Caudales variables

Tradicionalmente, cuando se diseñaba un campo de sondeo, se utilizaba un caudal constante para calefacción y refrigeración, tanto durante los periodos punta como fuera de ellos. Sin embargo, con la introducción de las bombas de calor modulantes, esta suposición de un caudal constante ya no es exacta, y se puede obtener una mayor perspectiva avanzando hacia diseños con caudales variables.

El caudal

Necesitamos un caudal para transferir energía del campo de sondeo al edificio y viceversa, pero ¿qué caudal se necesita? La respuesta es: depende de su perspectiva, ya que la potencia, la temperatura y el caudal están vinculados a través de la siguiente relación$$\dot{Q}=\dot{m}\cdot C_p\cdot \Delta T$$donde $\dot{Q}(t)$ es la potencia de extracción/inyección en (kW), $\dot{m}$ es el caudal en (kg/s), $C_p$ es la capacidad calorífica específica del fluido en (kJ/(kgK)) y $\Delta T$ es la diferencia de temperatura entre la temperatura de entrada y la de salida del campo de sondeo en (°C).

Como la potencia varía con el tiempo, la ecuación debe escribirse en función del tiempo: $$\dot{Q}(t)=\dot{m}(t)\cdot C_p (t)\cdot \Delta T(t)$$donde $t$ es el tiempo.

Como se indica en el parte anterior, las propiedades del fluido varían con el tiempo, por lo que $C_p (t)$ viene determinado en cada momento por el fluido seleccionado y su temperatura en el momento $t$. Como también se conoce la potencia en cada hora (o mes), hay que encontrar la combinación adecuada de caudal y diferencia de temperatura. Existen dos enfoques diferentes: trabajar con un caudal constante o trabajar con una $\Delta T$ constante. Ambos se explican a continuación.

Caudal constante

Históricamente, las bombas de circulación eran de una sola velocidad, es decir, estaban encendidas o apagadas y funcionaban con un caudal constante. Esto no suponía un gran problema, ya que tradicionalmente las bombas de calor también se encendían y apagaban. Esto significa que cuando la bomba de calor se enciende, exige la máxima potencia del campo de sondeo y circula al caudal máximo diseñado. En esta situación, no había ninguna variación real en $\dot{Q}(t)$, salvo que estuviera encendida o apagada, y por lo tanto $\Delta T$ también era constante.

Sin embargo, con la introducción de las bombas de calor modulantes, la situación cambia. Ahora existe una variación real de la potencia a lo largo del tiempo, y trabajar con un caudal constante significa que $\Delta T$ se reduce cuando se necesita una potencia menor. Aunque un sistema de este tipo puede seguir funcionando (aunque algunos fabricantes de bombas de calor especifican un mínimo de $\Delta T$), no es la situación ideal. Por eso ahora se suelen utilizar bombas de circulación modulantes o controladas por frecuencia.

Constante $\Delta T$

En lugar de predeterminar el caudal, también podemos establecer como constante la diferencia de temperatura en la ecuación anterior. El resultado es un caudal que varía cuando cambia la carga. Así es como la mayoría de las bombas de calor controlan actualmente su bomba de circulación, ya que cada bomba de calor tiene una diferencia de temperatura óptima en la que su eficiencia es máxima, y el caudal se controla para mantener estas condiciones de funcionamiento ideales.

Además de ser más realista, el caudal durante la calefacción y la refrigeración no suele ser el mismo. Por ejemplo, si un edificio tiene una carga de refrigeración significativamente mayor que la de calefacción, ¿qué caudal debe utilizarse como valor de diseño? Si se fija demasiado bajo, se corre el riesgo de sobredimensionar el sistema, mientras que si se fija demasiado optimista, se corre el riesgo de infradimensionarlo. Cuando se trabaja con una constante $\Delta T$, se puede definir fácilmente una consigna de diferencia de temperatura tanto para calefacción como para refrigeración.

Trabajar con un caudal variable

Para ilustrar la importancia y el potencial de los caudales variables, consideremos el ejemplo de un edificio de oficinas con el perfil horario de temperatura que se muestra a continuación.

En el perfil de arriba se ven claramente dos cosas:

1. La potencia máxima durante el enfriamiento es casi el doble que durante el calentamiento, por lo que cabría esperar una diferencia significativa en el caudal resultante.
2. Hay una variación considerable a lo largo de los meses tanto para calefacción como para refrigeración, con una potencia significativamente menor durante los fines de semana (los cortes blancos en el perfil de calefacción), lo que significa que el flujo resultante estaría lejos de ser constante en la realidad.

Para ilustrar la diferencia entre trabajar con un caudal constante y uno variable para este edificio, consideremos una simulación de esta oficina con un campo de 80 perforaciones, un único intercambiador U DN32 PN16 y un fluido caloportador de 25 v/v% MPG. A continuación se muestra una aproximación del primer año, utilizando caudales constantes y variables.

Es evidente que la temperatura media máxima del fluido es idéntica en ambos casos (lo que conduce al final al mismo diseño). Esto se debe a que el caudal en el caso constante es idéntico al caudal máximo en el caso de caudal variable. Sin embargo, lejos de este punto crítico, la diferencia en las temperaturas del fluido se hace mucho más pronunciada.

Otra observación es que, en el caso de caudal constante, las temperaturas del fluido son más elevadas (especialmente durante el calentamiento) que en el caso de caudal variable. Esto puede explicarse examinando a continuación la resistencia térmica efectiva de la perforación.

En el caso de un caudal constante, la variación de la resistencia de la perforación está causada por los cambios en las propiedades del fluido debido a su dependencia de la temperatura, como se discute en el apartado parte anterior. Sin embargo, en el caso de caudal variable, el rango en la resistencia de la perforación es mucho más significativo, aunque los dos casos se solapan en determinados momentos a mitad de año (es decir, en verano). Esto corresponde al punto en el que el caudal constante coincide con el caudal calculado en el caso variable.

En otras épocas del año, especialmente durante la calefacción, cuando la potencia máxima es mucho menor, el caudal también se reduce considerablemente. Como consecuencia, el flujo deja de ser turbulento y vuelve a un régimen laminar con una mayor resistencia térmica efectiva en la perforación. Esta mayor resistencia explica por qué, en el perfil de temperaturas anterior, las temperaturas del caso de caudal constante parecen más optimistas que las del caso de caudal variable, pero son menos exactas.

Riesgos potenciales al utilizar caudales constantes

También existen algunos riesgos cuando se trabaja con un caudal constante, especialmente cuando se trata de una diferencia significativa entre la potencia de calefacción y la de refrigeración, o con picos de potencia muy fluctuantes en general. Para ilustrarlo, a continuación se muestra de nuevo el perfil de carga residencial del capítulo anterior.

Cuando simulamos este proyecto con un caudal constante de 6,93 l/s para todo el campo de perforación (que corresponde al caudal máximo durante la inyección máxima), utilizando un fluido caloportador MEG 25 v/v% y un único intercambiador de calor DN32 PN16, se obtiene el resultado que se indica a continuación.

En el perfil anterior, queda claro que el campo de sondeo está dimensionado con precisión, manteniéndose dentro de los límites de temperatura, con una temperatura mínima al cabo de 30 años de 2,64 °C. Sin embargo, cuando seleccionamos la opción de trabajar con un caudal basado en una diferencia de temperatura constante (de 3 °C durante la extracción y la inyección) en lugar de un caudal constante, se obtiene el resultado que se muestra a continuación.

Dado que la potencia máxima durante el calentamiento es menor, el caudal ya no es de 6,93 l/s, sino sólo de 4,28 l/s. Esto significa que el campo de perforación ya no es turbulento durante la extracción (Re = 2068 en lugar de 3496), lo que aumenta la resistencia efectiva de la perforación de 0,1440 mK/W a 0,2401 mK/W. La temperatura media mínima del fluido resultante es ahora de 1,5 °C, más de 1 °C inferior a la de la simulación inicial. En este caso, la perforación está ligeramente subdimensionada.

Cuando se realiza el mismo ejercicio con el perfil horario, esto resulta aún más evidente. Por ello, a continuación se muestra un primer plano del último ejercicio para la simulación con un caudal constante.

Cuando se compara el caso anterior, con un caudal constante, con el de caudal variable, queda claro que la diferencia en la temperatura media mínima del fluido (2,09 °C para el caso de caudal constante y 0,93 °C para el caso de caudal variable) es real. También es evidente que, debido al menor caudal y, por tanto, a la mayor resistencia de la perforación, la diferencia entre la temperatura del fluido y la temperatura de la pared de la perforación es mucho más pronunciada en el caso de caudal variable.

Además, también se aprecia una clara diferencia en verano. Con un caudal constante, las temperaturas máximas sólo se alcanzan durante unas horas, mientras que con un caudal variable, las temperaturas máximas del fluido se mantienen durante mucho más tiempo. Esto se debe a que, en los momentos en los que no se alcanzan las temperaturas máximas, el caudal también es menor durante el enfriamiento, lo que aumenta la resistencia de la perforación.

Esto ilustra otro riesgo cuando se trabaja con un caudal constante. Por ejemplo, si se supera un límite máximo de temperatura durante sólo 5 horas, se puede caer en la tentación de ignorarlo. Sin embargo, cuando se utiliza una bomba controlada por frecuencia, una simulación más precisa con un caudal variable puede conducir a resultados muy diferentes, por ejemplo 50 horas de superación del límite de temperatura.

Por lo tanto, para evitar el subdimensionamiento, se recomienda utilizar un caudal variable al diseñar los campos de sondeo.

Conclusión

Aunque tradicionalmente los campos de sondeo se han diseñado utilizando un caudal constante (idéntico para calefacción y refrigeración), este artículo introduce la función en GHEtool Cloud de simular con un caudal variable basado en la suposición de una diferencia de temperatura constante entre la entrada y la salida del campo de sondeo.

Trabajar con un caudal variable tiene la ventaja de ahorrar tiempo y reducir el riesgo de cometer errores. Además de estas ventajas prácticas, los caudales variables proporcionan resultados más precisos durante los periodos valle y permiten conocer mejor el comportamiento del campo de sondeo durante la calefacción y la refrigeración por separado. Como se muestra en uno de los ejemplos, esto puede llevar incluso a cambiar el tamaño necesario del campo de sondeo.

En el capítulo siguiente, se introduce la última gran mejora en la precisión de la simulación: eficiencia variable de la bomba de calor.

Preguntas

En Parte 3.2, se afirmaba que las propiedades variables del fluido tienen un efecto enorme en la resistencia térmica efectiva de la perforación. Sin embargo, en la figura siguiente, donde se muestra la resistencia de la perforación para el primer año, la resistencia para el caso de un caudal constante parece ser más o menos constante. ¿Cómo puede explicarse esto a la luz de las conclusiones del capítulo anterior?

Descargas

• Descargar la simulación GHEtool de este capítulo aquí.

Referencias

• Peere, W. (2026) Towards a more accurate design of borefields: using variable fluid properties, flow rate and heat pump efficiency. En las actas de GeoTHERM expo & congress, Offenburg, Alemania, 26-27 de febrero de 2026. Enlace