Sistema de bomba de calor de fuente terrestre con tubería subterránea
La forma en que un sistema de bomba de calor geotérmico obtiene energía geotérmica superficial es utilizar un sistema subterráneo de intercambio de calor. Su principio de funcionamiento es que el medio de transferencia de calor (principalmente agua o etilenglicol) circula en tuberías subterráneas cerradas verticales u horizontales, y la diferencia de temperatura entre el medio de transferencia de calor y las formaciones rocosas subterráneas y el agua subterránea se utiliza para el intercambio de calor, utilizando así agua subterránea poco profunda. La finalidad de la energía térmica es calentar y enfriar edificios mediante tecnología de bomba de calor. Consulte 3-11 y la Figura 3 para ver el diagrama del principio de funcionamiento.
Figura 3-11 Diagrama del principio de funcionamiento de la bomba de calor subterránea con tubo subterráneo en verano
Figura 3-12 Diagrama del principio de funcionamiento de la bomba de calor subterránea con tubo subterráneo en invierno
Excepto que, además de todas las características de las bombas de calor geotérmicas, las bombas de calor geotérmicas también tienen las siguientes características importantes:
(1) El proyecto requiere perforar una gran cantidad de pozos de acuerdo con el sistema de enfriamiento. y cargas de calefacción, y los orificios perforados deben tener cierta resistencia, resistencia a la corrosión y capacidades de transferencia de calor. Cierre la tubería de circulación con buen rendimiento y luego conecte todas las tuberías de circulación a la sala de máquinas y a la máquina principal.
(2) El sistema de bomba de calor de fuente subterránea disipa el calor (absorbe calor) con masa rocosa subterránea y agua subterránea a través de conducción. A diferencia del sistema de bomba de calor de fuente subterránea, que disipa calor principalmente a través de convección, su intercambio de calor. La eficiencia es menor que la del sistema de bomba de calor de fuente subterránea.
(3) En comparación con los sistemas de aire acondicionado tradicionales, la principal desventaja de los sistemas de bomba de calor geotérmica es que la inversión inicial de los intercambiadores de calor geotérmicos es mayor, y generalmente es mayor que la de la bomba de calor geotérmica. Esto también es un obstáculo para los sistemas de bombas de calor de fuente terrestre. Una de las principales razones para el desarrollo de los sistemas de bombas de calor.
(4) En comparación con el sistema de bomba de calor geotérmico, el intercambiador de calor de tubería subterránea ocupa un área más grande que el sistema de bomba de calor geotérmico. Esta es otra razón importante que obstaculiza el desarrollo de sistemas de bombas de calor geotérmicas en áreas densamente pobladas y urbanizadas. Los intercambiadores de calor subterráneos generalmente se disponen debajo de espacios verdes, carreteras, aparcamientos, plazas, patios de colegios, etc. , así como debajo de los cimientos de edificios y en cimientos de pilotes de edificios.
(5) En comparación con el sistema de bomba de calor de fuente terrestre, el sistema de bomba de calor de fuente terrestre de tubería subterránea no extrae agua del suelo, por lo que tiene menos impacto en el entorno del espacio subterráneo, y el procedimiento es más simple que el sistema de bomba de calor geotérmico.
(6) Tiene las características de protección ambiental, alta eficiencia y ahorro de energía, bajo costo operativo, una máquina con múltiples usos, tecnología madura, amplia gama de aplicaciones (en principio, aplicable a cualquier estrato y edificio). ), no es necesario bombear agua subterránea, etc., y se utilizará en el futuro. Las perspectivas son brillantes.
(7) Desde una perspectiva hidrogeológica, la riqueza hídrica del agua subterránea porosa en capas sueltas se ve afectada principalmente por el tamaño de las partículas del acuífero. Cuanto mayor es el tamaño de las partículas, mayor es la porosidad, mayor es la abundancia de agua y más permeable es la formación. Por lo tanto, los proyectos de bombas de calor de fuente de agua subterránea y bombas de calor de fuente terrestre tienen ciertos requisitos complementarios para las condiciones hidrogeológicas, es decir, las áreas que no son aptas para agua subterránea a menudo lo son para bombas de calor de fuente terrestre. Tomando a Beijing como ejemplo, las bombas de calor geotérmicas se distribuyen principalmente en los distritos de Haidian y Fengtai en las partes media y superior del abanico aluvial del río Yongding. Las bombas de calor geotérmicas se distribuyen principalmente en las zonas montañosas de Shunyi, Changping, Chaoyang y Haidian. en las partes media e inferior de los abanicos aluviales del río Wenyu, el río Yongding y el río Chaobai.
2. Se presentó la composición y situación básica del sistema de bomba de calor geotérmico.
El sistema de bomba de calor geotérmico es similar al sistema de bomba de calor geotérmico y consta de tres partes: sistema de intercambio de calor geotérmico, sistema de sala de computadoras y sistema terminal. Desde una perspectiva profesional y técnica, el diseño y construcción del sistema terminal pertenece a la profesión de HVAC, el sistema de sala de computación consta principalmente de la computadora principal, el sistema de control automático eléctrico y el sistema de control de flujo de agua, cuyo núcleo es la unidad de bomba de calor; tecnología; el diseño y construcción del sistema subterráneo de intercambio de calor. Pertenece a la geología y la hidrogeología y debe ser completado por departamentos profesionales con calificaciones en exploración geológica y construcción de perforación de pozos. Por lo tanto, el núcleo del sistema de bomba de calor geotérmico es en realidad una tecnología nueva e integral, respetuosa con el medio ambiente y que ahorra energía, respaldada por tecnología HVAC independiente, tecnología de unidad de bomba de calor y tecnología de estudio geológico. Es una combinación orgánica y colaborativa multidisciplinaria.
Según los diferentes métodos de enterramiento de tuberías subterráneas, los sistemas de intercambiadores de calor subterráneos se pueden dividir en intercambiadores de calor subterráneos horizontales e intercambiadores de calor subterráneos verticales, como se muestra en la Figura 3-13 y la Figura 3-14. Las tuberías enterradas horizontales son zanjas excavadas bajo tierra con una profundidad de 1,5 a 2,5 m, y en cada zanja se entierran 2, 4 o 6 tuberías de plástico de intercambio de calor. Dado que las tuberías enterradas horizontales ocupan un área mayor que las tuberías enterradas verticales y son menos eficientes que las tuberías enterradas verticales, la mayoría de los sistemas de bombas de calor geotérmicos construidos en nuestro país utilizan sistemas de tuberías enterradas verticales.
Figura 3-13 Intercambiador de calor de tubería enterrada horizontal
Figura 3-14 Intercambiador de calor de tubería enterrada vertical
La profundidad de enterramiento del sistema de tubería enterrada vertical generalmente es 50 ~ 150 m, la mayoría de los pozos están enterrados a unos 100 m de profundidad, y el diámetro del pozo generalmente está entre 120 ~ 150 mm. La mayoría de los pozos están en la capa suelta del Cuaternario, y algunos pozos de ingeniería están en el lecho de roca, como Beijing Shanshui. Yijia Villa en el distrito de Changping y Tianhu International en el distrito de Fangshan. El relleno se utiliza para rellenar entre pozos y tuberías enterradas. Los métodos de relleno incluyen principalmente relleno de lechada original, relleno de arena media, relleno de tierra simple y relleno de mortero de cemento. El material de las tuberías enterradas son principalmente tuberías de HDPE, la mayoría de las cuales tienen un diámetro de φ32 mm.
Según la cantidad de tubos en forma de U enterrados verticalmente en los orificios de intercambio de calor, el sistema se puede dividir en un sistema de tubos en forma de U simple y un sistema de tubos en forma de U doble, como se muestra en la Figura 3-15 y Figura 3-16. El método de intercambio de calor entre las tuberías enterradas y la roca y el suelo circundantes es la disipación o absorción de calor por conducción. Para evitar interferencias mutuas entre los orificios de intercambio de calor y ahorrar espacio, el espacio de diseño de los orificios de las tuberías enterradas es generalmente de 4 a 6 m según los diferentes requisitos de diseño, el líquido circulante (medio de intercambio de calor) en la tubería enterrada puede ser agua o anticongelante; líquido.
Figura 3-15 Sistema de intercambio de calor con bomba de calor geotérmica de tubería enterrada vertical en forma de U única
Figura 3-16 Sistema de intercambio de calor con bomba de calor geotérmica vertical en forma de U doble
3. La tecnología central del sistema de bomba de calor geotérmico: análisis de transferencia de calor de un solo orificio.
En el proceso de promoción de la tecnología de bombas de calor geotérmicas, debido a la complejidad y variabilidad de las condiciones geológicas e hidrogeológicas en diferentes regiones, especialmente las diferencias en la profundidad del nivel freático y la velocidad de filtración del agua subterránea, la roca (suelo) En diferentes regiones, la conductividad térmica de la capa y la transferencia de calor por metro lineal de tuberías subterráneas varían mucho. Los sistemas subterráneos de intercambio de calor que funcionan con éxito en un área a menudo no funcionan en otra. Incluso en la misma zona, el sitio del proyecto se ubica en los tramos superior, medio e inferior del abanico aluvial del río. Por lo tanto, al igual que el sistema de bomba de calor de fuente terrestre, la tecnología de exploración geológica sigue siendo el núcleo de la tecnología del sistema de bomba de calor de fuente terrestre y la clave para la aplicación exitosa de proyectos de utilización y desarrollo de energía geotérmica poco profunda.
El intercambiador de calor subterráneo es el núcleo de la tecnología de bomba de calor geotérmica. Consta de muchos orificios para tubos subterráneos y sus tubos en forma de U y tubos horizontales. Bajo una determinada carga de refrigeración y calefacción, si hay demasiados orificios para tuberías enterradas y la capacidad de intercambio de calor de un solo orificio no puede alcanzar la capacidad óptima de intercambio de calor de un solo orificio, significa que la inversión inicial del proyecto es demasiado grande y el área del piso es grande y la circulación final del lado enterrado La bomba también es más grande, lo que reduce la economía operativa si el número de orificios para tuberías subterráneas es pequeño y la tasa de intercambio de calor de un solo orificio no puede cumplir con los requisitos de carga; significa que la temperatura de salida del fluido en circulación será cada vez más baja en invierno, lo que provocará el fenómeno de "enfriamiento final". En verano, la temperatura de salida será cada vez más alta, lo que provocará el fenómeno de "calor final", que aumentará. reducir el índice de eficiencia energética del funcionamiento del motor principal e incluso hacer que el motor principal se apague como protección y hacer que el sistema no pueda funcionar. El resultado eventualmente afectará la economía y la estabilidad del sistema.
El hecho de que el diseño del intercambiador de calor de tubos subterráneos sea razonable determina la economía y la confiabilidad operativa del sistema de bomba de calor geotérmico. Por lo tanto, el análisis de la capacidad de transferencia de calor de un solo orificio es el núcleo del diseño de intercambiadores de calor de tubos subterráneos. El método para mejorar la transferencia de calor en los intercambiadores de calor subterráneos es básicamente el mismo que el de los intercambiadores de calor tradicionales, es decir, aumentar la diferencia de temperatura de transferencia de calor, aumentar el área de transferencia de calor y reducir la resistencia a la transferencia de calor.
El cambio en la diferencia de temperatura de transferencia de calor está limitado por la temperatura de formación, la temperatura del fluido en circulación y los parámetros del host de la bomba de calor. La temperatura de formación es constante en todas las áreas y no se puede cambiar. La temperatura del líquido en circulación es la temperatura de salida del evaporador o condensador, que está controlada por el rendimiento y los parámetros de la máquina principal. Si la temperatura de salida es demasiado alta o demasiado baja, reducirá el índice de eficiencia energética del host y afectará la economía del sistema.
Aumentar el área de intercambio de calor en realidad significa aumentar la longitud del intercambiador de calor de tubería subterránea, lo que significa aumentar la inversión inicial del proyecto y aumentar el espacio. Un intercambiador de calor de tubería subterránea excesivamente largo no mejorará la economía del sistema, pero reducirá la economía del proyecto de bomba de calor geotérmica.
Por lo tanto, el método principal para mejorar la transferencia de calor de los intercambiadores de calor de tubos subterráneos es reducir la resistencia a la transferencia de calor. El proceso de transferencia de calor entre el líquido circulante y el macizo rocoso subterráneo y el agua subterránea está controlado por los dos factores siguientes: uno es el intercambiador de calor subterráneo y el otro es el rendimiento de transferencia de calor del suelo rocoso y el agua subterránea. En el proceso de práctica de ingeniería, el área espacial involucrada generalmente se divide en la tubería enterrada en el pozo, la parte de relleno y la parte geotécnica fuera del pozo usando la pared del pozo como límite. La transferencia de calor fuera del hoyo consta de dos partes: una es la resistencia térmica de la capa de roca y suelo desde la pared del hoyo hasta el medio remoto original en el extremo, que depende principalmente de la conductividad térmica de la roca y el suelo; es la resistencia térmica adicional causada por la interferencia mutua de los campos de temperatura entre las tuberías enterradas. Depende principalmente del diseño y el espaciado de las tuberías enterradas y del equilibrio de la liberación de calor y la liberación de calor. La resistencia térmica de la transferencia de calor en el pozo se compone principalmente de la resistencia térmica dentro del tubo y la resistencia térmica del relleno fuera del tubo. Es fácil de controlar mediante medidas de ingeniería y puede aumentar la capacidad de transferencia de calor de un solo orificio.
1) Resistencia térmica externa de los pozos
La conductividad térmica y la difusividad térmica de la roca y el suelo son cruciales para el diseño de intercambiadores de calor de tuberías subterráneas, que determinan la longitud del calentador. , la disposición y el espaciamiento de los intercambiadores de calor de tuberías subterráneas y el espacio del piso. La conductividad térmica de rocas y suelos representa la conductividad del calor a través de la tierra. La difusividad térmica es una medida de la capacidad de la Tierra para transferir y almacenar calor. El contenido de humedad de la roca y el suelo tiene una gran influencia en la conductividad térmica y la difusividad térmica de la roca y el suelo. En verano, la temperatura del líquido que circula en el intercambiador de calor de la tubería subterránea es más alta que la temperatura de la roca y el suelo, lo que hace que la difusión de humedad en la roca y el suelo alrededor de la tubería subterránea disminuya, y la roca y el suelo se seque, reduciendo su conductividad térmica y provocando inestabilidad térmica. Al diseñar la longitud del intercambiador de calor, se debe prestar especial atención a las áreas con aguas subterráneas escasas o profundamente enterradas.
Durante el funcionamiento del intercambiador de calor de tuberías subterráneas, el campo de temperatura de la roca y el suelo que rodean el intercambiador de calor de tuberías subterráneas cambiará. A medida que aumentan los cambios de temperatura del suelo y se expande el área, el intercambio de calor entre los intercambiadores de calor de tubos subterráneos adyacentes se verá afectado. El aumento de la resistencia a la transferencia de calor y la disminución de la transferencia de calor causada por los cambios en la temperatura del suelo se denominan resistencia térmica a temperatura variable. Si el calor absorbido o liberado por el intercambiador de calor de tubería subterránea de la roca y el suelo se desequilibra dentro de un año, provocará la acumulación de exceso de calor (energía fría), provocando cambios en la temperatura constante subterránea, lo que resultará en un aumento de la temperatura. resistencia.
Las filtraciones de aguas subterráneas tienen un impacto muy importante en la capacidad de transferencia de calor de las tuberías enterradas. Debido a la gran capacidad calorífica del agua subterránea, absorbe o libera una gran cantidad de calor. En el caso de la filtración de agua subterránea, el agua subterránea que fluye elimina fácilmente la energía térmica o fría, formando otro canal de flujo de calor, lo que reduce en gran medida la resistencia a la transferencia de calor. Incluso en áreas con cargas desequilibradas de refrigeración y calefacción, el flujo de agua subterránea puede debilitar los efectos de la "resistencia térmica".
2) Resistencia térmica en pozos
La resistencia térmica de los pozos está controlada principalmente por el rendimiento de transferencia de calor de las tuberías enterradas y el suelo de relleno. Las tuberías enterradas deben utilizar tuberías y accesorios de plástico con buena estabilidad química, cierta resistencia (principalmente considerando la presión del líquido circulante en la tubería enterrada cuando la tubería enterrada es profunda), resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica y pequeña resistencia al flujo. En el nivel técnico y económico actual, la mayoría de los proyectos existentes utilizan tuberías de polietileno (tuberías de PE), lo cual es el resultado de una consideración exhaustiva de los requisitos anteriores.
Bajo el nivel técnico y económico actual, seleccionar el suelo de relleno apropiado es el medio más apropiado para que la mayoría de los proyectos de bombas de calor geotérmicas reduzcan la inversión y mejoren la economía de operación del sistema. El suelo de relleno se coloca entre la tubería enterrada y la pared del pozo. Su propósito es mejorar la capacidad de intercambio de calor entre la tubería enterrada y la roca y el suelo circundantes, evitando al mismo tiempo que el agua superficial se filtre al suelo a través del pozo y contamine el agua subterránea. y evitar la contaminación cruzada entre aguas subterráneas de diferentes acuíferos. La selección de los materiales de relleno y la correcta construcción del relleno son de gran importancia para garantizar el rendimiento de los intercambiadores de calor de tuberías subterráneas. El uso de materiales de relleno con mala conductividad térmica aumentará significativamente la resistencia térmica en el pozo, lo que conducirá a un aumento en la longitud total del pozo en las mismas condiciones, y también significa un aumento en la inversión inicial y los costos operativos de el sistema.
De acuerdo con las "Especificaciones técnicas para la ingeniería de bombas de calor geotérmicas" (GB50366-2005), "el material de relleno de lechada debe ser una lechada mixta de bentonita y arena fina (o cemento) o un material de relleno especial; cuando esté parcialmente enterrado, cuando el calentador esté ubicado en roca y suelo densos o duros, se deben usar materiales a base de cemento para la lechada y el relleno, y sus proporciones deben cumplir con los requisitos de diseño; Los autores recomiendan utilizar arena gruesa y grava para el relleno por debajo del nivel freático y mortero de cemento para el relleno por encima del nivel freático. Las razones son las siguientes:
(1) Rellenar el área del pozo debajo del nivel freático con arena gruesa y grava (D2 ~ 4 mm, se requiere buena redondez) aprovechará al máximo la gran capacidad calorífica y buena fluidez del agua subterránea Características: Elimina el calor o la energía fría generada lo más rápido posible para formar un canal de calor por convección (absorción). Debido al riesgo de contaminación cruzada del agua subterránea, se debe utilizar con precaución en áreas con contaminación estratificada del agua subterránea;
(2) En el área del pozo por encima del nivel del agua subterránea, el relleno debe ser denso y completo , y las tuberías de aire y enterradas deben estar completamente aisladas en contacto para evitar por completo que el aire se mezcle con el suelo de relleno. Los requisitos anteriores se lograrán mediante el uso de relleno de mortero de cemento. Más importante aún, el relleno de mortero de cemento tiene buena conductividad térmica, economía y suficiente durabilidad.
4. Requisitos técnicos para el diseño y construcción de sistemas de bombas de calor geotérmicas
El diseño y construcción de sistemas de bombas de calor geotérmicas deben cumplir estrictamente con las "Especificaciones técnicas para bombas de calor geotérmicas". Ingeniería" (GB50366-2005). Basado en muchos años de experiencia en la construcción y monitoreo de operación de proyectos de bombas de calor geotérmicas, se deben tener en cuenta los siguientes puntos:
(1) Cuando las condiciones del sitio lo permitan, el intercambiador de calor subterráneo debe construirse lo más cerca posible del sala de control lo más posible para maximizar Minimizar la potencia de circulación en el lado subterráneo y mejorar el índice de eficiencia del sistema.
Según una encuesta, durante la operación de verano de un proyecto de bomba de calor geotérmica en el distrito de Changping, Beijing, el consumo de energía de la bomba de circulación (incluida la bomba de circulación terminal) representó del 40% al 50% del consumo total de energía, lo que fue significativamente mayor que el valor normal. La razón es que el sitio de construcción del intercambiador de calor geotérmico está lejos de la sala de máquinas y la potencia de la bomba de circulación es demasiado grande.
(2) Si es posible, es mejor ejecutar la temporada de enfriamiento primero después de que se complete el proyecto de la bomba de calor geotérmica. El propósito es garantizar el efecto de funcionamiento en invierno y evitar el riesgo de congelación de la circulación. líquido (si es agua).
(3) El agua subterránea tiene un impacto muy importante en la capacidad de intercambio de calor de los orificios de las tuberías subterráneas. Sin embargo, en general, en áreas con rápida filtración de agua subterránea, las partículas del acuífero son más grandes, lo que dificulta la construcción de orificios para tuberías subterráneas, lo que aumenta el costo de construcción del proyecto. Por lo tanto, se debe considerar de manera integral la relación entre el costo de construcción y la transferencia de calor.
(4) Cuando los edificios estén dispersos y las condiciones del sitio lo permitan, se deberán utilizar salas de computación distribuidas, lo que ayudará a mejorar la economía del proyecto.
(5) La profundidad de los orificios de las tuberías subterráneas es de aproximadamente 100 m·m. Una vez que el sistema de bomba de calor geotérmico esté construido y puesto en funcionamiento, deberá ocupar permanentemente el espacio subterráneo (área inferior a 2 m). que requiere planificación regional (como las líneas de metro) Tiene un impacto en el diseño de las tuberías;
(6) Al rellenar, asegúrese de usar una pala para rellenar y la velocidad no debe ser demasiado rápida para evitar que el relleno se llene demasiado rápido. Está prohibido el relleno con carretillas y camiones llenos.
(7) Durante la etapa de operación del proyecto, la temperatura del agua de suministro y retorno del motor principal y el consumo de energía del motor principal y la bomba de circulación deben monitorearse y registrarse de cerca para sentar las bases para el análisis científico. de la operación del proyecto.
(8) Debido al tiempo de prueba limitado (generalmente alrededor de 65,438+00 días) y a que no se considera la influencia de la "resistencia térmica dependiente de la temperatura", los resultados termofísicos a menudo no pueden reflejar completamente una calefacción o refrigeración. condiciones de funcionamiento de la temporada. Se recomienda hacer referencia a la experiencia de proyectos existentes en la misma zona y bajo las mismas condiciones hidrogeológicas al momento de diseñar.
(9) El diseño de los orificios de tuberías enterradas debe considerar de manera integral la influencia de la "resistencia térmica de temperatura variable" y la economía del proyecto.
(10) Al diseñar un proyecto de bomba de calor geotérmica, es necesario garantizar el equilibrio hidráulico de los orificios de las tuberías enterradas en varios lugares y garantizar que el caudal en cada tubería de circulación sea básicamente el mismo.
(11) La velocidad del flujo en la tubería enterrada debe calcularse con precisión. Un caudal excesivo no aumentará el intercambio de calor, pero reducirá la economía del proyecto. Si el caudal es demasiado pequeño, se reducirá la capacidad de transferencia de calor del orificio único.
Dado que hay una gran cantidad de plataformas de perforación de tuberías subterráneas en proyectos de bombas de calor de fuente terrestre, el costo de las plataformas de perforación de tuberías subterráneas es a menudo el principal determinante de la inversión inicial. Se recomienda que la construcción de pozos de prueba de exploración se lleve a cabo durante la etapa de demostración del proyecto para comprender la dificultad y el costo de construcción del proyecto y sentar las bases para el presupuesto del proyecto. De acuerdo con las "Especificaciones técnicas para la ingeniería de bombas de calor geotérmicas" (GB50366-2005), antes de diseñar el esquema del sistema de bombas de calor geotérmicas, también se deben investigar las condiciones del sitio del proyecto y los recursos de energía geotérmica poco profunda. Antes de diseñar el sistema de bomba de calor geotécnica, se deben investigar las condiciones geotécnicas de la ubicación del proyecto, incluyendo:
(1) La estructura de la capa geotécnica;
(2) La temperatura propiedades de la naturaleza geotérmica;
(3) Temperatura de la roca y del suelo;
(4) Profundidad de entierro, temperatura del agua, calidad del agua y distribución del nivel estático del agua subterránea;
(5) Agua subterránea La dirección y velocidad de la escorrentía;
(6) Espesor del suelo congelado.