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Simular sistemas híbridos

En los capítulos anteriores se presentaron tres metodologías diferentes para la optimización de sistemas geotérmicos híbridos, todas ellas basadas en el enfoque ‘borefield-first’. En este capítulo, nos centraremos en un método «hybrid-first» y en cómo se puede simular un sistema híbrido utilizando GHEtool.

Diferencia entre optimización y simulación

Los tres capítulos anteriores se centraron en la optimización de los sistemas geotérmicos híbridos; concretamente, partiendo de una determinada carga horaria del edificio y un tamaño fijo del campo de perforaciones, se optimizó el perfil de carga del campo de perforaciones en función de la potencia, la energía o el equilibrio, con el fin de maximizar la cuota geotérmica. En los tres métodos, el objetivo era dar prioridad a la carga en el campo de perforaciones y destinar el resto a otra tecnología híbrida.

A la hora de simular sistemas híbridos, el enfoque es ligeramente diferente. En lugar de aplicar toda la carga al campo de perforación por defecto, la pregunta ahora es: ‘¿Cuándo resulta beneficioso aplicar una carga adicional al sistema híbrido?’. Esto no conduce necesariamente al mismo resultado.

Para ilustrarlo, consideremos el siguiente ejemplo. Imaginemos un sistema geotérmico híbrido compuesto por una bomba de calor geotérmica (GSHP) y una bomba de calor aerotérmica (ASHP). Con las estrategias de optimización, la carga se transferirá en la medida de lo posible al campo de perforaciones, recurriendo a la ASHP únicamente cuando sea necesario. Sin embargo, puede ocurrir que, en las estaciones intermedias, cuando la temperatura exterior ya es bastante alta y la demanda de calefacción ya es menor, la eficiencia de la ASHP sea superior a la de la GSHP. En ese caso, por motivos económicos, podría resultar interesante asignar la carga primero a la ASHP y lo que quede a la GSHP, es decir, un enfoque que dé prioridad al sistema híbrido.

Dado que el método de simulación no requiere ninguna iteración (la carga se retira primero del campo de perforación y, a continuación, la simulación de la temperatura se realiza igual que en el método de ‘cálculo del perfil de temperatura’), este método suele ser más rápido que los algoritmos de optimización.

Método de simulación de sistemas híbridos

Desde el punto de vista conceptual, la simulación de sistemas híbridos en GHEtool puede realizarse de dos formas diferentes:

  1. Se trabaja con umbrales de temperatura por encima o por debajo de los cuales se activa una determinada tecnología híbrida.
  2. Limitas la potencia geotérmica máxima

A continuación se tratarán brevemente ambos temas.

Ten en cuenta que el módulo de simulación para sistemas híbridos solo permite la hibridación de la carga de calefacción y refrigeración. La demanda de agua caliente sanitaria siempre será cubierta por el campo de pozos.

Umbrales de temperatura y sistemas híbridos

La simulación de los sistemas híbridos en GHEtool Cloud se basa en umbrales de temperatura exterior. Dependiendo de si la temperatura exterior es más alta o más baja que un umbral específico, puede resultar más conveniente utilizar primero el sistema híbrido en lugar del geotérmico.

En el ejemplo explicado anteriormente, con el sistema GSHP y el ASHP, en el que el ASHP suele ser más eficiente por encima de un umbral de temperatura determinado, esto se puede simular en GHEtool definiendo el ASHP como una tecnología de calefacción híbrida. que funciona por encima de una temperatura umbral.

Otro ejemplo puede darse en el contexto de una reforma. Imaginemos un edificio escolar (no muy bien aislado) con sistemas de emisión de alta temperatura conectados a una caldera de gas. Para que el sistema de calefacción sea más sostenible, se instalan en paralelo una bomba de calor geotérmica (GSHP) y un campo de perforaciones geotérmicas, con el fin de crear un sistema geotérmico híbrido. En otoño y primavera, la bomba de calor geotérmica puede calentar este edificio perfectamente, pero cuando hace demasiado frío fuera, la caldera de gas se pone en marcha para proporcionar las temperaturas más altas necesarias. Esto se puede modelar utilizando un sistema de calefacción híbrido que funciona por debajo de un umbral de temperatura.

Un último ejemplo podría ser un edificio de oficinas, en el que la unidad de tratamiento de aire (AHU) tiene dificultades para enfriar el aire utilizando las temperaturas pasivas del campo de perforaciones cuando hace demasiado calor en el exterior. Una solución podría consistir en equipar la AHU con un componente activo que se active para proporcionar refrigeración híbrida a partir de un determinado umbral de temperatura.

También existe una cuarta opción, en la que un sistema híbrido proporciona refrigeración cuando la temperatura del aire exterior desciende por debajo de un nivel determinado. Esto podría ser, por ejemplo, la refrigeración mediante ventilación nocturna. Sin embargo, cabe plantearse si la ventilación nocturna es realmente un sistema híbrido o si se trata simplemente de una medida de control cuyo efecto ya está integrado en el perfil de demanda horario del edificio.

Si bien la metodología descrita anteriormente utiliza un umbral de temperatura fijo, también es posible aplicar este razonamiento con una temperatura del fluido variable; por ejemplo, cambiando a una bomba de calor aerotérmica cuando la temperatura del fluido (en lugar de un umbral fijo) sea más baja que la temperatura exterior.

Este enfoque se está investigando actualmente y se dará a conocer en el futuro. Conceptualmente, se sitúa a medio camino entre los métodos de simulación pura y las estrategias de optimización.

Limitar la energía geotérmica

En lugar de definir los distintos sistemas híbridos y sus respectivos umbrales de temperatura, también se puede limitar simplemente la potencia geotérmica. Por ejemplo, cuando el edificio tiene una demanda de calefacción de 100 kW, basta con limitar la potencia geotérmica a 60 kW y ver cuál será el perfil de temperatura resultante. La potencia que no pueda suministrar la bomba de calor geotérmica aparecerá como ‘potencia externa’ en los resultados.

Ejemplo en GHEtool

Para mostrar cómo funciona la simulación de sistemas híbridos en GHEtool Cloud, consideremos, por última vez, el edificio residencial de los tres capítulos anteriores. A continuación se muestra el perfil de temperatura del campo de sondeos de 5×5 sin ningún sistema híbrido.

Perfil de temperatura de un campo de perforación de 5x5 sin ningún sistema híbrido.
Perfil de temperatura de un campo de sondeos de 5×5 sin ningún sistema híbrido.

Como se puede observar, se superan tanto el límite máximo como el mínimo de temperatura del fluido, por lo que se requiere una solución híbrida tanto para la calefacción como para la refrigeración. Como primera simulación, consideremos una tecnología de refrigeración híbrida (por ejemplo, una bomba de calor aerotérmica) de 25 kW que se activa cuando la temperatura exterior supera los 20 °C, es decir, cuando hace mucho calor fuera. A continuación se muestra el perfil de temperatura resultante.

Al utilizar el módulo de simulación del sistema híbrido, es importante que el archivo meteorológico empleado coincida con el utilizado para crear el perfil de carga horario. Si el perfil de carga se generó en el propio GHEtool, esto se cumple automáticamente; sin embargo, si se creó con un software externo, es importante cargar el archivo correspondiente.
Perfil de temperatura de un campo de perforaciones de 5x5 con 25 kW de refrigeración híbrida.
Perfil de temperatura de un campo de perforaciones de 5×5 con 25 kW de refrigeración híbrida.

En el perfil de temperatura anterior, queda claro que estos 25 kW de refrigeración, con un umbral de 20 °C, son suficientes para mantener la temperatura máxima del fluido por debajo de los 17 °C. En el balance energético mensual que se muestra a continuación, se aprecia que ahora una parte significativa de la refrigeración corre a cargo del sistema híbrido.

Balance energético mensual de un sistema híbrido con 25 kW de refrigeración híbrida.
Balance energético mensual de un sistema híbrido con 25 kW de refrigeración híbrida.

El siguiente reto consiste en resolver la cuestión del límite mínimo de temperatura del fluido. Una opción podría ser utilizar estos mismos 25 kW también como tecnología híbrida para la calefacción, de modo que, por ejemplo, pueda cubrir parte de la demanda de calefacción cuando la temperatura exterior sea superior a 8 °C. La temperatura mínima del fluido resultante es ahora de solo -1,79 °C en lugar de -2,72 °C, y la solución híbrida para la calefacción cubre el 16,51 TP21T de la demanda total de calefacción. A continuación se muestra de nuevo la distribución mensual.

Balance energético mensual de un sistema híbrido con 25 kW de refrigeración y calefacción híbridas.
Balance energético mensual de un sistema híbrido con 25 kW de refrigeración y calefacción híbridas.

Para mantenerse por encima del umbral mínimo, podría ser una buena idea incorporar una tecnología híbrida por debajo de dicho umbral a todo el sistema. Esto podría ser, por ejemplo, un sistema de calefacción eléctrico que cubra las potencias máximas. Al añadir un sistema híbrido de 20 kW de este tipo, que se activa por debajo de 1 °C, se consigue el siguiente perfil de temperatura, en el que el fluido se mantiene ahora perfectamente dentro de los límites.

Ten en cuenta que, a diferencia de los métodos de optimización descritos en los capítulos anteriores, la simulación de un sistema híbrido no garantiza que la temperatura del fluido se mantenga dentro de los límites establecidos, ya que ahora se trata de un método que da prioridad al sistema híbrido.
Perfil de temperatura de un campo de perforaciones de 5x5 con refrigeración y calefacción híbridas.
Perfil de temperatura de un campo de perforaciones de 5×5 con refrigeración y calefacción híbridas.

En el gráfico circular que figura a continuación se muestran las diferentes aportaciones al sistema híbrido en su conjunto. Como se puede observar, el sistema híbrido cubre un tercio de la demanda total de calefacción y más del 50% de la demanda de refrigeración del edificio.

Distribución de la energía en el sistema híbrido.
Distribución de la energía en el sistema híbrido.

En las simulaciones anteriores, se seleccionaron los sistemas híbridos junto con sus respectivos umbrales de temperatura. Otro enfoque consiste simplemente en establecer la potencia máxima permitida para la calefacción y la refrigeración geotérmicas. Cuando la potencia máxima permitida para la calefacción geotérmica es de 25 kW y la potencia máxima para la refrigeración geotérmica es de 50 kW, se obtiene el siguiente perfil de temperatura.

Perfil de temperatura de un campo de pozos de 5x5 con la carga máxima de calefacción y refrigeración para dicho campo de pozos.
Perfil de temperatura de un campo de pozos de 5×5 con la carga máxima de calefacción y refrigeración para dicho campo de pozos.

En el gráfico de contribución energética que se muestra a continuación, queda claro que, para conseguir un sistema que se ajuste a los límites, el sistema híbrido solo debería suministrar 4% de la carga de refrigeración y 11% de la carga de calefacción. Esto difiere significativamente de los resultados anteriores y pone de manifiesto lo flexible (e intrínsecamente complejo) que es el diseño de los sistemas geotérmicos híbridos.

Distribución de la energía en el sistema híbrido utilizando un límite para la energía geotérmica.
Distribución de la energía en el sistema híbrido utilizando un límite para la energía geotérmica.

Como se desprende claramente de las diferentes simulaciones anteriores, simular un sistema geotérmico híbrido es, en realidad, una cuestión de ensayo y error, sin garantía alguna (por definición) de que se encuentre realmente la solución óptima. Por eso, este módulo de simulación no es una herramienta independiente, sino que debe considerarse como una herramienta más de tu caja de herramientas para diseñar el sistema geotérmico híbrido ideal para tu proyecto concreto.

Conclusión

En este capítulo se ha analizado la metodología para simular sistemas geotérmicos híbridos y se ha comparado con los métodos de optimización. En función de la temperatura del aire exterior, se pueden definir cuatro sistemas híbridos diferentes (calefacción y refrigeración, tanto por debajo como por encima del umbral de temperatura) con el fin de reproducir el comportamiento del sistema. Además de controlar la potencia mediante umbrales de temperatura, también es posible limitar la potencia de la bomba de calor geotérmica y del intercambiador de calor pasivo.

En un ejemplo, se demostró que existen muchas formas diferentes de seleccionar y diseñar un sistema geotérmico híbrido de tal manera que las temperaturas de los fluidos se ajusten a los límites establecidos. Esto ilustra que, a diferencia de los métodos de optimización, la simulación de sistemas híbridos requiere bastante proceso de prueba y error.

Junto con los métodos de optimización de potencia, energía y equilibrio, la opción de simular sistemas geotérmicos híbridos completa el conjunto de herramientas necesarias para comprender mejor sus sistemas híbridos y diseñarlos de forma óptima.

Preguntas

¿Podrías explicar por qué una simulación en la que solo se tiene en cuenta la potencia geotérmica máxima no es realmente un enfoque que dé prioridad a la energía híbrida?
¿En qué se relaciona la opción de limitar la potencia geotérmica máxima (en calefacción y/o refrigeración) con la opción de establecer una potencia geotérmica máxima en los métodos de optimización?
¿Por qué la combinación energética del sistema híbrido del ejemplo anterior es tan diferente cuando se trabaja con umbrales de temperatura en comparación con cuando se trabaja con la limitación de la energía geotérmica?

Descargas

  • Descargar la simulación GHEtool de este capítulo aquí.
  • Descarga el archivo CSV de la carga aquí.
  • Descargar el archivo EPW aquí.

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