En el capítulo anterior se analizaron las ventajas de contar con un sistema geotérmico híbrido, así como los retos que plantea su diseño. En este capítulo se abordará la primera estrategia de optimización para dimensionar sistemas geotérmicos híbridos, concretamente la metodología que permite optimizar la potencia geotérmica máxima.
Sistema híbrido optimizado para la potencia
Cuando el campo de perforación se optimiza para obtener la máxima potencia geotérmica, el objetivo de diseño es el siguiente:
Maximiza la potencia de calefacción, refrigeración y/o agua caliente sanitaria que puedes inyectar en el suelo o extraer de él en todo momento durante el periodo de simulación.
Por lo tanto, la filosofía de diseño de la metodología se reduce a crear un campo de perforaciones que no ofrezca potencial de potencia, sino únicamente de energía. De este modo se garantiza que, si se instalan x kW de calefacción, refrigeración o agua caliente sanitaria geotérmicos, esta potencia instalada pueda utilizarse durante todo el periodo de simulación. A continuación se muestra un ejemplo del perfil de temperatura resultante tras la optimización de la potencia.
Como se puede observar en el perfil de temperatura anterior, la temperatura del fluido alcanza ambos límites de temperatura, lo que indica que ya no queda potencial geotérmico para la generación de energía.
La ventaja de este algoritmo es que simplifica considerablemente el diseño general del sistema híbrido. Si el edificio tiene, por ejemplo, una demanda de calefacción de 100 kW y la optimización indica que se pueden obtener 60 kW de energía geotérmica durante todo el periodo de simulación, la tecnología híbrida puede diseñarse simplemente para suministrar los 40 kW restantes, evitando así cualquier sobredimensionamiento del sistema.
Es importante señalar que la afirmación de que la potencia optimizada está siempre disponible durante el periodo de simulación parte del supuesto de que el el perfil de carga se mantiene igual. Si diseñas tu sistema híbrido de acuerdo con un perfil de carga determinado, el algoritmo garantiza, efectivamente, que la potencia calculada esté siempre disponible durante el periodo de simulación. Cuando este perfil cambia, ya no es posible garantizarlo.
De hecho, este razonamiento es exactamente el mismo que se aplica al diseñar cualquier sistema geotérmico con una carga horaria: para una distribución horaria concreta, se pueden mantener los límites de temperatura, mientras que otro perfil de carga podría dar lugar a un campo de perforaciones de dimensiones insuficientes.
Algoritmo Optimisation
Dado que el diseño de sistemas geotérmicos híbridos no es sencillo y, en ocasiones, puede dar lugar a resultados sorprendentes, es importante comprender a fondo el algoritmo de optimización subyacente. A continuación se explica el razonamiento algorítmico.
- Comienza con un perfil de demanda por hora de calefacción, refrigeración (y, opcionalmente, agua caliente sanitaria) y un diseño determinado y fijo del campo de pozos.
- Calcula el perfil horario de temperatura con el 100% de la demanda del edificio que satisface el campo de perforaciones geotérmicas.
- Compruebe si:
- La temperatura mínima del fluido está por debajo del umbral establecido.
Si es así, la potencia de extracción es demasiado alta, por lo que debería reducirse limitando bien la calefacción, bien la demanda de agua caliente sanitaria. Dependiendo de cuál se desee reducir primero, la calefacción o la demanda de agua caliente sanitaria se reducirá en x% durante toda la simulación.
Si la temperatura mínima del fluido supera el umbral, el campo de perforaciones geotérmicas puede satisfacer la demanda actual de calefacción y agua caliente sanitaria. - La temperatura máxima del fluido es superior al umbral establecido.
Si es así, la potencia de inyección es demasiado alta, lo que significa que la potencia de refrigeración debería reducirse en x% para toda la simulación.
Si la temperatura máxima del fluido está por debajo del umbral, el campo de perforación puede soportar la inyección y no es necesario realizar ningún cambio.
- La temperatura mínima del fluido está por debajo del umbral establecido.
- Si ambas temperaturas del paso (3) se encuentran dentro de los límites, se determinan las cargas geotérmicas e híbridas, y el algoritmo pasa al paso (7). Si se supera al menos uno de los umbrales de temperatura, el algoritmo continúa con el paso (5).
- Vuelve a calcular la carga por hora del campo de pozos utilizando las nuevas potencias máximas de pico para calefacción, refrigeración (y agua caliente sanitaria) determinadas en el paso (3). Desvía la potencia o la energía que el campo de pozos no pueda gestionar hacia la tecnología híbrida.
- Vuelva a calcular el perfil horario de temperatura y regrese al paso (3).
- Hecho.
Para explicarlo de forma gráfica, el algoritmo busca la potencia máxima de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria en la curva de carga-duración y ajusta la carga a dicha potencia. Todo lo que esté por debajo de esta potencia máxima puede ser suministrado por el campo de perforaciones, mientras que el área no sombreada debe ser cubierta por otra fuente.
En el perfil anterior se puede observar que la potencia máxima para la calefacción está limitada a unos 20 kW y la de la refrigeración a unos 45 kW, mientras que el agua caliente sanitaria puede suministrarse íntegramente mediante la bomba de calor geotérmica, con una potencia máxima de 30 kW.
Ejemplo en GHEtool
Para ilustrar la eficacia de este método, se analizará un edificio residencial con una potencia de calefacción de algo menos de 50 kW y una potencia de refrigeración de 100 kW, con una demanda anual de 92,5 MWh y 24 MWh, respectivamente. Además, se tiene en cuenta la demanda horaria de agua caliente sanitaria, con una potencia máxima de 30 kW y una demanda anual de agua caliente sanitaria de 60 MWh.
El intercambiador de calor subterráneo es un tubo en U doble de DN32, con 25 v/v% de MPG y un caudal variable basado en una diferencia de temperatura de 3 °C a través de la bomba de calor. Las temperaturas medias mínimas y máximas del fluido son de 0 °C y 17 °C, respectivamente, a lo largo de un periodo de 40 años.
Cuando el campo de perforaciones debe suministrar 100% de la carga, se requiere un campo de perforaciones con 40 pozos de 100 m de profundidad. Lamentablemente, no se dispone de ese espacio (ni de ese presupuesto) para este proyecto, por lo que la pregunta es: ¿qué porcentaje de energía geotérmica se puede obtener con un máximo de 30 pozos?.
Para empezar, se considera un campo de perforaciones de 5×5 pozos de 100 m de profundidad. Como era de esperar, el tamaño de este campo de perforaciones es demasiado pequeño, tal y como se aprecia en el perfil de temperatura anterior, en el que se superan tanto el umbral mínimo como el máximo de temperatura del fluido. Es evidente que, en este caso, se requiere un sistema híbrido.
Cuando este sistema híbrido se diseña y optimiza para obtener la máxima potencia, se obtiene el siguiente resultado.
En el caso de los pozos de 5×5, el sistema geotérmico puede seguir cubriendo toda la demanda de agua caliente sanitaria, así como 89,51 TP21T de la demanda total de calefacción, con una potencia máxima de 25 kW. Se necesitan otros 22,5 kW de una tecnología de calefacción híbrida para cubrir los 10,51 TP21T restantes de la demanda de calefacción. Casi toda la refrigeración (97%) también puede ser suministrada por el campo de perforaciones geotérmicas, pero se necesita un sistema híbrido con una potencia de 43 kW para cubrir los picos máximos de refrigeración en verano.
A continuación se muestra el perfil de temperatura resultante, en el que, efectivamente, ya no queda ningún potencial de potencia.
Con el fin de reducir aún más el coste de inversión, el tamaño del campo de perforación se ha reducido a 20 pozos dispuestos en una cuadrícula de 4 por 5. A continuación se muestra la distribución de energía resultante para el sistema híbrido.
Cuando se reduce el tamaño del campo de perforación, la cuota geotérmica desciende a 73% en calefacción y a 92% en refrigeración, manteniéndose la misma cuota de 100% en la producción de agua caliente sanitaria. Si se reduce aún más el campo de perforación a 16 pozos —lo que supone una disminución de 60% con respecto a los 40 pozos originales—, el campo de perforación sigue siendo capaz de cubrir 57% de la carga de calefacción, 851 TP21T de la carga de refrigeración y 1001 TP21T de la demanda de agua caliente sanitaria. A continuación se muestra la curva de duración de la carga para este caso de 4×4.
Esto demuestra claramente las ventajas de optar por un sistema geotérmico híbrido: incluso con un campo de perforaciones considerablemente más pequeño, se puede cubrir una parte importante de la demanda del edificio a partir de dicho campo.
Cuando se mantiene el mismo campo de perforaciones 4×4, pero la optimización se configura ahora de modo que se reduzca primero la demanda de agua caliente sanitaria y, posteriormente, la carga de calefacción, se obtiene el siguiente porcentaje de aportación geotérmica.
Con esta configuración, todo el consumo de agua caliente sanitaria se cubre mediante un sistema híbrido, así como el 3,14% de la demanda de calefacción. Esto se debe a que no basta con reducir el consumo de agua caliente sanitaria a 0 kW para mantener las temperaturas del fluido durante la extracción dentro de los límites establecidos. Por lo tanto, es necesaria una reducción adicional de la potencia de calefacción. La proporción de refrigeración geotérmica es del 78,41 TP21T. A continuación se muestra el perfil de temperatura resultante, que es muy similar al obtenido en la optimización con 5×5 perforaciones.
Al observar el perfil de temperatura anterior, se aprecia que ya no queda potencial geotérmico para la generación de energía, ya que la temperatura del fluido alcanza tanto el límite máximo como el mínimo. Sin embargo, sigue habiendo un potencial energético considerable, más concretamente para calefacción en los primeros años y para refrigeración en los años posteriores. Esto se tratará en el siguiente capítulo, que aborda la optimización de los sistemas híbridos para obtener el máximo rendimiento energético.
Conclusión
En este capítulo se ha presentado la primera metodología para diseñar un sistema geotérmico híbrido que permita obtener la máxima potencia. Al reducir la potencia máxima de pico en calefacción, agua caliente sanitaria y/o refrigeración en la curva de duración de la carga, se puede obtener un perfil de carga tal que el perfil de temperatura resultante se mantenga siempre dentro de los límites de temperatura.
La ventaja de la optimización para la potencia máxima es que no sobredimensiona todo el sistema híbrido. La energía geotérmica que calcula está disponible, de hecho, durante todo el periodo de simulación, por lo que el sistema híbrido puede dimensionarse simplemente para suministrar la energía que el sistema geotérmico no pueda cubrir.
El inconveniente de este método es que deja sin aprovechar parte del potencial geotérmico para la generación de energía. Esto se tratará en el capítulo siguiente.
Referencias
- Peere, W. (2025). Tres formas de diseñar un sistema híbrido de calefacción y refrigeración geotérmica para un edificio de oficinas. En Actas de la Conferencia Geo-Rin. Benasque (España), del 2 al 6 de junio de 2025. [en línea]