¿Diseño de aplicación de aire acondicionado con bomba de calor geotérmica?

El diseño de la aplicación del aire acondicionado con bomba de calor geotérmico es muy importante. La calidad del diseño afecta directamente el uso posterior, y la forma en que se maneja cada detalle traerá resultados diferentes. Zhongda Consulting le presentará el diseño de aplicaciones de los acondicionadores de aire con bomba de calor geotérmica.

1. Introducción

Con el desarrollo de la economía y la mejora del nivel de vida de las personas, la calefacción y el aire acondicionado de edificios públicos y residencias se han convertido en una demanda común. Con la premisa de satisfacer las necesidades de salud y comodidad de las personas, la utilización racional de los recursos naturales, la protección del medio ambiente y la reducción del consumo de energía convencional se han convertido en una cuestión importante que la industria HVAC debe afrontar. El sistema de aire acondicionado con bomba de calor geotérmico logra un ahorro de energía al absorber el calor frío de la tierra (incluido el suelo, el agua de pozo, los lagos, etc.), absorber el calor de la tierra en invierno y absorber el calor frío de la tierra en verano, y luego utiliza la unidad de bomba de calor para proporcionar refrigeración y calefacción al edificio, es un nuevo tipo de sistema de aire acondicionado que utiliza energía renovable, es energéticamente eficiente, no contamina y puede usarse tanto para calefacción como para refrigeración.

2. Sistema de aire acondicionado con bomba de calor geotérmica

La bomba de calor geotérmica (Bomba de calor geotérmica) es un aire acondicionado de alta eficiencia y ahorro de energía que utiliza recursos geotérmicos subterráneos poco profundos. para proporcionar sistema de calefacción y refrigeración. El sistema extrae energía térmica del ambiente a través de una bomba de calor geotérmica para calentar el edificio o libera la energía térmica del edificio al ambiente para enfriarlo. En verano, el exceso de energía térmica se puede almacenar en el suelo para su uso en invierno. ; En invierno, el exceso de energía fría se puede almacenar en el suelo para su uso en verano. De esta manera, el intercambio de energía entre los edificios y el medio ambiente se logra utilizando las características del propio estrato. El principio se muestra en la Figura 1.

3. Ventajas y estado de aplicación de las bombas de calor geotérmicas

Debido a sus ventajas técnicas, la promoción de las bombas de calor geotérmicas tiene beneficios obvios de ahorro de energía y protección del medio ambiente. las siguientes ventajas: (1) La eficiencia operativa del sistema de bomba de calor geotérmico es aproximadamente un 40% mayor que la del sistema de aire acondicionado tradicional, lo que ahorra energía y tiene bajos costos operativos. (2) El sistema de bomba de calor geotérmico puede proporcionar calefacción, aire acondicionado y agua caliente sanitaria. Una máquina tiene múltiples usos. Un sistema puede reemplazar los dos juegos originales de caldera y aire acondicionado. (3) El desarrollo y la promoción de la tecnología de aire acondicionado con bomba de calor geotérmica pueden abolir por completo las salas de calderas de carbón pequeñas y medianas, sin combustión, sin desperdicio, sin contaminación y sin impacto en la calidad ambiental. (4) Los recursos geotérmicos superficiales poco profundos están muy extendidos y son omnipresentes. Es una fuente de energía limpia y renovable.

Con el avance de la tecnología de bombas de calor geotérmicas, a finales de 2000, había más de 400.000 sistemas de bombas de calor geotérmicas en uso en hogares, escuelas y edificios comerciales en los Estados Unidos, proporcionando aproximadamente 8.000 a 11.000 Gwh de energía terminal cada año. El diseño del sistema de aire acondicionado con bomba de calor geotérmico de mi país incluye principalmente dos partes: una es el diseño del sistema de aire acondicionado con circuito de agua en el edificio y la otra es el diseño de la parte subterránea del sistema de aire acondicionado con bomba de calor geotérmico; , es decir, la bomba de calor subterránea del sistema de bomba de calor acoplada subterránea Diseño de intercambiadores, intercambiadores de calor de agua superficial para sistemas de bomba de calor de agua superficial, sistemas de pozos para sistemas de bomba de calor de agua subterránea. El sistema de bomba de calor de acoplamiento subterráneo se aplicó por primera vez en el edificio de oficinas de la Zona de Desarrollo Minhang de Shanghai (4305 m2, carga de refrigeración 4532 kW, carga de calefacción 231 kW) que se puso en funcionamiento en octubre de 1989. Su tecnología y equipos son proporcionados por los Estados Unidos y son en buen estado. En la actualidad, en nuestro país, el sistema de bomba de calor de agua subterránea tiene una tecnología relativamente madura, tiene una mayor viabilidad de utilización y ha implementado más proyectos de ingeniería. En la actualidad, hay entre 20 y 30 fabricantes nacionales de unidades de bomba de calor con fuente de agua. Debido a que el país no ha promulgado normas técnicas de producción para unidades de bomba de calor con fuente de agua, la calidad de los productos producidos por los fabricantes nacionales varía mucho a juzgar por las muestras de productos. Algunos fabricantes, los parámetros tecnológicos son incompletos e inexactos.

4. Diseño del sistema de aire acondicionado con bomba de calor geotérmica.

1. Los sistemas de bombas de calor geotérmicos se pueden dividir en sistemas de circulación abierta, sistemas de circulación cerrados y sistemas de circulación mixta según sus formas de circulación. (1) Sistema de circulación abierta. Un sistema de ciclo abierto es aquel en el que el agua de las tuberías proviene de una fuente en un lago, río o pozo. Después de intercambiar calor con el edificio de la misma forma que en un ciclo cerrado, el agua se devuelve a su lugar original o se descarga. a otro lugar adecuado. (2) Sistema de circulación cerrado. El sistema de ciclo cerrado significa que el agua que circula en el lado de la fuente de frío (calor) forma un ciclo cerrado entre el intercambiador de calor exterior de la unidad y el intercambiador de calor de fuente terrestre.

La tubería se puede enterrar de 150 a 200 pies bajo tierra a través de un pozo vertical o de 4 a 6 pies horizontalmente, o se puede colocar en el fondo de un estanque. En invierno, el fluido de la tubería extrae el calor del suelo y lo lleva al edificio. En verano, la energía térmica del edificio se envía al subsuelo para su almacenamiento a través de tuberías utilizadas como tuberías de polietileno de alta densidad. Otras tuberías anticorrosión como materiales de transporte y intercambiadores de calor de fuente terrestre. El sistema de circulación cerrado es un sistema de circulación convencional relativamente estable y confiable que no contamina las aguas subterráneas ni el medio ambiente subterráneo. A este sistema de circulación se le debe dar prioridad en el diseño general. (3) Sistema de circulación mixta. El intercambiador de calor subterráneo del sistema de circulación mixta generalmente se calcula en función de la carga de calor, y la carga de enfriamiento adicional requerida en verano la proporciona una torre de enfriamiento convencional. Para condiciones subterráneas especiales, como espacio insuficiente para el intercambio de calor subterráneo o dificultad para enterrar las tuberías verticales, se puede considerar el diseño de un sistema de circulación mixta.

2. Discusión de los parámetros de diseño del sistema. En cuanto al caudal de agua en el lado de la fuente de calor (fría), está determinado por la ganancia máxima de calor y la liberación máxima de calor. La selección de la velocidad del agua en la tubería enterrada depende de la duración del proceso de circulación de la tubería enterrada, el material de la tubería enterrada, el diámetro de la tubería, las condiciones locales de la fuente del suelo y las características de la unidad. En términos generales, si aumenta la velocidad del flujo de agua, puede aumentar adecuadamente el coeficiente de transferencia de calor, fortalecer la cantidad de transferencia de calor y reducir el área de intercambio de calor y los consumibles del tubo de intercambio de calor. Sin embargo, si el caudal es demasiado rápido, Aumentará el consumo de energía de la bomba de agua en circulación. Generalmente, el caudal es de 0,65 a 1,5 m/s. Específicamente, el análisis y el diseño de optimización se pueden llevar a cabo en condiciones locales. Las relaciones de parámetros consideradas en el diseño óptimo son las siguientes. Consumo de energía compuesto N = f (longitud LLT, material de la tubería enterrada Ma, diámetro de la tubería D, temperatura de la fuente subterránea Te, índice de calor de la fuente subterránea Ke, características de la unidad Tipo). Al seleccionar la unidad, configure la temperatura del agua de entrada de la tubería subterránea. la medida La diferencia de temperatura entre el agua de entrada y salida medida en el pozo se utiliza para calcular la temperatura del agua de salida de la tubería subterránea, y luego se determinan la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación del medio de trabajo en la unidad de bomba de calor en invierno. En definitiva, nuestro país tiene un territorio extenso y está situado en una zona templada. Las condiciones climáticas varían mucho en las distintas regiones, y sus cargas también son muy diferentes. Por lo tanto, no podemos copiar los logros tecnológicos extranjeros, sino que debemos desarrollar tecnologías adecuadas a las características climáticas de nuestro país.

3. Diseño de la unidad. Existen muchas formas de bombas de calor geotérmicas, entre las cuales la más comercializada es la bomba de calor por compresión de vapor. Tomando como ejemplo el sistema agua-agua, consta de una unidad exterior y varias unidades interiores. Este sistema puede ajustar individualmente cada sala de aire acondicionado para cumplir con los requisitos de cada sala de aire acondicionado y tiene un buen efecto de ahorro de energía. El sistema de aire acondicionado doméstico con bomba de calor de fuente terrestre de frecuencia variable más un sistema de aire fresco independiente es un sistema de aire acondicionado central doméstico ideal, cómodo y que ahorra energía, con grandes perspectivas de desarrollo, por lo que su diseño optimizado es de un valor extremadamente importante. El método de diseño de sistemas de refrigeración tradicional se basa principalmente en la experiencia y los experimentos. Por lo general, el método de diseño empírico es simple y fácil de implementar y depende relativamente poco del conocimiento teórico y las condiciones experimentales. Sin embargo, el método de diseño empírico inevitablemente tiene las deficiencias de franqueza, baja confiabilidad y poca estabilidad, y solo es adecuado para el desarrollo preliminar de productos. Las técnicas de diseño óptimas basadas en predicciones teóricas pueden resultar eficaces.

El método de optimización es un método para seleccionar la mejor solución entre todas las soluciones factibles. En el diseño óptimo, todas las variables independientes que caracterizan el plan son variables de diseño, y el método de optimización es un método para estudiar cómo determinar razonablemente estas variables. El índice para evaluar la calidad de un programa está determinado por las variables de diseño seleccionadas del programa, es decir, el índice es una función de las variables de diseño: la función objetivo. En el diseño de optimización de sistemas, los valores de las variables de diseño a menudo están restringidos por diversas condiciones, es decir, restricciones. El sistema de aire acondicionado doméstico con bomba de calor de fuente terrestre de frecuencia variable consta de un compresor de frecuencia variable, un condensador, un evaporador, una válvula de expansión electrónica, una unidad interior, una tubería de refrigerante y un sistema de tuberías de bomba de agua. Según la teoría termodinámica del sistema de refrigeración, el modelo matemático de cada componente del sistema y las ecuaciones dinámicas de los parámetros de operación se establecen mediante el método de distribución e interrelación dinámica de parámetros, formando un conjunto de ecuaciones para los parámetros de operación del sistema. y se realiza la simulación dinámica del sistema. Simule las características dinámicas del sistema para proporcionar una base para un diseño óptimo. Para cumplir con el ahorro de energía, el confort térmico y los buenos efectos de enfriamiento y calefacción del sistema de aire acondicionado, el índice de eficiencia energética, la tasa de caída (aumento) de temperatura y el rango de caída (aumento) de temperatura del sistema de aire acondicionado deben cumplir con los requisitos del índice. . Por lo tanto, al optimizar el diseño, se selecciona un método de optimización multiobjetivo como función objetivo del índice de eficiencia energética, la tasa de reducción (aumento) de la temperatura y la amplitud de la reducción (aumento) de la temperatura.

Al mismo tiempo, los requisitos para satisfacer restricciones tales como la estructura del condensador y del evaporador, el rango de área, el rango de velocidad del viento frontal, el rango de cambio de presión y temperatura del sistema, el rango de flujo de agua y refrigerante, el rango de subenfriamiento y sobrecalentamiento, y el número de espacios interiores. También se consideran las unidades y se utiliza el método de optimización. Se realizan cálculos de optimización de objetivos múltiples sobre los objetivos anteriores para lograr el propósito de un diseño óptimo de sistemas de bombas de calor geotérmicos en diferentes regiones.

4. La forma y disposición del intercambiador de calor subterráneo de la bomba de calor geotérmica. El intercambiador de calor del suelo es la clave para el diseño de la unidad de bomba geotérmica. Existen muchas formas de intercambiadores de calor de suelo geotérmico, como tuberías enterradas horizontales, tuberías enterradas verticales, etc. Cada uno de estos dos tipos de tuberías enterradas tiene sus propias características y entornos de aplicación. El uso de tuberías verticales enterradas en China muestra sus ventajas: ahorra superficie de terreno y tiene un buen rendimiento de intercambio de calor. Puede instalarse debajo de cimientos de edificios, carreteras, espacios verdes, plazas, parques infantiles, etc., sin afectar la función de la parte superior. Incluso se puede instalar debajo. Se instalan tuberías enterradas en los cimientos de pilotes de los edificios para aprovechar al máximo la superficie de terreno disponible. A continuación se presenta una breve discusión sobre el diseño de intercambiadores de calor de tubos enterrados verticales.

(1) Material y profundidad de tubería enterrada vertical. Es mejor utilizar tuberías de plástico como material para tuberías enterradas. En comparación con las tuberías de metal, las tuberías de plástico tienen las ventajas de resistencia a la corrosión, fácil procesamiento, rendimiento de transferencia de calor que puede cumplir con los requisitos de intercambio de calor y bajo precio. -tuberías de polietileno de densidad (tubería de PE), tubería de aluminio-plástico, etc. Los diámetros de las tuberías enterradas verticales también se pueden seleccionar en diferentes tamaños, como DN20, DN25, DN32, DN50, etc. La tubería enterrada vertical se puede determinar de acuerdo con las condiciones geológicas locales y puede oscilar entre 20 y 200 m. La determinación de la profundidad debe tener en cuenta el espacio del piso, el equipo de perforación, los costos de perforación y la escala del proyecto. Si la capa superficial del suelo es muy gruesa y el costo de perforación es relativamente barato, es mejor utilizar tuberías enterradas verticales más profundas; de lo contrario, utilice tuberías enterradas poco profundas; La distancia entre tuberías enterradas es generalmente de 5 a 6 metros o más, y se deben tener en cuenta la geología local y las condiciones de transferencia de calor del suelo.

(2) Relleno y sensibilidad del intercambiador de calor de tubos verticales enterrados. La formación del intercambiador de calor de tubo enterrado vertical consiste en perforar agujeros desde el suelo hasta la profundidad esperada, bajar el tubo preparado en forma de U dentro del agujero y luego rellenar el agujero con diferentes materiales. Utilice tuberías horizontales de recolección de agua y tuberías de distribución de agua cerca de la superficie para conectar todas las tuberías en forma de U en paralelo para formar un intercambiador de calor subterráneo. Dependiendo de la estructura geológica, el material de relleno puede ser hormigón moldeado, arena y grava de relleno o tierra de relleno. La selección de materiales debe tener en cuenta factores como el costo del proyecto, el rendimiento de la transferencia de calor y la conveniencia de la construcción. Según pruebas reales, el hormigón moldeado tiene el mejor rendimiento de transferencia de calor, pero el costo es alto y la construcción es difícil. Sin embargo, se puede construir junto con cimientos de pilotes.

(3) La atenuación de la transferencia de calor en intercambiadores de calor de tubos enterrados verticales. La temperatura del agua circulante que fluye en el intercambiador de calor de tubos enterrados verticales cambia constantemente. Cuando las condiciones de enfriamiento están en progreso en verano, debido al aumento en la temperatura del suelo de almacenamiento de calor, la temperatura del agua continúa aumentando cuando la unidad está funcionando y desciende cuando se apaga. Cuando la ganancia de calor del edificio alcanza su máximo, el agua. la temperatura sube hasta el punto más alto. Lo contrario ocurre durante el funcionamiento de calefacción en invierno, a medida que la temperatura del suelo de calefacción desciende, cuando el edificio pierde la mayor cantidad de calor, la temperatura del agua en el intercambiador de calor alcanza el punto más bajo. Esto es especialmente grave en el caso de tubos enterrados. Al diseñar, primero se deben establecer las temperaturas máxima y mínima del agua que circula en el tubo enterrado del intercambiador de calor. Debido a la incrustación de la superficie y otros efectos de los intercambiadores de calor de tubos enterrados, se debe considerar la atenuación durante el diseño y el valor establecido debe seleccionarse mediante comparación económica para seleccionar el punto de estado óptimo.

V. Conclusión

La bomba de calor geotérmica, como método de aire acondicionado respetuoso con el medio ambiente y que ahorra energía, es una tecnología de utilización integral de la energía, interprofesional e interdisciplinaria, que requiere la Capacitación del personal profesional y técnico relevante. Trabajar juntos para completar todos los aspectos del diseño, instalación, operación y mantenimiento de unidades de bomba de calor geotérmica. En la última década, especialmente en los últimos cinco años, los sistemas de aire acondicionado con bomba de calor geotérmica han logrado un rápido desarrollo en América del Norte, como el mercado de bombas de calor geotérmicas de Estados Unidos, Canadá, Francia, Suiza, Suecia y otros países. También se vuelve cada vez más activo. Se puede esperar que esta tecnología se convierta en la tecnología de aire acondicionado de calefacción y refrigeración más eficaz del siglo XXI.

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