Simultaneidad

La simultaneidad es uno de los principales retos de diseño cuando hay varios usuarios finales conectados a un único sistema geotérmico. En este capítulo se presentan tanto un enfoque simplificado para tener en cuenta la simultaneidad como un enfoque más avanzado que incluye el desplazamiento de la carga, tal y como se ha implementado en GHEtool Cloud.

¿Qué es la simultaneidad?

Conocer la demanda térmica de un edificio es fundamental para diseñar campos de perforaciones geotérmicas superficiales. En el caso de un único edificio, esto resulta sencillo, ya que si el edificio cuenta con una potencia instalada de bomba de calor de 10 kW y una demanda de calefacción de 15 MWh/año, estos valores pueden utilizarse directamente también para la simulación geotérmica.

Ahora imagina un edificio de apartamentos con 25 viviendas, en el que cada una cuenta con una bomba de calor individual de 5 kW de potencia y una demanda de energía para calefacción de 7,5 MWh/año. Esto supone una potencia instalada total de 125 kW y una demanda anual de 187,5 MWh. Sin embargo, surge la pregunta: ¿debemos dimensionar el campo de perforación basándonos en el 100% de la potencia instalada, o podemos diseñarlo para una carga algo menor, ya que la probabilidad de que todas las potencias máximas coincidan es bastante reducida?

Factor de simultaneidad

Cuando se agrupan varios usuarios (por ejemplo, en un bloque de pisos) en un sistema central, los picos de demanda no suelen coincidir. Esto se debe a que las distintas viviendas tienen ocupantes diferentes (personas mayores, parejas con hijos, personas que viven solas…) y también orientaciones distintas. Como resultado, el momento en que se producen sus picos de carga varía. Este fenómeno se cuantifica mediante el concepto de factor de simultaneidad.

El factor de simultaneidad (también denominado en ocasiones «factor de diversidad») se define como la relación entre la demanda máxima de un grupo de cargas y la potencia total instalada. En la bibliografía especializada, el gráfico que se muestra a continuación, extraído del trabajo de Winter et al. (2001), es la correlación más utilizada para el factor de simultaneidad.

El gráfico ilustra claramente que, a medida que aumenta el número de unidades conectadas al sistema central, el sistema colectivo tendrá una potencia máxima resultante menor en comparación con la capacidad total instalada. En nuestro caso, con 25 apartamentos, el factor de simultaneidad es 89%, lo que significa que, de los 125 kW instalados, solo se espera que 111 kW se consuman simultáneamente. Por lo tanto, este valor ajustado podría utilizarse para el diseño del sistema geotérmico.

Históricamente, el concepto de «factor de simultaneidad» se desarrolló para el diseño de los diámetros de las tuberías en los sistemas de calefacción colectiva y para el dimensionamiento de las calderas centrales. En esos casos, el único parámetro de diseño era la potencia máxima de pico, independientemente de la duración de dicho pico. Hoy en día, sin embargo, a la hora de diseñar un campo de pozos colectivo, la duración del pico cobra una relevancia mucho mayor, por lo que a continuación se analiza el efecto de la simultaneidad sobre la duración del pico.

Duración máxima

Tal y como ya se comentó en Parte 1.4, la duración del pico es un recurso matemático para simular campos de perforaciones geotérmicas sin disponer del perfil detallado de la carga por horas. Por lo tanto, cuando se trabaja con perfiles de carga mensuales, es necesario realizar una estimación de la duración de la potencia máxima.

Cuando se agrupan varias viviendas en un único campo de perforaciones geotérmicas, no solo varía la potencia máxima de pico, sino también la duración del pico, tal y como se ilustra en la siguiente figura para el caso de tres edificios diferentes.

En el gráfico anterior se muestran los perfiles de potencia máxima individuales de tres edificios distintos. Como se puede observar, sus horas punta no coinciden, lo que da lugar a un perfil de potencia colectivo —en azul— que presenta una potencia máxima inferior a la suma de la capacidad instalada. Esto concuerda con nuestra interpretación del factor de simultaneidad, que explica por qué la demanda máxima del sistema total es inferior a la suma de las demandas máximas individuales.

Sin embargo, en lo que respecta a la duración de los picos, también se produce un cambio. Aunque cada edificio tiene la misma duración de pico individual (como muestran las barras horizontales en la parte inferior del gráfico), la duración de pico del perfil combinado difiere. No es ni la suma de las duraciones individuales —lo que sobreestimaría significativamente el valor real— ni es igual a ellas.

Por lo tanto, no basta con ajustar la potencia máxima utilizando el factor de simultaneidad y manteniendo la misma duración del pico original. Especialmente en los sistemas colectivos de mayor tamaño, la duración real del pico puede variar considerablemente y debe modificarse en consecuencia.

A continuación se analizan dos enfoques distintos para abordar este problema: el uso de una heurística o el uso del desplazamiento de carga.

Heurística

Dado que no hay bibliografía sobre cómo varía la duración del pico en función de la simultaneidad, una solución prudente consiste en recurrir a una heurística para escalar la duración del pico en los sistemas colectivos. Un enfoque que sugerimos se inspira en el teorema del límite central de la estadística. La duración del pico $PD$ del sistema colectivo puede definirse de la siguiente manera:

$$PD_{c}\propto PD_i \cdot \sqrt{n}$$

donde $n$ es el número de unidades conectadas al sistema central. El resultado se muestra en el gráfico siguiente.

Repasemos el ejemplo de los 25 pisos que hemos comentado anteriormente para ilustrar cómo funciona esta heurística:

• Número de unidades: 25
• Capacidad instalada: 125 kW (5 kW por piso)
• Demanda anual de calefacción: 187,5 MWh
• Duración máxima: 8 horas (por apartamento)

Al aplicar tanto el factor de simultaneidad como un factor de escala para la duración del pico, se obtienen los siguientes valores para el diseño real del sistema:

• Carga máxima resultante: 111 kW (con un factor de simultaneidad de 89%)
• Demanda anual de calefacción: 187,5 MWh
• Duración máxima: 40 horas (utilizando un factor de escala de $\sqrt{25}=5$)

Redistribución de la carga

Otra opción es trabajar con el concepto de desplazamiento de la carga (también denominado en ocasiones «reducción de picos»). En este caso, se parte de un perfil de carga por horas y se limita el pico (utilizando el factor de simultaneidad). La parte de la carga que supera este umbral se traslada a horas anteriores o posteriores. Al hacerlo, de hecho, se aumenta la duración del pico sin basarse únicamente en datos mensuales. A continuación se ilustra el concepto de desplazamiento de la carga.

Debe quedar claro que este concepto de desplazamiento de la carga requiere un perfil de carga por horas para su edificio. Cuando no se disponga de él, es posible crearlo en GHEtool Cloud utilizando la función ‘generar carga por horas’ (véase también Parte 1.4). Aquí también tienes la opción de limitar tu potencia máxima de pico en calefacción y refrigeración mediante el factor de simultaneidad. De este modo, la carga se desplazará automáticamente a horas más tempranas y más tardías.

¿Simultaneidad en el suelo?

Antes de pasar al método GHEtool para mostrar cómo se puede considerar la simultaneidad, analicemos otro error común sobre la simultaneidad y la interferencia. Tal y como se ha comentado en el capítulo anterior, existe una interferencia entre sistemas geotérmicos vecinos, ¿significa eso que tampoco hay simultaneidad en el subsuelo?

La respuesta corta es no. Para la respuesta larga, echemos un vistazo al gráfico que aparece a continuación.

Como se mencionó en el capítulo anterior, la interferencia es un fenómeno real y puede ser muy significativa para los sistemas vecinos, pero la escala temporal de la interferencia y la de la simultaneidad son muy diferentes. Anteriormente, hemos vuelto a analizar los efectos a largo plazo sobre la temperatura del campo de perforación (véase Parte 2.3) para tres distancias diferentes entre perforaciones. Como puede observarse, todas las líneas coinciden inicialmente, pero al cabo de uno o dos meses el caso con una distancia entre perforaciones de 6 m empieza a divergir. Esto indica el momento en que el calor ha viajado lo suficientemente lejos a través del suelo como para alcanzar la perforación vecina.

Esta escala temporal, que abarca desde meses hasta años (dependiendo de la distancia), es mucho más larga que la escala temporal en la que se produce la simultaneidad, que es inmediata o, como mínimo, se da en el plazo de una misma hora. Por lo tanto, la interferencia es relevante a largo plazo y para el desequilibrio colectivo de todos los sistemas, pero no puede utilizarse para conseguir valores de potencia máxima más bajos. Por lo tanto, podemos concluir que no existe tal cosa como la simultaneidad en el suelo.

Ejemplo en GHEtool

Para ilustrar el efecto de la simultaneidad en el diseño de campos de perforación colectivos, se analiza el caso de un edificio de viviendas con 80 apartamentos. La demanda máxima de calefacción y refrigeración de cada vivienda es de 3,4 kW y 2 kW, respectivamente (ambas con una duración máxima de 8 horas), con una demanda energética anual correspondiente de 5,1 MWh y 1,4 MWh. Cada vivienda tiene una demanda de agua caliente sanitaria de 1,6 MWh/año.

En el perfil de temperatura anterior se simula el campo de perforaciones compuesto por 88 pozos. El desequilibrio es claramente visible y, en este caso, la temperatura media mínima del fluido es de 0,06 °C.

Utilizando la fórmula del factor de simultaneidad anterior, se calcula que, con 80 unidades, la simultaneidad es de 63%. Esto reduce la carga máxima a 172 kW en calefacción y a 101 kW en refrigeración. La demanda energética anual en calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria se mantiene exactamente igual, ya que no se ve afectada por la simultaneidad. Como primer cálculo, se supone que la duración del pico se mantiene en 8 horas.

La temperatura media mínima del fluido con simultaneidad es de 1,22 °C, lo que supone un valor significativamente inferior al del caso sin simultaneidad. Sin embargo, esto se calculó suponiendo que la duración del pico se mantuviera igual. Cuando esta también se incrementa en la raíz cuadrada de 80 (~9), la duración del pico, tanto en la calefacción como en la refrigeración, pasa a ser de 72 horas. Esto reduce la temperatura media mínima del fluido a 0,9 °C, lo que sigue siendo casi 1 °C mejor que en el caso sin simultaneidad.

Con el fin de comprobar la validez del método heurístico, también se tiene en cuenta el enfoque de redistribución de la carga. En este caso, en primer lugar se convierte la carga en un perfil de carga horario utilizando el método descrito en GHEtool (tal y como se explica en Parte 1.4). A continuación se muestra el perfil de carga por hora sin simultaneidad, así como el perfil de temperatura por hora resultante.

La temperatura media mínima del fluido en el perfil que se muestra a continuación alcanza los -0,35 °C, lo que está por debajo del umbral. Sin embargo, el desvío de temperatura es de solo 1 Kh (es decir, 1 hora a 1 grado por debajo del umbral), por lo que puede ignorarse y considerarse que el dimensionamiento es correcto.

Ahora bien, al establecer la simultaneidad en 63,26%, tal y como se muestra en la captura de pantalla que figura a continuación, los picos del perfil de carga horario se limitarán a 172 kW y 101 kW para la calefacción y la refrigeración, respectivamente.

En el perfil de carga anterior, se aprecia claramente que se ha reducido la carga máxima y que, por ello, el perfil resultante presenta una forma más plana. Al simular este perfil en GHEtool, se obtiene una temperatura media mínima del fluido de 0,67 °C, lo que supone, de nuevo, una mejora de 1 °C con respecto al caso en el que no se tiene en cuenta la simultaneidad.

En el primer plano anterior, correspondiente al último periodo invernal, se observan claramente zonas en las que la temperatura del fluido y de la pared del pozo desciende de forma continua. Es precisamente ahí donde se ha ahorrado la potencia máxima, lo que ha permitido un periodo más prolongado de carga constante.

En este ejemplo, la heurística arrojó un resultado ligeramente más optimista (0,9 °C) que el método con desplazamiento de la carga (0,67 °C). Esto podría deberse a varias razones; por ejemplo, la estimación inicial de una duración máxima de 8 horas no era precisa para los apartamentos simulados. Dado que la duración máxima siempre es objeto de debate, se recomienda utilizar en su lugar el método de desplazamiento de la carga, debido a que ofrece resultados más matizados.

Conclusión

En este capítulo se ha analizado el concepto de simultaneidad en los sistemas geotérmicos colectivos. En función del número de usuarios conectados al campo de pozos central, el factor de simultaneidad disminuye, lo que da lugar a una potencia máxima resultante menor en el campo de pozos.

Para la prolongación de la duración del pico, se analizaron dos métodos: uno heurístico y el concepto de desplazamiento de la carga. En el ejemplo de GHEtool se demostró que el método heurístico ofrecía un perfil de temperatura ligeramente más optimista que el obtenido mediante el desplazamiento de carga, que resultaba más preciso. Sin embargo, ambos métodos pusieron claramente de manifiesto la ventaja que supone la simultaneidad en el perfil de temperatura resultante del campo de perforación.

Referencias

• Winter, W., Haslauer, T., Obernberger, I. (2001). Estudios sobre la simultaneidad en redes de calefacción de proximidad pequeñas y medianas. Euroheat & Power, vol. 09 y 10/2001: págs. 1-17
• Jansen, S., Verhoeven, R., Elswijk, M. (2021). Manual técnico de redes de calor y frío.
• Arnerić, J., Časni, A. Č. (2021). Estadísticas empresariales. Publicado en línea en https://bookdown.org/jarneric/spring_school/ [última visita el 20/12/2025]

Preguntas

Descargas

• Descargar la simulación GHEtool de este capítulo aquí.