En nuestra primera parte, mencionábamos que se pueden utilizar distintos perfiles de carga para una simulación de un campo de sondeo: mensual y horaria. Aunque las simulaciones mensuales son fáciles de empezar, no ofrecen el mismo nivel de conocimiento que una simulación horaria. En este capítulo analizaremos las ventajas de utilizar perfiles de carga horarios en lugar de mensuales.
Perfiles de carga horaria
En Parte 1.4, En la sección "Perfiles de carga", se analizaron los dos tipos de perfiles de carga: perfiles de carga mensuales, con valores mensuales para la carga base y la potencia punta tanto de calefacción como de refrigeración, y perfiles de carga horarios, en los que se da un valor para la calefacción, la refrigeración (y la demanda de agua caliente sanitaria) para cada hora. A continuación se ofrece un ejemplo de perfil de carga horaria.
La ventaja de trabajar con una resolución horaria es que tenemos una buena idea de cómo es el perfil de carga real, cuándo se produce la calefacción y la refrigeración y cuál es la duración de los picos de potencia. Como veremos más adelante, este último parámetro en particular tiene un impacto significativo en los resultados de la simulación mensual.
Dos casos
Para ilustrar los conocimientos adicionales que pueden obtenerse al diseñar un campo de sondeo con cargas horarias frente a mensuales, se analizarán dos edificios diferentes.
- Un edificio de apartamentos con un pozo colectivo. Este edificio presenta un desequilibrio significativo en la extracción debido a una mayor demanda de calefacción y agua caliente sanitaria.
-
Un edificio de auditorios, que tiene una demanda pico de refrigeración elevada (ya que el sistema es todo aire en refrigeración), pero sigue mostrando un desequilibrio general en la extracción.
Ambos edificios se simularon dinámicamente, por lo que se dispone de perfiles de demanda horaria de calefacción y refrigeración. Los valores anuales de calefacción y refrigeración, así como sus respectivas potencias máximas, figuran en la tabla siguiente.
| Edificio | Potencia | Energía anual | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Calefacción | Refrigeración | Calefacción | Refrigeración | ACS | |
| Edificio de viviendas | 62 kW | 77 kW | 120 MWh | 19 MWh | 60 MWh |
| Edificio del auditorio | 32 kW | 90 kW | 38 MWh | 3,9 MWh | - |
Al realizar la simulación utilizando tanto perfiles de carga horaria como valores anuales, eliminamos todas las demás incertidumbres y podemos centrarnos únicamente en las diferencias de diseño derivadas del uso de diferentes resoluciones de carga. A continuación se analizan tanto el edificio de viviendas como el del auditorio.
Edificio de viviendas
Como se desprende de la propia demanda del edificio, existe un desequilibrio importante en este campo de sondeos de unos 116 MWh al año en extracción. Sin embargo, este campo de sondeos está ligeramente más limitado por la demanda de refrigeración del primer año (temperatura máxima de 16,92 °C) que por la demanda máxima de calefacción del año 25 (2,63 °C).
Si hacemos la misma simulación con el perfil de carga real por hora, vemos que el mismo campo de sondeo es suficiente (así que nuestro diseño era correcto), pero por un motivo ligeramente distinto. Aquí, la temperatura máxima mínima en calefacción es de 2,09 °C, y en refrigeración, de 16,36 °C. Mientras que antes creíamos que la demanda de refrigeración era el verdadero factor limitante de nuestro diseño de campo de sondeo, ahora está claro que la calefacción es el verdadero factor limitante.
¿De dónde procede esta diferencia? La duración máxima.
Con los datos horarios, vemos que el pico de temperatura de refrigeración sólo se produce durante una hora, con la segunda temperatura más alta ya por debajo de los 16 °C. Suponer que el pico de potencia duró 8 horas fue, en este caso, una sobreestimación. En la figura siguiente se muestra un primer plano.
En el caso de la demanda máxima de calefacción, la situación es la contraria: como el edificio utiliza calefacción por suelo radiante, la temperatura se mantiene baja durante un periodo mucho más largo (como muestra la figura siguiente). En este caso, una duración máxima de 8 horas para la calefacción era en realidad una subestimación.
Edificio del auditorio
Para el edificio del auditorio, también se realizó una simulación inicial con una resolución mensual, con una demanda máxima de 32 kW para calefacción y 90 kW para refrigeración, y unas demandas anuales de 38 MWh y 3,9 MWh respectivamente. Como se muestra en la figura siguiente, este campo de sondeos está claramente limitado por el pico de demanda de refrigeración del primer año, y se necesitan 9×4 sondeos, cada uno de 150 m de profundidad, para satisfacer las necesidades del edificio. La temperatura media máxima del fluido alcanza los 16,85 °C.
Cuando se realiza la misma simulación con una resolución horaria, se obtiene el perfil siguiente. En este caso, la temperatura máxima desciende a 16,16 °C, lo que indica que el tamaño necesario del campo de sondeo se sobrestimó (significativamente) en la simulación mensual. Dado que el sistema de refrigeración del auditorio es totalmente neumático, la potencia máxima suele ser muy variable y tiene una duración máxima relativamente corta.
Dado que el campo de sondeos está ahora sobredimensionado, podríamos intentar reducir significativamente su tamaño. Al utilizar un campo de sondeo de 7×4 perforaciones (reduciendo el coste de inversión en 22%), obtenemos un sistema que alcanza una temperatura media máxima del fluido de 17,69 °C, ligeramente por encima del umbral permitido. Sin embargo, gracias a la resolución horaria de los datos, podemos ver (como se muestra en la figura siguiente) que este pico de temperatura sólo se produce una vez durante toda la simulación, mientras que los demás picos de temperatura se mantienen muy por debajo de los 17 °C.
Gracias a esta resolución horaria, podemos reducir con seguridad el tamaño necesario del campo de sondeo y evitar un sobredimensionamiento antieconómico.
Conclusión
En este capítulo se ha comparado el diseño con perfiles de carga mensuales y horarios. Se demostró que es posible obtener diseños correctos con ambas resoluciones. Sin embargo, debido a la estimación de la duración de la punta cuando se trabaja con una resolución mensual, se pierde cierto nivel de matiz relacionado con las temperaturas mínimas y máximas.
Con un perfil horario, puede ver claramente durante cuánto tiempo se alcanza una determinada temperatura crítica y, basándose en su mejor criterio, tomar decisiones de diseño en consecuencia. Por ejemplo, si un umbral solo se supera durante 1 o 2 horas, dada la incertidumbre inherente al perfil, puede que no tenga sentido dimensionar el sistema para ello.
Cuando se trabaja con cargas mensuales, sólo se ve una única temperatura crítica y no cuántas horas dentro del mes se produce. Debido a esta falta de detalles, resulta más difícil evaluar si el campo de sondeo está sobredimensionado o infradimensionado.
En general, es preferible diseñar con datos horarios debido a su mayor nivel de detalle. Este nivel de detalle puede mejorarse utilizando modelos más avanzados y precisos, como se explica en los capítulos siguientes, empezando por propiedades variables de los fluidos.
Pregunta
Descargas
- Descargar la simulación GHEtool de este capítulo aquí.
- Descargar el perfil de carga horaria del auditorio y residencial edificio.
Referencias
- Peere, W., Hermans, L., Boydens, W. y Helsen, L. (2023). Evaluación del sobredimensionamiento y la velocidad computacional de diferentes métodos de dimensionamiento de yacimientos de código abierto. En Actas de la 18ª Conferencia IBPSA, Shanghai, China, 4-6 de septiembre de 2023, https://doi.org/10.26868/25222708.2023.1287