Bomba de calor geotérmica y sus aplicaciones
(Instituto de Investigación, Diseño e Investigación de la Oficina de Exploración de Petróleo de Zhongyuan)
Resumen: este artículo presenta el concepto y el principio de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica y luego analiza las características del suelo. bomba de calor de fuente en detalle, y las condiciones restrictivas para su desarrollo en nuestro país, y presentó su uso doméstico y perspectivas de desarrollo. Finalmente, se señala claramente que la tecnología de bomba de calor geotérmica es la tecnología de calefacción y refrigeración más amigable y efectiva para los humanos.
1 Concepto y principio de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica
La bomba de calor geotérmica es un sistema de aire acondicionado eficiente y que ahorra energía que utiliza recursos geotérmicos subterráneos poco profundos (incluidas aguas subterráneas, suelo y agua superficial) proporciona tanto calefacción como refrigeración. Utilizando el ciclo de Carnot inverso, la energía térmica de baja calidad se puede convertir en energía térmica de alta calidad ingresando una pequeña cantidad de energía eléctrica de alta calidad. Las bombas de calor generalmente constan de un evaporador, un condensador, un compresor y una válvula de expansión.
El principio de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica es: en verano, la unidad de bomba de calor extrae calor del edificio y lo transfiere al suelo; en invierno, extrae calor del suelo para calentar el; edificio. Generalmente, una bomba de calor geotérmica consume 1 kW de energía y los usuarios pueden obtener más de 4 kW de calor o refrigeración.
2 Características de las bombas de calor geotérmicas
Sabemos que la temperatura del suelo a una determinada profundidad bajo la superficie terrestre es relativamente constante durante todo el año. Las bombas de calor geotérmicas utilizan energía geotérmica a poca profundidad. como fuente de frío y calor, eliminando así la influencia de factores ambientales. Comparado con otros sistemas de calefacción y refrigeración, tiene las siguientes características distintivas.
2.1 Utilizar energías renovables.
Las bombas de calor geotérmicas absorben el calor emitido por los edificios en verano y lo almacenan en capas subterráneas poco profundas. Parte del calor se utiliza para calentar el edificio en invierno y otra parte se disipa directamente al aire. Los edificios que utilizan energía geotérmica poco profunda tienen aproximadamente las mismas capacidades de calefacción o refrigeración durante todo el año. Por tanto, las bombas de calor geotérmicas utilizan energía renovable.
2.2 Alta eficiencia y ahorro de energía
Dado que la temperatura de la fuente de calor de la bomba de calor geotérmica es generalmente de 10 ~ 22 ℃ durante todo el año, la temperatura del agua durante la calefacción en invierno es más alta que la temperatura ambiente, por lo que la temperatura de evaporación y la eficiencia energética del ciclo de la bomba de calor mejoraron. Durante el enfriamiento en verano, la temperatura del agua es más baja que la temperatura ambiente, lo que mejora el efecto de enfriamiento y la eficiencia de la unidad. El coeficiente de enfriamiento y calefacción de la bomba de calor de fuente de agua puede alcanzar más de 4,0, que es aproximadamente un 40 % más alto que el de la bomba de calor de fuente de aire tradicional. El costo de operación es solo del 50 % al 60 % del de los acondicionadores de aire centrales comunes. Ahorra alrededor del 70% de la energía eléctrica en comparación con las calderas eléctricas y la calefacción eléctrica por película.
2.3 Beneficios ambientales significativos
Cuando la bomba de calor de fuente de agua está funcionando, solo necesita el calor o el frío de la fuente de agua, la calidad del agua permanece sin cambios, no produce ningún Contamina, y no consume agua, humo o polvo, sólo consume una pequeña cantidad de electricidad.
En términos de consumo de energía, el ahorro de energía significa protección del medio ambiente. Las emisiones contaminantes provocadas por el uso de bombas de calor de agua son un 40% menos que las bombas de calor de aire y un 70% menos que las calderas eléctricas. Aunque las bombas de calor geotérmicas también utilizan refrigerantes, requieren un 25 % menos de riego que los aires acondicionados convencionales. Las bombas de calor geotérmicas están completamente selladas de fábrica y no tienen fugas cuando se instalan como los acondicionadores de aire divididos.
2.4 Una máquina para múltiples propósitos
La bomba de calor geotérmica puede proporcionar calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria. Es decir, un conjunto de equipos puede reemplazar la caldera y el sistema de aire acondicionado originales, por lo que la inversión única es solo del 50% al 70% de la calefacción y refrigeración tradicionales. Especialmente durante la refrigeración de verano, el calor generado por la bomba de calor se puede utilizar para proporcionar a los usuarios agua caliente sanitaria de forma gratuita. Por lo tanto, las bombas de calor geotérmicas son especialmente adecuadas para edificios con suministro de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria.
2.5 Ahorre recursos terrestres
A excepción de la unidad principal y la bomba de circulación de agua, la bomba de calor de fuente de agua no tiene ningún otro equipo de instalación. En comparación con la sala de calderas, se omiten la sala de tratamiento de agua, la sala de ventiladores, la chimenea, el depósito de carbón y el depósito de escoria, lo que ahorra recursos de tierra.
2.6 El funcionamiento es estable y fiable y la vida útil es larga.
Debido a que la temperatura del agua de la bomba de calor geotérmica es estable, en comparación con la bomba de calor de fuente aérea, se evita el impacto de las heladas y el descongelamiento. Las bombas de calor tienen pocas piezas móviles, requieren poco mantenimiento, funcionan de forma estable y fiable y tienen una vida útil de unos 20 años.
2.7 Alto grado de automatización
Generalmente, las bombas de calor geotérmicas están totalmente controladas por computadora y pueden ajustar el número de compresores de acuerdo con los cambios en las cargas externas, y están equipadas con compresores. Protección contra sobrecalentamiento. Varias medidas de protección, como la protección de corte de agua, pueden realizar un funcionamiento sin supervisión.
Composición del sistema de calefacción con bomba de calor geotérmica
El proyecto de bomba de calor geotérmica generalmente consta de un sistema de agua geotérmica, una sala de máquinas de la bomba de calor y un sistema de enfriamiento de fan coil terminal. Según la forma del sistema de intercambio de calor geotérmico, se puede dividir en sistema de circuito abierto y sistema de circuito cerrado.
El sistema de circuito abierto bombea agua de los pozos (incluidos lagos y ríos), la envía al grupo intercambiador de calor para el intercambio de calor y luego inyecta el agua después de extraer calor o energía fría en el pozo. En circunstancias normales, el agua en el sistema de circuito abierto solo se somete a un tratamiento simple, lo que provocará incrustaciones en la superficie del intercambiador de calor. Los sistemas abiertos son actualmente la forma principal de aplicaciones de bombas de calor geotérmicas.
Los sistemas de circuito cerrado se dividen en sistemas de circuito enterrado vertical y sistemas de circuito enterrado horizontal. Intercambia calor con el suelo a través de un circuito de tubería de polietileno enterrado. Suele ser adecuado para su instalación en edificios más grandes, como villas.
4 Limitaciones de las bombas de calor geotérmicas
Los expertos consideran que las bombas de calor geotérmicas son la forma más amigable y efectiva de calefacción y refrigeración actualmente disponible para los humanos. En los últimos años, se ha desarrollado rápidamente en investigación y aplicación. Sin embargo, debido a las siguientes condiciones objetivas, la aplicación de esta tecnología no está muy extendida.
4.1 Falta de publicidad y comprensión
Aunque la tecnología de bombas de calor geotérmicas es muy elogiada por los expertos en calefacción, requiere el reconocimiento de los líderes en todos los niveles, especialmente de los líderes a cargo de los proyectos. , para ser reconocido en el proyecto. Debido a que esta tecnología se ha desarrollado con el ajuste de la estrategia energética de mi país en los últimos años, incluso algunos técnicos en calefacción no la comprenden suficientemente. Por tanto, para conseguir reconocimiento social es necesario incrementar los esfuerzos publicitarios.
4.2 La política no es lo suficientemente fuerte
La "Ley de Conservación de Energía" de mi país fomenta y desarrolla tecnología combinada de calor y energía y calefacción central, pero no existe una disposición clara para fomentar el desarrollo. de tasas integrales de utilización de energía que duplican la tecnología de bombas de calor geotérmicas.
4.3 Restricciones en las condiciones de la fuente de agua
Si el sistema de bomba de calor de fuente terrestre de circuito abierto tiene suficientes fuentes de agua y si las condiciones geológicas locales del suelo pueden garantizar la implementación sin problemas de la recarga de aguas residuales. , son factores importantes. El requisito previo para la aplicación de la bomba de calor de fuente. En términos generales, cuando se utiliza para calefacción urbana, la relación de superficie del edificio debe ser ≤1. Para los sistemas cerrados, está sujeto a condiciones ambientales como, por ejemplo, si las condiciones geológicas locales son adecuadas para las tuberías enterradas y si hay suficiente terreno para las tuberías enterradas.
4.4 La teoría del cálculo de la transferencia de calor de los sistemas de tuberías enterradas es inmadura.
En la actualidad, las tecnologías de las unidades de bomba de calor geotérmica y los sistemas de refrigeración fan-coil terminales están bastante maduras. Para los sistemas abiertos, el departamento local de conservación de agua también está bastante familiarizado con las condiciones de la fuente de agua; para los sistemas de tuberías enterradas, la teoría actual de cálculo de la transferencia de calor de las tuberías enterradas en el suelo aún no está madura y el diseño está por detrás de las aplicaciones de ingeniería. del proyecto es difícil de garantizar, lo que limita la amplia aplicación de esta tecnología.
4.5 Sujeto a las políticas locales del departamento de conservación del agua
El sur de China es rico en recursos hídricos, pero la mayoría de las áreas del norte carecen de recursos hídricos. Para proteger los recursos hídricos limitados, cada gobierno local ha formulado regulaciones locales de utilización de los recursos hídricos. Aunque el sistema de bomba de calor geotérmico no consume agua ni contamina las aguas subterráneas, sí requiere una gran cantidad de agua como portador de calor. Algunos departamentos locales cobran tarifas dobles por la toma y recarga de agua, de modo que el efecto de ahorro de energía de las bombas de calor geotérmicas no se refleja plenamente, lo que limita el desarrollo de esta tecnología en estas áreas.
Aplicaciones de las bombas de calor geotérmicas
5.1 Aplicaciones en el extranjero
Las bombas de calor geotérmicas se utilizan ampliamente en Japón, Corea del Sur, Estados Unidos, Europa Central y Norte de Europa. Según las estadísticas de 1999, la proporción de bombas de calor geotérmicas en instalaciones de calefacción residencial era del 96% en Suiza, del 38% en Austria y del 27% en Dinamarca. Los sistemas de bombas de calor geotérmicas en los Estados Unidos representaron el 30% de las nuevas construcciones en 1998 y están creciendo constantemente a un ritmo del 10%. Uno de los proyectos de bombas de calor geotérmicas más famosos es un edificio de oficinas frente al mar en Louisville, Kentucky, con un área de servicio de 15,8×104 m2 y un ahorro mensual de 25.000 dólares. Con la aplicación y el desarrollo de esta tecnología, la investigación sobre su organización también se ha desarrollado rápidamente. Según información relevante, la bomba de calor de fuente subterránea de agua de alta temperatura desarrollada en Japón tiene una temperatura de salida del agua de 80 ~ 150 °C y un coeficiente de calentamiento COP de hasta 8,0.
5.2 Aplicación doméstica
El profesor Lu Canren del Instituto de Energía Térmica de la Universidad de Tianjin inició la primera investigación sobre bombas de calor de mi país en 1954 y desarrolló con éxito la primera unidad de bomba de calor refrigerada por agua de mi país. en 1965. . Actualmente, muchas universidades e instituciones de investigación están estudiando las bombas de calor con fuente de agua.
Tsinghua Tongfang Artificial Environment Equipment Co., Ltd. y Shandong Haiyang Fulda fueron los primeros fabricantes de bombas de calor con fuente de agua en China y sus productos se han serializado. En la actualidad, la temperatura del agua de salida de la unidad de bomba de calor ha alcanzado los 65 °C y el coeficiente de enfriamiento COP puede alcanzar 6,7. En la actualidad, los usuarios domésticos típicos son el Distrito Residencial de Energía Eléctrica del Noreste de Shenyang, con un área de servicio de 8×104 m2, el Hospital de la Amistad de Beijing, con un área de servicio de 7,1×104 m2, que ahorra alrededor de 9 yuanes/m2 en calefacción; y costos operativos de refrigeración cada año.
El proyecto de demostración de bomba de calor de fuente de agua en el edificio de oficinas de Zhongyuan Oilfield Drilling Company No. 3 es nuestro primer sistema de bomba de calor de fuente terrestre. Se seleccionaron dos unidades de bomba de calor ZYRB240 desarrolladas y producidas conjuntamente por la Oficina de Ingeniería General de Perforación y la Universidad de Tsinghua, con un área de servicio de 6000 m2. La implementación exitosa de este proyecto definitivamente promoverá la promoción y aplicación de bombas de calor geotérmicas en el campo Zhongyuan.
6 Perspectivas de desarrollo de las bombas de calor geotérmicas
6.1 Cumplir con los requisitos de los departamentos gubernamentales pertinentes.
Las bombas de calor geotérmicas ahorran mucha energía, tienen buenos beneficios ambientales y están en línea con la política energética y la política de protección ambiental de mi país. La tasa integral de utilización de energía de la tecnología de bomba de calor es de aproximadamente 120% ~ 180%. Por lo tanto, el Estado fomenta el desarrollo de tecnología combinada de calefacción, energía y refrigeración como tecnología general de ahorro de energía, lo que promueve el desarrollo de la tecnología de bomba de calor geotérmica.
6.2 Es de interés para el propietario
Porque la bomba de calor geotérmica puede proporcionar calefacción y refrigeración al mismo tiempo. Un sistema puede reemplazar dos sistemas originales con menos inversión. Las bombas de calor geotérmicas ocupan menos espacio, tienen bajos costes operativos y son fáciles de gestionar, lo que está en consonancia con los intereses fundamentales de los propietarios.
6.3 En consonancia con los intereses de los usuarios
El coste de calefacción de una bomba de calor geotérmica es la mitad que el de una sala de calderas centralizada de carbón, y el coste de refrigeración en verano es aproximadamente el 60% del de un enfriador, lo que reduce los costos de calefacción y refrigeración para los usuarios. El gasto en costos de refrigeración redunda en su interés vital.
6.4 Amplio ámbito de aplicación
Los enfriadores solo se pueden utilizar para refrigeración en verano, las unidades enfriadas por aire solo son adecuadas para calefacción y refrigeración en la cuenca del río Yangtze y las bombas de calor geotérmicas. no puede utilizar agua subterránea ni ser enterrado excepto en unas pocas. Es aplicable a la mayoría de las demás áreas excepto las áreas reguladas.
El ámbito de aplicación de 6.5 continúa ampliándose.
Las bombas de calor geotérmicas no solo se están desarrollando rápidamente en la calefacción y refrigeración de edificios, sino que también se utilizan ampliamente en las industrias química, alimentaria, de fabricación de papel, agrícola, metalúrgica, de secado de madera, farmacéutica y otras.
Se prevé que en el año 2000 se utilizarán más de 1.200 bombas de calor geotérmicas en estas industrias, con un fuerte impulso de desarrollo.
En resumen, la tecnología de bombas de calor geotérmicas se ha desarrollado rápidamente en nuestro país en los últimos años debido a sus ventajas únicas. Con el ajuste de la política de estructura energética de mi país, la calefacción tradicional por calderas de carbón y la refrigeración por bomba de calor de fuente de aire de mi país serán reemplazadas por bombas de calor de fuente terrestre más eficientes. Con la investigación y el desarrollo de la tecnología de bombas de calor geotérmicas, se convertirá en la tecnología de calefacción y refrigeración más común y eficaz del siglo XXI.
Referencia
Liu. Introducción al sistema de bomba de calor con fuente de agua 2001
[2]Wu·. Sistema de aire acondicionado con bomba de calor geotérmico. 2001
Nota: Este artículo está citado de "Actas de la Conferencia Nacional de Intercambio sobre Desarrollo y Utilización Geotérmica en Ciudades Productoras de Petróleo", Metallurgical Industry Press, 2003.