Proyecto de pozo geotérmico combinado con bomba de calor de fuente de agua en la comunidad Jinhan Lvgangjiayuan, Shunyi, Beijing

Zhao Jiankang Zhang Yong Zou Dengliang Huang Changjun He Yuncheng Yang Junwei Shi Hanjing Li Weifang

(Instituto de Investigación Geotérmica de Beijing)

Resumen: El artículo presenta el Jinhan Green Harbor Home Community en Shunyi, Beijing Los pozos geotérmicos combinan calefacción con bomba de calor de fuente de agua y tecnología de utilización integral de recursos geotérmicos para proporcionar baños de aguas termales. Con base en este proyecto, el autor brinda la relación entre el volumen de agua del pozo geotérmico, la temperatura del agua y el área de calefacción. Esta relación tiene un significado orientador para la demostración temprana de proyectos de calefacción geotérmica. Este artículo se centra en un análisis detallado de los costos operativos de los pozos geotérmicos combinados con la tecnología de calefacción con bomba de calor de fuente de agua. Las investigaciones muestran que el costo operativo de la calefacción mediante pozos geotérmicos combinados con la tecnología de bomba de calor es de 18 yuanes/m2, lo que es inferior al estándar de carga de calefacción central de Beijing de 24 yuanes/m2. Al mismo tiempo, el costo de bañarse en aguas termales. es mucho menor que bañarse en agua caliente del grifo.

1 Introducción

En el pasado, los recursos geotérmicos de temperatura media y baja, especialmente el agua geotérmica alrededor de 50 ℃, generalmente solo se usaban para baños de aguas termales, plantación y reproducción, y rara vez se usaban. utilizado para calentar. Esto se debe principalmente a que los requisitos de temperatura del agua de suministro y retorno para la calefacción por radiadores antigua son relativamente altos, generalmente 95 ℃/70 ℃. Es difícil que el agua geotérmica de 50 ℃ alcance los requisitos de temperatura ambiente a través de la calefacción por radiadores. En la actualidad, con el desarrollo de la tecnología de calefacción por suelo radiante, la tecnología de fan coil y la tecnología de techo radiante, la temperatura de la fuente de calor requerida para la calefacción se ha reducido considerablemente. Generalmente, entre 40 y 45 °C pueden satisfacer las necesidades de calefacción. Esto proporciona un amplio espacio de mercado para la calefacción geotérmica directa y la tecnología de bomba de calor geotérmica.

Beijing Shunyi Jinhan Lvgang Home Community es un proyecto integral de utilización geotérmica llevado a cabo por nuestro hospital que utiliza recursos geotérmicos de temperatura media y baja para calefacción y baños termales. La parte interior del proyecto adopta calefacción por suelo radiante y utiliza tecnología de bomba de calor para satisfacer básicamente las necesidades de calefacción y baños de aguas termales de una zona residencial de 230.000 m2 con tres pozos geotérmicos, haciendo un uso eficaz de los recursos geotérmicos de baja temperatura. El uso de energía geotérmica limpia para calefacción y aguas termales en los hogares ha mejorado enormemente la calidad de las residencias. No solo proporciona a los residentes un buen ambiente de vida y calidad atmosférica, sino que también proporciona a los desarrolladores generosos retornos.

2 Descripción general del proyecto

Jinhan Greenport Home es una comunidad residencial integral a gran escala que integra residencias, hoteles, restaurantes y entretenimiento. La superficie total de construcción es de 630.000 m2. El área de construcción de la primera fase es de 230.000 m2 y el área de edificación pública es de 30.000 m2. La carga total de calefacción y refrigeración de la parte del edificio público de Jinghan Green Harbor Home es la siguiente: Carga de calefacción: el índice de calor por unidad de área en invierno es de 41 W/m2, con un total de 9430 kW. Parte del edificio público: el índice de refrigeración de la unidad en verano; es de 80W/m2, con un total de 2400kW.

Con base en los indicadores técnicos de frío y calor anteriores y las condiciones geológicas del área, nuestro hospital propone utilizar pozos de aguas termales geotérmicas combinados con tecnología de bomba de calor con fuente de agua para calefacción y baños de aguas termales en invierno, y utilizar calefacción radiante por suelo radiante al final de la sala de calefacción; utilizar bombas de calor de fuente de agua en verano. La unidad y el pozo de agua fría proporcionan refrigeración al edificio público, y se utiliza una unidad fancoil al final. Este proyecto es un proyecto de utilización integral de energía geotérmica profunda y energía geotérmica poco profunda.

3 Determinación de la cantidad de agua necesaria para calefacción y refrigeración

3.1 Derivación de la relación entre el área de calefacción y refrigeración y la cantidad de agua

Según la ley de conservación de energía, podemos deducir la relación entre el área de calefacción y la cantidad de agua requerida. A partir de esto, la cantidad de agua subterránea requerida se puede determinar en función de la cantidad de agua requerida. área de calentamiento; de manera similar, el área que se puede calentar también se puede determinar en función de la salida de agua y la temperatura del agua del pozo geotérmico.

a.Calefacción directa

Energía geotérmica superficial: Actas de la Conferencia Nacional de Intercambio de Experiencias de Campo sobre Desarrollo y Utilización de Geotermia (Energía Geotérmica Superficial)

Dónde: S es la superficie de calefacción, m2; q es la carga térmica por unidad de superficie, W/m2; J es el coeficiente equivalente de trabajo térmico, 4187 julios/kcal; ρ es la densidad del agua, 1 T/m3; c es la capacidad calorífica específica; de agua, 1×103kcal /T·℃; Q es la salida de agua del pozo geotérmico, m3/h; t1 es la temperatura de salida del agua del pozo geotérmico, ℃ es la temperatura del agua de cola después del calentamiento, ℃.

b. Calefacción combinada con tecnología de bomba de calor

Energía geotérmica superficial: Actas de la Conferencia Nacional de Intercambio de Experiencias de Campo sobre Desarrollo y Utilización de Geotermia (Energía Geotérmica Superficial)

Fórmula: cop es el coeficiente de calentamiento de la unidad de bomba de calor, generalmente 4; t3 es la temperatura del agua de cola después de extraer calor a través de la bomba de calor, ℃.

Se puede ver en las relaciones (1) y (2) que el área de calentamiento del pozo geotérmico es directamente proporcional a la cantidad de agua geotérmica. Cuando la cantidad de agua es constante, es proporcional a la diferencia de temperatura utilizada, es decir, cuanto mayor es la diferencia de temperatura utilizada, mayor es el área de calentamiento.

Los pozos geotérmicos combinados con la tecnología de bomba de calor para calefacción pueden aumentar la diferencia de temperatura en la utilización del agua geotérmica, reduciendo correspondientemente la demanda de agua geotérmica, logrando así el propósito de utilización intensiva de los recursos geotérmicos. Por ejemplo, t2 en las ecuaciones de relación (1) y (2) es generalmente de alrededor de 40 °C, mientras que t3 es de alrededor de 10 °C, lo que aumenta la diferencia de temperatura de utilización en 30 °C. Para un pozo geotérmico con una temperatura del agua de salida de 70°C, la tecnología de bomba de calor puede permitir que un pozo geotérmico ejerza la eficacia de dos pozos geotérmicos, lo que no sólo ahorra inversión, sino que también ahorra valiosos recursos geotérmicos.

3.2 Determinación de la cantidad requerida de agua de pozo geotérmico

Se sabe que la carga de calefacción total de la comunidad es de 9430 kW la temperatura del agua de cola después de la extracción de la unidad de bomba de calor; el calor se puede reducir a 7 ° C; según un análisis confiable de datos geológicos, se predice que el volumen de agua y la temperatura del agua del pozo geotérmico serán de 55 ° C, 60 m3 / hy 3000 m de profundidad. la Formación Wumishan del Sistema Jixian.

Con base en los datos conocidos anteriores, se puede concluir que el volumen de agua del pozo geotérmico requerido es: 126 m3/h.

3.3 Determinación de la cantidad necesaria de agua fría de pozo

Del mismo modo, según la ley de conservación de la energía, la relación entre la cantidad de agua y el área de refrigeración para la refrigeración en edificios públicos se puede obtener:

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

Donde: EER es el índice de eficiencia energética del calor unidad de bomba, la relación entre la capacidad de enfriamiento obtenida y la energía eléctrica de entrada, generalmente 5; t1 es la temperatura del agua de salida del pozo de agua fría, ℃ es la temperatura del agua durante la recarga, ℃;

Se sabe que la carga de enfriamiento total es de 2400 kW; la temperatura de salida del pozo de agua fría es de 15 °C, el volumen de agua y la profundidad del pozo es de 27 °C; Según los datos conocidos anteriormente y sustituidos en la relación (3), el agua requerida para la parte del edificio público de 30.000 m2 se puede obtener como: 206 m3/h.

4 Diseño del esquema técnico de ingeniería

El requisito de calefacción de este proyecto es un caudal de agua geotérmica de 55 °C de 126 m3/h. Según los datos hidrogeológicos conocidos, dos pozos geotérmicos pueden encontrarse. Necesidades de volumen de agua. La situación de recarga de los pozos geotérmicos en esta zona es buena y un pozo de recarga puede satisfacer las necesidades. Por lo tanto, el diseño del proyecto de calefacción utiliza tres "unidades de bomba de calor de pozo geotérmico" (dos de bombeo y una de llenado) para satisfacer las necesidades de calefacción de la superficie de construcción de 230.000 m2 de la primera fase del edificio y de los baños termales de la comunidad. residentes.

El suministro de agua de refrigeración que necesitan los edificios públicos requiere 206 m3/h de agua de pozo fría. Sin embargo, la profundidad del pozo regional es de 100 m y el volumen de agua puede alcanzar los 80 m3/h, por lo que se pueden conectar tres pozos de bombeo. las necesidades. La situación de recarga en esta zona es media y la relación bombeo-riego es de 1:2, por lo que el número total de pozos de agua fría es 9. La unidad de bomba de calor de pozo de agua fría se utiliza para satisfacer las necesidades de refrigeración de los edificios públicos en verano. La tecnología de calefacción por suelo radiante se utiliza en el extremo interior y unidades fancoil en el extremo del edificio público.

Para cumplir con los requisitos de temperatura del agua de entrada y salida en el lado del evaporador de la unidad de bomba de calor con fuente de agua, y debido a que el agua del pozo geotérmico no puede ingresar directamente a la unidad para su uso, el agua del pozo geotérmico se utiliza para el intercambio de calor a través de un intercambiador de calor de placas. El caudal de entrada de agua en el lado primario del calentador es de 120 toneladas/hora, la temperatura es de 55 °C y la temperatura del agua de salida es de 9 °C. en el lado secundario (lado de la unidad de bomba de calor con fuente de agua) es de aproximadamente 750 toneladas/hora, la temperatura del agua de entrada es de 7 °C y la temperatura del agua de salida es de 750 toneladas/hora. La temperatura es de 15 ℃. El volumen de agua secundario puede satisfacer los requisitos de volumen de agua total de la unidad durante todas las operaciones.

5 Análisis de costos de operación

5.1 Equipos principales y distribución de energía en la sala de cómputo (Tabla 1)

Tabla 1 Equipos principales y distribución de energía en la sala de cómputo

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Se estima provisionalmente que el número total de otros equipos es de 150 kW. La distribución total de energía se estima provisionalmente en 2880,2 kW. El consumo máximo de energía en invierno es de 2880,2kW y en verano de 300kW.

5.2 Análisis de costos y costos operativos

Los costos operativos de calefacción incluyen principalmente los siguientes elementos: costos de electricidad, salarios y beneficios del personal, depreciación de equipos, tarifas de mantenimiento anual, impuestos diversos, etc. .

El funcionamiento de 6 unidades de bomba de calor puede satisfacer la carga máxima. El calor máximo que 6 unidades pueden proporcionar en invierno es de 9504 kW. Cuando las unidades funcionan a plena carga en invierno, el consumo total de energía de la unidad. propia y sus equipos auxiliares relacionados es de 2880,2kW.

Calcule los costos operativos en invierno basándose en la carga de energía anterior (2880,2 kW), suponiendo que el tiempo de funcionamiento diario promedio a carga completa es de 12 horas. El costo anual de electricidad operativa del equipo de solución de fuente de calor y frío de aire acondicionado central con bomba de calor con fuente de agua es: 2,405,6 millones de yuanes (invierno).

Dado que este proyecto adopta tecnología de control automático, solo requiere 6 personas para el mantenimiento durante la operación (tres turnos). El salario del personal es:

6 personas × 4 meses × 1.600 yuanes/. (Persona-mes) = 38.400 yuanes

La vida útil de todos los equipos es de 15 años y el pozo de agua es de 15 años. Los gastos de depreciación anual son: equipo, 770.000 yuanes/año de agua; yuanes/año; Total 1,6 millones de yuanes. La tarifa de mantenimiento anual es de 100.000 yuanes. Un total de 4.144.000 yuanes. El coste operativo anual equivalente por metro cuadrado es de 18 yuanes/m2. El precio actual de la calefacción central en Beijing es de 24 yuanes/m2 y la calefacción de gas natural es de 30 yuanes/m2. Por lo tanto, el uso de pozos geotérmicos combinados con tecnología de bomba de calor con fuente de agua para la calefacción urbana no sólo es técnicamente factible, sino que también tiene una ventaja de precio. .

El pozo geotérmico de la comunidad no solo sirve como fuente de calor para la calefacción, sino que también proporciona baños de aguas termales en la comunidad. Cuesta 23 yuanes usar un calentador de agua eléctrico para calentar una tonelada de agua del grifo y 14 yuanes usar un calentador de agua a gas. Sin embargo, sólo se requiere un impuesto sobre recursos minerales de 3,5 yuanes por tonelada para los baños domésticos en aguas termales geotérmicas. En climas extremadamente fríos, cuando hay un conflicto entre la calefacción y el agua de baño, se pueden activar pozos de agua fría para reducir los picos.

6 Conclusiones y aclaraciones

Es técnicamente factible utilizar pozos geotérmicos combinados con tecnología de bomba de calor con fuente de agua para calefacción urbana y baños de aguas termales, y el costo operativo también es ventajoso en comparación con gas. Lo que es más importante es que los recursos geotérmicos son una fuente de energía limpia y casi renovable que no emite gases ni materiales de desecho y es muy útil para mejorar la calidad del aire de la ciudad.

La calefacción por pozo geotérmico combinada con tecnología de bomba de calor tiene las siguientes ventajas sobre la calefacción por bomba de calor con fuente de agua ordinaria:

(1) Mientras se calienta, se pueden proporcionar baños termales al mismo tiempo. ;

(2) Debido a la alta temperatura del agua, la necesidad de volumen de agua se reduce correspondientemente, lo que reduce el número de pozos y el área ocupada;

(3) La la profundidad de los pozos geotérmicos es generalmente de 3000 m. El agua caliente extraída generalmente es agua de fisuras del lecho rocoso, que casi no tiene impacto en el hundimiento de la tierra. Los pozos de agua fría generalmente tienen alrededor de 80 metros de largo, y la mayoría de ellos extraen agua confinada en el acuífero cuaternario, que tiene; un impacto ligeramente mayor.

Las principales desventajas son que el coste de los pozos geotérmicos es mayor y los riesgos de perforación también son mayores.

Los pozos geotérmicos combinados con la tecnología de calefacción por bomba de calor con fuente de agua proporcionan una nueva idea para la calefacción geotérmica de baja temperatura. La mayoría de las ciudades de mi país cuentan con este recurso geotérmico de baja temperatura. Si se puede utilizar ampliamente, tendrá una importancia muy positiva para resolver la contaminación del aire urbano, ahorrar energía y ahorrar espacio.

Referencias

[1] Qi Xiaojun. Hidrogeología e Ingeniería Geológica. Beijing: Water Conservancy and Electric Power Press, 1985

[2] Zhou Nianhu. Desarrollo de recursos Un libro completo sobre el uso de objetos físicos. Beijing: China Geological Science Press, 2005

[3] Lu Yaoqing HVAC Design Guide Beijing: Construction Industry Press, 1990

[4] He Manchao et al. Tecnología de ingeniería geotérmica de entalpía media y baja de China. Beijing: Science Press, 2004

[5] Zhu Jialing et al. Tecnología de aplicación y desarrollo de energía geotérmica. Prensa, 2006