En ingeniería geotérmica, esto puede incluir varias combinaciones como bombas de calor geotérmicas (GSHP) con bombas de calor aerotérmicas (ASHP), GSHP con colectores solares térmicos, o GSHP con ASHP y enfriadores secos. La elección de las tecnologías depende del edificio concreto.

Hay varias razones para optar por un sistema híbrido:

1. Minimizar u optimizar el coste de la inversión.
2. Para conseguir un diseño más robusto y duradero.

Las distintas tecnologías tienen puntos fuertes diferentes. Los campos de sondeo geotérmicos suelen ofrecer una alta eficiencia operativa, lo que se traduce en menores costes de explotación. Sin embargo, los campos de sondeo suelen ser la parte más cara del sistema, por lo que es crucial evitar un sobredimensionamiento. En cambio, otras tecnologías, como los ASHP, pueden tener menores costes de inversión pero menor eficiencia operativa. Un diseño híbrido permite dimensionar cada componente del sistema para aprovechar los puntos fuertes de todas las tecnologías.

El reto: diseñar un sistema híbrido

El artículo anterior presentaba los principales retos de diseño cuando se trata de sistemas híbridos: “Si tengo x perforaciones, ¿qué cuota geotérmica puedo alcanzar?”. Esta pregunta estaba relacionada con el concepto de potencial geotérmico. En general, había dos casos extremos a la respuesta anterior:

• Usted dimensiona su campo de perforación de tal manera que no hay potencial para el poder
  (pero sigue habiendo un potencial de energía).
• Se dimensiona el campo de perforación para que no quede ningún potencial geotérmico.

La primera opción, como ya comentamos la última vez, nos dará un sistema sin sobredimensionamiento y, por tanto, con el menor coste de inversión. El segundo sistema, en cambio, tendrá un coste de inversión más elevado (debido a una mayor capacidad total instalada), pero tendrá un coste de explotación más bajo. Antes de abordar cualquier cuestión económica, debemos entender cómo se puede diseñar un campo de sondeo para que no tenga potencial energético o para que no tenga ningún potencial geotérmico. Esto se explicará respectivamente en este artículo en la metodología ‘optimizar para obtener la máxima potencia geotérmica’ y ‘optimizar para obtener la máxima energía geotérmica’, cada una de las cuales se explica a continuación.

Optimizar la potencia

Cuando se opta por optimizar la potencia, el objetivo del diseño es

Para maximizar la potencia que puede (durante la refrigeración) inyectar o (durante la calefacción) extraer del suelo en todo momento

La optimización con este objetivo garantiza que si instalamos x kW de calefacción o refrigeración geotérmica, podemos estar seguros de que nuestro campo de sondeo suministrará esos x kW en cada uno de los períodos de simulación (siempre que nuestras hipótesis de carga sean correctas). Por lo tanto, sabemos que si la demanda del edificio es de 100 kW e instalamos x kW de energía geotérmica, nuestro sistema híbrido puede diseñarse para suministrarnos (100-x) kW, ya que el sistema geotérmico está diseñado para proporcionarnos estos x kW.

Metodología

La metodología que dimensiona este sistema, es la siguiente:

1. Empiece con un perfil de demanda horaria de calefacción y refrigeración y un diseño de campo de perforación fijo.
2. Calcule el perfil horario de temperatura como si 100% de la demanda del edificio se colocaran en el campo de sondeo.
3. Compruebe si
   1. La temperatura media mínima del fluido desciende por debajo de un determinado umbral. Si es así, la potencia de extracción es demasiado alta, por lo que debe reducirse la potencia de calentamiento máxima en x%. Si la temperatura media mínima del fluido está por encima del umbral, el campo de sondeo puede soportar la extracción y la potencia de calentamiento máxima puede permanecer invariable.
   2. La temperatura media máxima del fluido supera un determinado umbral. Si lo hace, la potencia de inyección es demasiado alta, por lo que debe reducirse la potencia de refrigeración máxima en x%. Si la temperatura media máxima del fluido es inferior al umbral, el campo de perforación puede soportar la inyección y no es necesario realizar cambios.
4. Si ambas temperaturas del paso (3) están dentro de los límites, se determina la carga geotérmica e híbrida y se puede proceder al paso (7). En caso contrario, continúe con el paso (5).
5. Recalcular la carga horaria del campo de sondeo utilizando las nuevas potencias máximas de calefacción y refrigeración determinadas en el paso (3). Redirija la potencia o la energía que no pueda gestionar el campo de sondeo a las tecnologías híbridas.
6. Vuelva a calcular el perfil horario de temperatura y regrese al paso (3).
7. Hecho

Ejemplo

Si aplicamos esta metodología a un edificio de mayor tamaño con una demanda máxima de 536 kW para calefacción y 676 kW para refrigeración, alimentado por 80 pozos de sondeo, obtenemos las cifras que se muestran a continuación.

Nota
Este artículo se centra en la metodología en sí. En un artículo posterior, profundizaremos en el diseño práctico de sistemas híbridos utilizando GHEtool Cloud.

La curva de duración de carga anterior ilustra las demandas de calefacción y refrigeración del edificio, y el área sombreada representa la parte de la carga que puede satisfacerse geotérmicamente. En este caso, podemos instalar 259 kW de potencia de calefacción geotérmica y 169 kW de potencia de refrigeración geotérmica, garantizando que estas capacidades puedan intercambiarse constantemente con el suelo. El resto de las necesidades de potencia y energía deben cubrirse con tecnologías híbridas.

Nota

Esta metodología no especifica la configuración de la tecnología híbrida, ya que eso queda fuera del ámbito del diseño geotérmico. Esta flexibilidad hace que el método de optimización se adapte a diversos escenarios.

Examinando el perfil de temperatura anterior, observamos que se alcanzan los límites mínimo y máximo de temperatura media del fluido. Esto indica que la instalación de potencia adicional para calentar o enfriar superaría estos umbrales. Así pues, el perfil resultante está optimizado para la potencia máxima. Para más información sobre los perfiles de temperatura, véase nuestro artículo sobre la interpretación de los perfiles de temperatura.

No obstante, cabe señalar que parte del potencial geotérmico sigue sin aprovecharse con este planteamiento de optimización. En los últimos años de funcionamiento, existe una capacidad significativa para la inyección de calor adicional (es decir, refrigeración), mientras que en los primeros años, el campo de perforación podría gestionar una mayor carga de calefacción. Para aprovechar este potencial no utilizado habría que optimizar la energía, lo que se tratará en el siguiente apartado.

Optimizar la energía

Cuando se opta por la optimización energética, el objetivo del diseño es:

Para maximizar la energía que se puede (en refrigeración) inyectar o (en calefacción) extraer del suelo durante todo el periodo de simulación.

La optimización con este objetivo proporciona un sistema en el que, si instalamos x kW de capacidad geotérmica de calefacción o refrigeración, podemos garantizar que el campo de perforación suministre la máxima cantidad posible de energía de calefacción o refrigeración a lo largo del tiempo. Sin embargo, este enfoque no garantiza que el campo de perforación suministre x kW de potencia en todo momento. Por lo tanto, si tenemos un edificio con 100 kW de demanda máxima de energía e instalamos x kW de energía geotérmica, nuestro sistema híbrido debe ser mayor que (100-x) kW, ya que no podemos estar seguros de que podamos obtener esta energía geotérmica todos los años, por lo que debemos compensarlo instalando más energía híbrida.

Metodología

La metodología para optimizar la energía difiere del planteamiento utilizado para optimizar la potencia y procede del siguiente modo:

1. Empiece con un perfil de demanda horaria de calefacción y refrigeración y un diseño de campo de perforación fijo.
2. Convertir la carga horaria en carga mensual, manteniendo la misma demanda energética y potencias punta para cada mes.
   Nota
   Aunque teóricamente es posible aplicar este método directamente con resolución horaria, requeriría varias horas de cálculo sin mejorar significativamente la precisión.
3. Iterar cada mes (i) del periodo de simulación, realizando los siguientes pasos:
   1. Calcular el perfil mensual de temperatura
   2. Compruebe si:
      1. La temperatura media mínima del fluido para el mes (i) es inferior al umbral mínimo. Si es así, la potencia de extracción es demasiado alta, por lo que se reduce la potencia de calentamiento máxima en x%, pero sólo para el mes (i). Si la temperatura es superior al umbral, el campo de sondeo puede soportar la extracción, por lo que la potencia de calentamiento máxima permanece invariable para el mes (i).
      2. La temperatura media máxima del fluido para el mes (i) está por encima del umbral máximo. Si es así, la potencia de inyección es demasiado alta, por lo que habrá que reducir la potencia máxima de refrigeración en x%, pero sólo para el mes (i). Si la temperatura está por debajo del umbral, el campo de sondeo puede soportar la inyección, por lo que no es necesario ningún ajuste para el mes (i).
   3. Si todas las temperaturas del fluido están dentro de los límites, determine la potencia máxima y la energía correspondiente que el campo de sondeo puede suministrar durante el mes (i). La potencia y la energía restantes deben ser suministradas por la solución híbrida. Proceder al paso (3.5).
   4. Si las temperaturas del fluido están fuera de los límites, ajuste la carga horaria para alinearla con las nuevas potencias máximas determinadas en el paso (3.2). Reconvierta la carga horaria en carga mensual y vuelva al paso (3.1).
   5. Una vez que todas las temperaturas del mes (i) sean aceptables, pase al mes (i+1).
4. Hecho

Ejemplo

Si consideramos el mismo proyecto con 80 perforaciones, podemos aumentar la capacidad geotérmica instalada a 536 kW para calefacción y 388 kW para refrigeración. Esto nos permite extraer más calor del subsuelo durante los primeros años (para calefacción) e inyectar más calor en el subsuelo durante los últimos años (para refrigeración). De este modo, maximizamos la energía total intercambiada con el campo de perforación.

Sin embargo, a diferencia del sistema híbrido anterior, no podemos garantizar que el campo de sondeos suministre siempre 536 kW para calefacción y 388 kW para refrigeración. La figura siguiente ilustra la distribución de las cargas de calefacción y refrigeración a lo largo del tiempo. Como se muestra, debido al desequilibrio del sistema, tanto la carga base de calefacción como el pico de potencia de calefacción disminuyen a lo largo de la vida útil de los campos de sondeo, mientras que la cuota de refrigeración aumenta.

Nota
Hay una diferencia clave entre los diseños optimizados para potencia y los optimizados para energía. En un sistema optimizado para la potencia, el rendimiento geotérmico anual permanece constante porque siempre se alcanza la potencia máxima. En cambio, en un sistema optimizado para la energía, el rendimiento geotérmico evoluciona a lo largo del periodo de simulación, reflejando las variaciones de las cargas de calefacción y refrigeración.

Comparación

Los siguientes diagramas circulares ilustran el mismo concepto. En los resultados de la izquierda, que representan el sistema híbrido diseñado con la ‘optimización para potencia’, aproximadamente 75-80% de la demanda del edificio se satisface con el campo de perforación. En cambio, en el diagrama de la derecha, que representa el sistema híbrido diseñado con la ‘optimización para la máxima energía’, se alcanza hasta una cuota de 95% de energía geotérmica durante todo el periodo de simulación, gracias a la mayor potencia pico instalada. Esto significa que nuestro sistema híbrido, diseñado con un campo de perforación optimizado para la energía, tendrá probablemente un coste operativo inferior, debido a la mayor cuota de energía geotérmica. Por otro lado, como se puede ver, la potencia total instalada en este caso es mucho mayor (la bomba de calor geotérmica es de 536 kW y sólo representa 2/3 de la potencia total instalada). Esto supondrá un coste de inversión más elevado en comparación con un yacimiento optimizado para la producción de energía.

Conclusión

En el artículo anterior se describían los fundamentos teóricos y la metodología de diseño de un sistema híbrido. Se hizo una distinción entre los sistemas híbridos que tienen un campo de sondeo diseñado para que no tenga potencial energético y los sistemas híbridos que tienen un campo de sondeo dimensionado para que no tenga ningún potencial geotérmico. Las metodologías de diseño se denominaron respectivamente ‘optimización para la potencia’ y ‘optimización para la energía’.

En la siguiente parte, exploraremos cómo aplicar estas metodologías de diseño en GHEtool Cloud para un proyecto específico. Además, profundizaremos en las estrategias para limitar la potencia pico geotérmica con el fin de evitar el sobredimensionamiento del sistema.

Referencias

• Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.