Eficiencia variable

Los campos de sondeo geotérmicos se utilizan a menudo en combinación con bombas de calor geotérmicas, y se requiere la eficiencia de la bomba de calor para convertir la carga del edificio en carga del suelo. Históricamente, se suponía que esta eficiencia era constante, pero es más preciso utilizar eficiencias variables. En este capítulo se explica este nuevo enfoque y se muestra cómo puede mejorar el diseño del campo de sondeos.

Eficiencia de la bomba de calor en el diseño de perforaciones

Volver a Parte 1.5, se introdujo la eficiencia de la bomba de calor para convertir la carga del edificio en una carga del suelo, que luego se utiliza para simular el comportamiento a largo y corto plazo del campo de perforación. Normalmente, la bomba de calor se modela utilizando eficiencias estacionales (la SCOP y la SEER en el caso de la refrigeración), convirtiendo tanto la demanda energética como la potencia pico del edificio en una carga del suelo. Aunque este enfoque es relativamente sencillo, plantea tres problemas principales:

1. Al utilizar el SCOP para convertir la potencia pico de calentamiento en una potencia pico de extracción, se sobreestima la potencia pico. Esto se debe a que la eficiencia de la potencia pico viene dada en realidad por el COP y no por el SCOP. Dado que el COP suele ser inferior al SCOP, se sobreestima la carga del suelo en los momentos de pico, lo que puede dar lugar a un campo de sondeo sobredimensionado.

2. Al utilizar un SCOP en B0/W35 para convertir la demanda de calefacción (y B0/W55 para el agua caliente sanitaria) en una carga del suelo, se supone que la temperatura del fluido que entra en el campo de sondeo es de 0 °C. Sin embargo, en la mayoría de los diseños esto sólo ocurre, si es que ocurre, al cabo de varios años, lo que significa que la temperatura media suele ser superior. Sin embargo, en la mayoría de los diseños esto sólo ocurre, si es que ocurre, al cabo de varios años, lo que significa que la temperatura media suele ser más alta. Esto conduce en realidad a un SCOP más alto, por lo que utilizar un valor B0/W35 subestima la eficiencia y, por tanto, el desequilibrio, lo que podría dar lugar a un campo de sondeo subdimensionado.

3. Como se indica en Parte 1.5, la eficiencia de una bomba de calor depende de la temperatura del fluido del campo de sondeo y, por tanto, variará en función del diseño. Sin embargo, dado que el SCOP se utiliza históricamente como entrada y no como salida de un diseño de campo de sondeo, no cambia cuando se modifica el diseño. Esto es contraintuitivo y no representa la realidad.

Por estas razones, está claro que el enfoque tradicional presenta varias deficiencias importantes. En la siguiente sección se ilustra con más detalle la influencia de la eficiencia elegida en el diseño de los campos de perforación.

Diferentes hipótesis de eficiencia

Para cuantificar el efecto de la eficiencia utilizada para el diseño del campo de sondeos, se utilizan tres supuestos de eficiencia diferentes:

1. El tradicional y constante SCOP (en B0/W35)
2. Un COP dependiente de la temperatura
3. Un COP dependiente de la temperatura y de la carga parcial

Teniendo en cuenta estas diferentes hipótesis de eficiencia, se diseñan campos de sondeo para tres edificios diferentes: un edificio de apartamentos residenciales, un edificio de oficinas y un edificio de servicios múltiples, cuyas características se indican en la tabla siguiente. De este modo, se investigan tanto el efecto sobre la profundidad de perforación necesaria (es decir, el impacto sobre el dimensionamiento real) como el efecto sobre la eficiencia final del sistema.

Efecto sobre la profundidad de perforación necesaria

Cuando examinamos el efecto de la hipótesis de eficiencia sobre la profundidad de perforación necesaria, vemos que apenas hay variación entre las tres hipótesis diferentes. En el caso del edificio multiuso, se produce un ligero aumento de la longitud necesaria para un diseño con una temperatura media mínima del fluido de 3 °C al incluir la dependencia de la carga parcial en el COP. Sin embargo, el aumento es sólo del 3%, lo que resulta insignificante.

Según estos resultados, los dos errores introducidos al trabajar con un rendimiento constante frente a uno dependiente de la temperatura y de la carga parcial (a saber, la sobreestimación de la potencia máxima y la subestimación simultánea del desequilibrio) se equilibran en gran medida entre sí.

Efecto sobre la eficacia

A continuación, se muestra la media calculada de SCOP para los tres casos diferentes. Puede observarse que, aunque a veces hay una ligera diferencia, el rendimiento oficial B0/W35 se aproxima bastante al COP dependiente de la temperatura. Esto significa que, basándonos en los ejemplos que se muestran a continuación, no hay ninguna razón real para trabajar sólo con un COP dependiente de la temperatura, ya que no altera significativamente ni el diseño ni el SCOP.

En cambio, cuando se incluye la dependencia de la carga parcial, hay una diferencia significativa del 10 al 50% en SCOP entre el valor oficial B0/W35 y la eficiencia esperada. Esto se debe a un doble efecto:

• La bomba de calor funciona la mayor parte del tiempo en el régimen más eficiente de carga parcial
• En carga parcial, debido a la menor extracción de calor, las temperaturas del fluido son más elevadas, lo que permite un funcionamiento más eficaz.

Para ilustrar mejor la importancia de la dependencia de la carga parcial, ampliamos la imagen del edificio de servicios múltiples. A continuación se muestra el perfil de temperatura.

En el perfil de temperatura anterior se aprecia claramente que la temperatura media del fluido fluctúa considerablemente. A continuación, se muestra un primer plano del COP en los primeros 5 meses, tanto para el COP dependiente de la temperatura como para el COP dependiente de la temperatura y la carga parcial.

COP en los primeros 5 meses para el COP dependiente de la temperatura y el COP dependiente de la temperatura y de la carga parcial de la bomba de calor modulante. Es evidente que las variaciones son mucho más pronunciadas cuando se considera el comportamiento en carga parcial que cuando sólo se tiene en cuenta la dependencia de la temperatura. En segundo lugar, puede observarse que durante los momentos punta, cuando ambas bombas de calor funcionan a plena carga, sus eficiencias coinciden, lo cual es de esperar, ya que en estos casos no hay comportamiento en carga parcial.

Dado que los edificios también presentan un cierto desequilibrio, el SCOP cambiará a lo largo del periodo de simulación. En el gráfico siguiente, se muestran los valores de SCOP correspondientes a cada año del periodo de simulación de 20 años para el edificio de servicios múltiples diseñado a una temperatura mínima de 0 °C.

Variación de SCOP a lo largo del tiempo para tres supuestos de eficiencia diferentes.

Está claro que siempre que se considera la dependencia de la temperatura, la eficiencia empieza más alta de lo que termina, debido al campo de perforación dominado por la extracción. En particular, el COP dependiente exclusivamente de la temperatura da como resultado una eficiencia inferior al valor SCOP B0/W35 al cabo de 20 años. Esto se debe a que este supuesto no incluye el comportamiento estándar con carga parcial, por lo que se subestima la eficiencia cuando funciona cerca de 0 °C.

En cambio, el COP dependiente de la temperatura y de la carga parcial demuestra claramente las ventajas de utilizar una bomba de calor modulante, cuyo rendimiento es significativamente superior al valor oficial B0/W35 de 4,86 para la bomba de calor SV62.

Simulación con bombas de calor modulantes en GHEtool

Trabajar con datos de eficiencia dependientes de la temperatura y la carga parcial no es sencillo, 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 gemelos digitales de sus máquinas. Estos gemelos digitales están disponibles en GHEtool, de modo que siempre que trabaje 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.

En las subsecciones siguientes, se simulan diferentes variaciones de un escenario de referencia utilizando una sola bomba de calor, una configuración en cascada de dos bombas de calor y un campo de sondeo más profundo.

Escenario de referencia

Para ilustrar la importancia de trabajar con una bomba de calor modulante, se utilizó un edificio con una demanda máxima de calefacción de 100 kW y una demanda anual de calefacción de 200 MWh, y una demanda máxima de refrigeración de 40 kW y una demanda anual de refrigeración de 40 MWh. El perfil de carga horaria se muestra en la siguiente figura.

En la hipótesis de referencia, se utilizó una bomba de calor HP500 de Enrad, con una potencia nominal de 111 kW y un SCOP B0/W35 oficial de 3,41. Utilizando este valor, 21 perforaciones de 150 m, un intercambiador de calor doble DN32 con 25 v/v% MPG y un caudal de 0,3 l/s por perforación, se obtuvo el perfil de temperatura que se muestra a continuación.

Para ilustrar el efecto de las distintas hipótesis de eficiencia, las simulaciones se realizan con un caudal constante. Sin embargo, como se ha comentado en el capítulo anterior, sería preferible diseñar el sistema utilizando un caudal variable.

La temperatura media mínima del fluido es de 0,12 °C, justo por encima de nuestro umbral de 0 °C.

Una bomba de calor modulante

En lugar de trabajar con el valor oficial SCOP para la bomba de calor, seleccionemos ahora la bomba de calor HP500 directamente de la lista y simulemos el campo de sondeo utilizándola. A continuación se muestra el nuevo perfil de temperatura.

Inmediatamente se ve que las temperaturas son ahora más bajas que en el diseño original, bajando a -1,02°C. Esto se debe principalmente a que la media de SCOP es de 4,66 en lugar de 3,41, como se indica en la hoja de datos. Esto representa un aumento de 37% en la eficiencia, lo que incrementa el desequilibrio de 99 MWh al año a 115 MWh al año, lo que explica las temperaturas más bajas hacia el final del periodo de simulación.

La tendencia a la baja también se aprecia en el gráfico anual SCOP.

Con el descenso de las temperaturas, también disminuye la capacidad de la bomba de calor. En este caso, la bomba de calor ya no es capaz de satisfacer totalmente la demanda del edificio en el último año, ya que a -1,02 °C sólo puede suministrar unos 94 kW en lugar de los 100 kW necesarios. En GHEtool, esto se muestra como un “déficit de potencia” y se ilustra a continuación.

En este caso, esto no es realmente un problema, ya que los 6 kW que faltan se producen durante una sola hora del periodo de simulación.

Dos bombas de calor modulantes

La simulación anterior se realizó con una sola bomba de calor HP500, con una potencia nominal de 111 kW, que parecía suficiente, pero quizá ligeramente insuficiente, sobre todo hacia el final de la simulación. En esta segunda variación, se seleccionaron dos unidades HP300 más pequeñas, cada una con una potencia nominal de 60 kW, lo que da una potencia total disponible de 120 kW, ligeramente superior a la del caso anterior. A continuación se muestra la curva de eficiencia correspondiente a esta situación.

La media global de SCOP es ahora de 4,93, es decir, 6% más que en la simulación con una sola unidad HP500. Sin embargo, las temperaturas son, de nuevo debido a la mayor eficiencia, algo más bajas, alcanzando ahora -1,5°C en condiciones punta.

Un yacimiento más profundo

Como tercera variación, cambiamos el diseño del campo de sondeos para permanecer por encima del umbral mínimo de 0°C. En lugar de utilizar 21 perforaciones de 150 m, el diseño se cambia a 10 perforaciones de 250 m, lo que da como resultado una temperatura del suelo no alterada significativamente más alta. Además, una temperatura del suelo más elevada también conlleva un aumento de la eficiencia de la bomba de calor. A continuación se muestran el perfil de temperatura y la curva SCOP. Con las mismas dos unidades HP300 seleccionadas, el perfil de temperatura resultante se muestra a continuación.

Aunque la longitud total de perforación disminuyó de 3129 m a 2490 m (una disminución de 20%), la temperatura se mantiene ahora por encima de 0°C, con una temperatura media mínima del fluido de 0,2°C. Por otra parte, la media de SCOP aumentó de 4,93 a 5,14, una situación realmente beneficiosa para todos.

Conclusión

En este capítulo se ha explorado la última gran mejora en la precisión del diseño de los campos de sondeo: trabajar con eficiencias variables. Esto no sólo proporciona un diseño más preciso, ya que tanto las potencias máximas como el desequilibrio se predicen con mayor exactitud, sino que también ofrece una visión adicional de cómo influyen en la eficiencia diferentes opciones de diseño, como el uso de dos bombas de calor en una configuración en cascada en lugar de una sola unidad, y el trabajo con campos de perforación más profundos.

Preguntas

En el gráfico anterior, todos los edificios requieren una mayor profundidad de perforación cuando se utilizan 3 °C como límite mínimo de temperatura media del fluido, excepto el edificio de oficinas, que tiene un diseño idéntico en ambos casos. ¿Puede explicar por qué?

Descargas

• Descargar el perfil de carga horaria aquí.
• Descargar la simulación GHEtool de este capítulo aquí.

Referencias

• 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.
• 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