Diseño de un sistema de bomba de calor con fuente de agua para el nuevo edificio experto del Beijing Friendship Hotel

(1) Instituto de Investigación de Aire Acondicionado de la Academia de Ciencias de la Construcción de China 2. Compañía de Desarrollo y Exploración Geológica y Mineral de Beijing)

Resumen: Con el desarrollo del aire acondicionado Con el desarrollo de la tecnología, los sistemas de bomba de calor con fuente de agua se utilizan cada vez más. En los edificios existentes de gran escala, generalmente se adopta la refrigeración en verano y la calefacción en invierno, y rara vez se proporciona calentamiento de agua caliente sanitaria al mismo tiempo que la refrigeración en verano. El sistema de bomba de calor con fuente de agua en el Edificio Experto del Hotel Friendship no solo se utiliza para aire acondicionado en verano, sino que también proporciona agua caliente sanitaria para todo el parque del hotel. El diseño considera plenamente el equilibrio entre calefacción y refrigeración.

Con sus ventajas de ahorro de energía y usos múltiples, el sistema de bomba de calor con fuente de agua se usa ampliamente en sistemas de aire acondicionado de diversos proyectos. El sistema de bomba de calor con fuente de agua utiliza agua subterránea poco profunda como fuente de agua de refrigeración para el aire acondicionado en verano y luego la recarga en el suelo en invierno, el agua subterránea se utiliza como la fuente de calor más grande y la unidad de bomba de calor aporta parte de la electricidad; para proporcionar calor al sistema de calefacción. En la actualidad, el proyecto de bomba de calor con fuente de agua básicamente implementa un sistema para uso en invierno y verano. Sin embargo, cuando se usa en verano, la energía de enfriamiento del agua del pozo se usa y luego se descarga directamente al suelo. Sin embargo, si se puede utilizar como calor para producir agua caliente sanitaria, se mejorará aún más el ahorro de energía del sistema de bomba de calor con fuente de agua.

1 Descripción general del proyecto

Beijing Friendship Hotel es el hotel con jardín de cuatro estrellas más grande de Asia, ubicado en la calle Zhongguancun, el núcleo del parque de alta tecnología Zhongguancun. El edificio experto de nueva construcción está ubicado en el sur del parque del hotel, con una superficie total de construcción de 12724m2. , incluida la nueva piscina y cancha de tenis, con una superficie total de construcción de 21734m? . Según los cálculos, la carga de aire acondicionado de todo el nuevo proyecto es de 2.537 kW en verano y de 3.277,4 kW en invierno. El final del edificio experto utiliza un sistema de calefacción y un fancoil más un sistema de aire fresco, y la piscina utiliza un sistema de calefacción por suelo radiante. La carga que soporta toda la sala de computadoras es la siguiente:

Energía geotérmica poco profunda: Actas de la Conferencia Nacional de Intercambio de Experiencia de Campo sobre Desarrollo y Utilización de Geotermia (Energía Geotérmica Superficial)

Continuación

2 Diseño del sistema

De acuerdo con los requisitos de Friendship Hotel, el diseño del sistema debe cumplir con los siguientes requisitos:

(1) Puede cumplir con la calefacción en invierno y necesidades de refrigeración en verano del edificio experto y edificios auxiliares; consumo de agua caliente sanitaria en el parque en verano y demanda de agua caliente sanitaria en el edificio experto durante todo el año.

(2) La calefacción de invierno del edificio de expertos se divide en dos partes: la unidad de bomba de calor con fuente de agua de baja temperatura (R22) proporciona agua caliente para el sistema de aire fresco del fan-coil y la calefacción de alta temperatura. la unidad de bomba de calor con fuente de agua de alta temperatura (R134a) proporciona agua caliente para el sistema de calefacción.

(3) La unidad de bomba de calor con fuente de agua de alta temperatura también proporciona agua caliente sanitaria al edificio experto en invierno y al la unidad de alta temperatura se enciende para proporcionar agua caliente al edificio experto en la temporada de transición;

(4) La unidad de alta temperatura tiene prioridad en verano. Se proporciona calefacción de agua caliente sanitaria y se suministra capacidad de refrigeración a el sistema de aire acondicionado y la capacidad de refrigeración restante la proporciona la unidad de baja temperatura. Con base en los principios anteriores, el sistema está diseñado de la siguiente manera (Figura 1):

Para cumplir con los requisitos de operación de diferentes estaciones, el sistema debe implementarse cambiando válvulas y arrancando y deteniendo diferentes bombas. . Durante el funcionamiento, se divide en las siguientes condiciones de funcionamiento:

(1) En verano, las válvulas V1, V3, V5 y V7 están abiertas, y V2, V4, V6, V8, V9 y V10. están cerrados. La unidad de alta temperatura garantiza el uso del calor para el agua caliente sanitaria en el parque. El exceso de capacidad de refrigeración ingresa al sistema de circulación de agua de aire acondicionado del edificio experto, y la capacidad de refrigeración insuficiente se complementa con la unidad de baja temperatura. El agua de pozo se utiliza únicamente para proporcionar agua de refrigeración a las unidades criogénicas. El sistema de calefacción del edificio especializado está apagado durante el verano.

(2) En invierno, las válvulas V2, V4, V6, V8, V9 y V10 están abiertas, y V1, V3, V5 y V7 están cerradas. Tanto la unidad de alta temperatura como la unidad de baja temperatura utilizan agua de pozo como fuente de calor. La unidad de baja temperatura proporciona calor para los sistemas de aire acondicionado y aire fresco fan-coil del edificio experto y del edificio auxiliar, y la unidad de alta temperatura proporciona calor para el sistema de calefacción del edificio experto.

(3) Durante la temporada de transición, abra V2 y V4 y cierre todas las demás válvulas. La unidad de alta temperatura suministra agua caliente sanitaria al edificio especializado y el agua de pozo también sirve como fuente de calor.

2.1 Sistema de agua de pozo

Como principal fuente de frío y calor del sistema, el sistema de agua de pozo debe cumplir con los requisitos de refrigeración y calefacción bajo cualquier circunstancia. Para garantizar la realización de todas las funciones, se perforaron un total de 5 pozos, todos los cuales son pozos de bombeo y riego que pueden usarse tanto como pozos de bombeo como de recarga.

Los nuevos pozos 1 y 3 son pozos de bombeo, y el nuevo pozo 4 es un pozo de respaldo para los pozos de bombeo. Como pozos de recarga se utilizan los antiguos pozos originales N° 3, 4, 5 y 6, y los nuevos pozos N° 2, 4 y 5. La carga máxima se produce en invierno y el consumo máximo de agua por hora requerido es de 400 m3/h. Según los datos originales del agua del pozo, la producción máxima de agua de un solo pozo es de 200 m3/h. La producción de agua de dos pozos es de 400 m3/h. Suficiente para las cargas invernales. El consumo máximo de agua por hora en verano es de 312 m3/h y la diferencia de temperatura diseñada entre invierno y verano es de 7 ℃. En circunstancias normales, el modo de operación es dos bombeos y dos llenados. Si se excede la carga de diseño, se puede lograr con dos bombeos y tres llenados o tres bombeos y cuatro llenados.

Figura 1 Sistema de bomba de calor en el nuevo edificio experto del Friendship Hotel

2.2 Selección de unidades

Basado en las cargas de refrigeración y calefacción del Friendship Hotel, Tsinghua Tongfang SGHP1800 Inicialmente se seleccionó una unidad de baja temperatura. Tres juegos, tres juegos de unidades de alta temperatura HGHP1200 A.

Energía geotérmica poco profunda: Actas de la Conferencia Nacional de Intercambio de Experiencia de Campo sobre Desarrollo y Utilización de Geotermia (Energía Geotérmica Superficial)

En funcionamiento real, se pueden iniciar dos unidades de baja temperatura durante la carga máxima en verano O dos unidades de alta temperatura y una unidad de baja temperatura. Cuando el consumo de electricidad alcanza su punto máximo en invierno, se activan dos unidades de alta temperatura para alimentar el sistema de calefacción y dos unidades de baja temperatura para suministrar aire acondicionado y calefacción. Las unidades de bomba de calor sobrante se pueden utilizar, por un lado, como respaldo del sistema y, por otro, se pueden reservar para el sistema de aire acondicionado del proyecto de renovación.

3. Combinación de agua fría y caliente para aire acondicionado

Los sistemas de bomba de calor con fuente de agua anteriores generalmente proporcionaban una única fuente de agua fría y caliente, y rara vez usaban agua fría y caliente en ambos extremos. . Por lo tanto, bajo la premisa de que el aire acondicionado y la refrigeración no se ven afectados en verano, el sistema de agua caliente sanitaria debe adoptar el tipo de recuperación, de modo que el uso del aire acondicionado no se vea afectado cuando la carga de agua caliente sanitaria alcance su punto máximo. Al mismo tiempo, cuando la carga de agua caliente sanitaria es demasiado grande, se puede disipar el exceso de energía fría y también se requiere un sistema de refrigeración de respaldo. El análisis preliminar muestra que la mayoría de las veces la carga de agua caliente sanitaria es mucho menor que la carga de aire acondicionado. Por lo tanto, considerando dos factores, en el diseño del sistema, nos aseguramos de que la unidad de alta temperatura solo garantice el suministro de agua caliente y que el exceso de capacidad de enfriamiento lo proporcione la unidad de baja temperatura. Sin embargo, cuando la carga de agua caliente es mayor que la carga de aire acondicionado, no hay una unidad de bomba de calor separada para proporcionarla.

Antes del diseño, mediante el monitoreo del agua caliente sanitaria en el Hotel Youyi del 12 al 15 de agosto de 2005, el consumo de agua caliente en cada hora era el siguiente (Figura 2).

Figura 2 Tabla de carga de consumo de agua caliente sanitaria del Hotel Youyi

Como se puede observar en la figura anterior, el consumo máximo de calor por hora de agua caliente sanitaria se concentra entre las 7:00 ~ 9:00 de la mañana y tarde Entre 16:00 ~ 18:00. El consumo máximo de agua por hora es de 37 m3/h y la duración máxima del pico es de 2 horas. El agua caliente sanitaria es una cantidad en estado relativamente estable y la carga de aire acondicionado cambiará con los cambios en la temperatura exterior. La carga de aire acondicionado cambia mucho en diferentes períodos. Y cuando la carga de aire acondicionado es menor que la carga de agua caliente, la situación de respaldo no se considera en el diseño preliminar. Por tanto, es necesario analizar en qué circunstancias se requiere un sistema de respaldo para calentar agua caliente.

Ignorando la pérdida de calor y el desperdicio de trabajo, la capacidad de calefacción de la unidad es la suma de la capacidad de refrigeración y la potencia de entrada. Para garantizar la estabilidad del suministro de calor de la unidad, evaluamos directamente el equilibrio entre la capacidad de refrigeración y la capacidad de calefacción.

La curva de comparación entre la carga máxima diaria de aire acondicionado y la carga promedio de agua caliente del edificio experto de nueva construcción se muestra en la Figura 2. Se puede ver en la figura que el día en que se alcanza la carga máxima, excepto que la capacidad de calefacción es menor que la capacidad de enfriamiento entre las 22:00 y la 1 a. m. de la noche, la carga de agua caliente sanitaria es mucho menor que la del aire acondicionado. carga la mayor parte del tiempo. Durante este período, el consumo de agua caliente es de 55m3. El sistema utiliza un depósito de agua caliente sanitaria de almacenamiento térmico de 52 metros cúbicos. Incluso si la unidad de aire acondicionado no se enciende por la noche, el agua caliente sanitaria almacenada en el tanque de agua caliente durante el día puede cumplir con los requisitos para el uso de agua caliente durante la noche.

Al analizar la situación coincidente bajo diferentes cargas de aire acondicionado, se encontró que cuando la carga de aire acondicionado es inferior a 55, el sistema de agua caliente con bomba de calor no puede satisfacer la demanda de calefacción de agua caliente sanitaria en todo el parque. Por lo tanto, se recomienda utilizar la caldera de gas original para calentar el sistema de agua caliente cuando la carga del aire acondicionado no sea superior a 55.

4 Análisis del efecto del ahorro de energía

La ventaja de utilizar una bomba de calor con fuente de agua en lugar de un aire acondicionado común es que no importa cuál sea la temperatura exterior en verano, el agua del pozo es se mantiene a aproximadamente 65438 ± 05 ℃ y la eficiencia del enfriador siempre se mantiene en un nivel alto.

El sistema de bomba de calor con fuente de agua se utiliza en invierno. La mayor parte del calor proviene del suelo y la energía eléctrica de entrada solo representa del 25 al 30% del calor total.

Tomando este proyecto como ejemplo, la carga máxima de refrigeración es 2537kW y la carga máxima de calefacción es 3277kW. La comparación de los costos de aire acondicionado y calefacción en diferentes modos es la siguiente:

Comparación de los costos operativos de diferentes formas de aire acondicionado bajo la misma carga en verano

Energía geotérmica poco profunda: geotermia nacional (energía geotérmica superficial) Actas de la reunión de intercambio sobre la utilización de la experiencia de campo

Comparación de los costos operativos de diferentes métodos de calefacción bajo la misma carga en invierno

Energía geotérmica superficial: campo experiencia en el desarrollo y utilización de energía geotérmica (energía geotérmica superficial) en todo el país Actas de la Conferencia de Intercambio

Como se puede ver en la tabla anterior, el costo del consumo de energía por hora de las bombas de calor de fuente de agua bajo carga máxima en verano es aproximadamente un 10% menor que el de los acondicionadores de aire centrales y más de un 30% menor que el de los acondicionadores de aire de sistema. La ventaja en costes de calefacción es más evidente en invierno, que es un 20% menor que el de las calderas de gas natural.

Si se calcula en función de una temporada de calefacción (150 días), se puede concluir que los costos operativos de varios métodos de calefacción en el edificio experto recién construido son los siguientes: caldera de gasóleo, 45,23 yuanes/m2; caldera, 27,61 yuanes/m2; bomba de calor de agua y frío, 36,68 yuanes/m2;

Figura 2 Tabla comparativa de carga máxima diaria de refrigeración y carga de agua caliente sanitaria

Se puede observar que entre los métodos de calefacción existentes en el Hotel Friendship, la bomba de calor con fuente de agua es el que más energía consume. -ahorro y tiene el costo operativo más bajo.

No hay mucha diferencia entre las bombas de calor de fuente de agua y otros acondicionadores de aire centrales en verano, simplemente porque la temperatura del agua del pozo es relativamente constante y la eficiencia de enfriamiento promedio es mayor que la de los acondicionadores de aire centrales comunes. Sin embargo, debido a que el Hotel Friendship utiliza calor de condensación para calentar el agua caliente sanitaria, recibió parte del agua caliente sanitaria de forma gratuita mientras recibía aire acondicionado.

Según los resultados del análisis de agua caliente sanitaria, cuando la carga total diaria del aire acondicionado alcanza más del 55% de la carga total diaria máxima, el agua caliente generada por el calor residual del aire acondicionado puede Proporcionar agua caliente sanitaria para todo el parque. La carga diaria total de aire acondicionado en verano es más del 55% de la carga total diaria máxima, que es aproximadamente el 60%. El valor de carga promedio se calcula como 75%, y el volumen de agua caliente sanitaria a 50 ℃ es de aproximadamente 35220 m3. Dado que la cantidad diaria de agua caliente sanitaria prácticamente no cambia, la cantidad efectiva de agua caliente sanitaria utilizada en cada temporada es de unos 30.000 m3, lo que puede ahorrar 165.900 m3 de gas y aproximadamente 3.152 millones de yuanes. El modo de funcionamiento actual es que cuando la carga de aire acondicionado es baja, la unidad de bomba de calor y la caldera de gas proporcionan calor al mismo tiempo. Cuando la carga de aire acondicionado es alta, solo la unidad de bomba de calor proporciona agua caliente. Este modo de operación ahorrará aún más energía sobre la base actual y acelerará la recuperación de la inversión.

En la actualidad, el sistema de aire acondicionado del edificio de expertos no está en pleno uso, por lo que es imposible conocer en detalle los costos operativos del aire acondicionado. Sin embargo, según los registros del 8 al 20 de julio, se considera que el consumo total de electricidad de toda la sala de ordenadores se utiliza para calentar agua caliente sanitaria, y el coste del agua caliente por metro cúbico es de 20,23 yuanes. Si se calcula de esta forma, equivale a invertir 20,23 yuanes/m3 de agua caliente cada día, y la capacidad de refrigeración del aire acondicionado suministrada se obtiene de forma gratuita. Se puede observar que el sistema de bomba de calor con fuente de agua del Friendship Hotel tiene buenas perspectivas de ahorro de energía.

5 Conclusiones

(1) Debido a la temperatura relativamente constante del agua subterránea utilizada, el sistema de bomba de calor con fuente de agua tiene una alta confiabilidad y un índice de eficiencia energética más alto que el aire central convencional. acondicionamiento en verano.

(2) Es viable utilizar el calor del condensador de la bomba de calor para calentar agua caliente sanitaria en verano. Al dar prioridad al sistema de agua caliente sanitaria, el sistema de suministro de agua caliente con bomba de calor solo se puede iniciar después de que la carga de aire acondicionado alcance ciertos requisitos. En condiciones de carga baja, se recomienda utilizar otros métodos de calefacción o instalar una bomba de calor independiente con un único suministro de agua caliente.

(3) El uso de calor de condensación a alta temperatura para calentar el sistema de agua caliente sanitaria en verano puede reducir el uso de agua subterránea. En comparación con un sistema sin agua caliente sanitaria, esto sólo aumenta la inversión en sustitución de placas, lo que puede aportar enormes beneficios a los usuarios.

(4) Entre los diversos métodos de calefacción en invierno, debido a la temperatura constante del agua subterránea, la unidad de bomba de calor puede utilizar una gran cantidad de energía térmica de baja calidad y reducir el consumo de energía eléctrica en funcionamiento. El costo es el más bajo entre los varios métodos de calefacción. Por ello, en zonas con abundantes recursos subterráneos y buenas condiciones de recarga, se recomienda dar prioridad a este método de calefacción.