{h1}
članci

Dinamičko toplinsko modeliranje zatvorenih petlji sustava geotermalne toplinske pumpe

Anonim

Zašto je dinamičko toplinsko modeliranje tako bitno za dizajn sustava zatvorenog petrovičnog toplinskog sustava

Dizajn sustava grijanja i klimatizacije (HVAC) temelji se na "tradicionalnim" plinskim kotlovima i kompresijskim parafaznim hladilima, što može biti veličine s razumnom razinom pouzdanosti jednostavno određivanjem vršnog toplinskog i hlađenja opterećenja određene zgrade. To nije slučaj za sustave zatvorene petlje topline. Izvor topline i sudoper za takav sustav je stijena i zemlja koja okružuje petlje zemlje. Tijekom godine temperatura tla varira sinusno, jer se toplina odbaci u zemlju (hlađenje) ili se odstupa od tla (postupak grijanja).

Radna učinkovitost toplinske pumpe u velikoj mjeri ovisi o temperaturnoj razlici između temperature ulazne vode na izvornoj strani od petlji prizemlja i vode na sustavu (voda za hlađenje hladne vode (CHW) / niske temperature (LTHW)). Što je razlika temperature manja, učinkovitija će toplinska pumpa djelovati. Da bismo razumjeli sezonsku učinkovitost sustava Geotermalne toplinske crte zatvorene petlje, stoga je potrebno simulirati sezonsku varijaciju u temperaturi zemlje koja okružuje geotermalne petlje.

Nadalje, važno je da postoji razumna ravnoteža između ukupne godišnje toplinske energije odbačene na tlo i koja se odstupa. Značajna neravnoteža rezultirat će postupnim porastom temperature tla tijekom uzastopnih godina, u slučaju hlađenja koji se dominira profilom opterećenja; ili postupnog smanjenja temperature, za profil opterećenja dominirajućeg grijanja. Povećanje temperature tla tijekom sukcesivnih godina konačno će rezultirati padom učinkovitosti hlađenja toplinskom pumpom (kao što je razlika između geotermalne vode i temperature CHW), kao i smanjenje hlađenja topline pumpe i obrnuto za rad grijanja.

Proces simulacije toplinske pumpe za zatvorenu petlju

Korak 1: Generiranje godišnjih profila opterećenja grijanja i hlađenja

Prvi korak u simuliranju izvedbe postrojenja je utvrđivanje godišnjih profila opterećenja grijanja i hlađenja. Izvođenje točnih godišnjih profila opterećenja za grijanje i hlađenje zahtijeva korištenje sofisticiranih alata za simulaciju koji se koriste zajedno s realnim procjenama dinamičkog popunjavanja, rasvjete i opterećenja opreme.

Za analizu vršnog opterećenja često se pretpostavlja da opterećenje popunjenosti, rasvjetom i opremi stoji na konstantnom vrhuncu - to je, naravno, vrlo nerealno i ako se koristi za godišnju analizu energije, rezultirat će grubom prekomjernom procjenom potrošnje energije za hlađenje i jednake ispod procjena u grijanju.

Inženjeri trebaju biti oprezni u korištenju osnovnijeg softvera Dynamic Thermal Modeling (DTM) koji je dostupan na tržištu. Također je važno da DTM točno modelira HVAC sustav i kontrole. Upotreba predložaka generičkih sustava može dovesti do značajnih netočnosti i treba ih koristiti s oprezom.

Korak 2: Izračunavanje apstrakcije i odbijanja topline između toplinskih crpki i polja provrta

Nakon što je izvedeno godišnje profile grijanja i hlađenja HVAC sustava, sljedeća faza analize je izračunati apstrakciju i odbijanje topline od i do polja geotermalnog bušenja.

Kada se u načinu rada za grijanje, toplina izvučena iz tla (QAbstraction) izračunava na sljedeći način:

Kod hlađenja, toplina koja se odbaci na tlo (QRhejection) izračunava se na sljedeći način:

Izračun topline apstrakcije i odbijanja stvara situaciju 'piletina i jaje' jer zahtijeva da je poznat operativni koeficijent učinkovitosti (COP) toplinskih pumpi. Međutim, radni ciklus COP-a za toplinsku crpku može se odrediti jedino iz poznavanja geotermalne temperature polja koja se, zauzvrat, računa iz stope apstrakcije i odbijanja topline.

Problem je kružni. Kako bi se prekinuo ovaj zastoj, potrebno je napraviti početnu procjenu rada COP-a za toplinsku crpku. Slika 4 prikazuje godišnji profil opterećenja grijanja i hlađenja prikazan u mjesečnim 'spremnicima' za jasnoću. Slika 5 prikazuje toplinu apstrakcije i odbijanja.

Slika 4: Godišnji profil opterećenja grijanja i hlađenja - mjesečni podaci

Slika 5: Godišnja toplina profila apstrakcije / odbijanja - mjesečni podaci

Očigledno je kada uspoređujete dva grafikona da relativno uravnoteženi profili opterećenja grijanja i hlađenja prikazani na slici 4 zapravo dovode do neravnoteže u razmjeni topline s provrtnim poljem, a toplina odbijanja dominira nad toplinom apstrakcije. To je zato što toplina koju emitira kompresor pomaže toplinsku pumpu u načinu rada za grijanje, ali otežava rad u načinu hlađenja.

Korak 3: Veličenje polja geotermalnog provrta

Nakon što je izračunata godišnja toplina apstrakcije i odbijanja, može se odrediti godišnja varijacija u temperaturi polja geotermalnog bušenja. Unos podataka koji se traži od softvera za određivanje veličine ogrjevne topline zatvorene petlje je široko sličan; zahtijevajući od korisnika da odredi sljedeće:

  • Oblik polja provrta (vertikalna, vodoravna i sl.)
  • Svojstva temperature tla
  • Opis zemljanog sloja (dubina, svojstva materijala itd.)
  • Svojstva cijevi izmjenjivača topline
  • Geotermalna svojstva tekućine cirkulacije (etilen / propilen glikol itd)
  • Detalji toplinske pumpe (maksimalni kapacitet, COP i sl.)
  • Opterećenja apstrakcije / odbijanja topline.

Nema čvrstih i brzih pravila koja reguliraju dimenzioniranje geotermalnog polja, iako proizvođači toplinske pumpe preporučuju da se temperatura polja izlaze iz polja ne smije propuštati izvan najmanje 5 ° C i maksimalno 32 ° C.

Za godišnje toplinske opterećenja apstrakcije i odbacivanja prikazane na slici 5, s minimalnim i maksimalnim graničnim veličinama od 8 ° C i 30 ° C, izračunava se godišnji profil temperature izlaznog voda kako je prikazano na slici 6 i potrebna dužina bušotine od 9097m (72 bušotine, svaka 128m dubina).

Slika 6: Godišnji profil geotermalne temperature polja izlaza vode

Korak 4: Utvrđivanje COP toplinske pumpe i vršnog kapaciteta

Utvrđivanjem godišnjeg profila temperature izlaza iz geotermalnog polja, moguće je utvrditi godišnju varijaciju u COP operaciji toplinske crpke, kao i varijacije vršnog toplinskog i rashladnog kapaciteta. Slike 7 i 8 prikazuju odnos između ulaska temperature geotermalne vode (izvorne temperature) i COP. Slike 9 i 10 prikazuju odnos između ulaska temperature geotermalne vode i vršnog kapaciteta grijanja / hlađenja.

Slika 7 Odnos između COP-a grijanja i ulaska temperature izvora vode

Slika 8 Odnos između hlađenja COP i ulazak temperature izvora vode

Slika 9. Odnos između kapaciteta grijanja i ulaska temperature izvora vode

Slika 10. Odnos između kapaciteta hlađenja i ulaska temperature izvora vode

Slika 11 Godišnja varijacija u toplinskoj crpki COP - mjesečni podaci

Slika 12 Godišnja varijacija u vršnom kapacitetu grijanja i hlađenja - mjesečni podaci

Korištenjem izraza danih na slikama 7 i 8 u kombinaciji s godišnjim temperaturom za ispuštanje vode iz polja, prikazanom na slici 6, sada je moguće izvesti godišnju varijaciju u COP-u za grijanje i hlađenje, kao što je prikazano na slici 11.

Korištenjem izraza danih na slikama 9 i 10 u kombinaciji s godišnjim temperaturnim profilom vode iz napuštanja polja, moguće je izvući godišnju varijaciju u vršnom kapacitetu grijanja i hlađenja pojedine toplinske pumpe, kao što je prikazano na slici 12. To nam omogućuje određivanje potreban maksimalni broj potrebnih toplinskih crpki i kako se broj toplinskih crpki na mreži mijenja tijekom vremena - ključni čimbenik u određivanju parazitske snage pumpe povezanog sa sustavom.

U 2. koraku metodologije analize raspravljalo se o potrebi procjene početnih COP vrijednosti. Nakon što je dovršila prvu iteraciju analize i izvedena kompletna godišnja varijacija u COP-u (Slika 11), ove se vrijednosti sada trebaju priključiti u korak 2 analize kako bi se dobila točnija toplina apstrakcijskih i odbijanja. Taj se iterativni postupak treba ponoviti sve dok vrijednosti COP u stupcu 2 ne odgovaraju onima izračunanim u koraku 4.

Korak 5: Parazitske terete

Prilikom provođenja komparativne analize mogućih mogućnosti opreme za grijanje i hlađenje, bitno je da se računaju parazitska opterećenja (snaga pumpe, ventilatori rashladnog tornja itd.) Koja se odnose na svaku opciju. Ovisno o tome je li implementirana stalna ili promjenjiva brzina crpne strategije, doprinos parazitskih opterećenja ukupnoj potrošnji energije u sustavu može biti značajan. Slika 13 prikazuje godišnju varijaciju u potrošnji energije pumpe Geothermal, CHW i LTHW.

Slika 13 Potrošnja energije godišnje potrošnje cirkulacije - mjesečni podaci

Korak 6: Komparativna analiza

Kako bi se dobila neka perspektiva relativnog učinka toplinske pumpe s zatvorenom petljom, nužno je dobiti usporedne podatke za alternativne opcije sustava grijanja i hlađenja. Idealno je da podaci trebaju biti izvedeni iz istog godišnjeg opterećenja za grijanje i hlađenje korišteni u analizi Geotermalne Toplinske crpke zatvorene petlje.

Neuravnoteženo godišnje opterećenje grijanja i hlađenja

Proces simulacije koji je opisan u prethodnom odjeljku koristi kao svoj primjer pomalo idealiziranim scenarijem u kojem je godišnja toplina apstrakcije gotovo jednaka godišnjoj toplini odbijanja. To rezultira godišnjim profilom geotermalne temperature vode koja počinje 1. siječnja na 8 ° C i završava 31. prosinca na istoj 8 ° C (vidi sliku 6). Nerijetko je slučaj da će zgrada izlagati takav slučajno uravnotežen profil opterećenja grijanja i hlađenja.

Grijanje dominira opterećenjima

Gdje je dominantan godišnji profil opterećenja grijanja i hlađenja teži grijanju, neravnoteža će rezultirati znatno većom količinom toplinske energije koja će biti zahvaćena iz tla tijekom sezone grijanja, nego što se nadopunjava tijekom hlađenja. Tijekom narednih godina, to rezultira postupnim padom temperature Zemlje koja okružuje geotermalne provrte.

Pad temperature vode iz polja provrta bit će popraćeno postupnim padom COP-a grijanja i posljedičnim povećanjem operativnih troškova. Vrhunski kapacitet grijanja toplinskih crpki također će postupno pasti.

Pad temperature Zemlje zapravo će poboljšati hlađenje COP-a toplinskih crpki. Međutim, budući da je profil opterećenja toliko težak grijanjem, smanjenje godišnje potrošnje energije za hlađenje relativno je neznatno u usporedbi s povećanjem energije grijanja.

Hlađenje dominira teretima

Utjecaji jako opterećenog profila opterećenja uglavnom su slični, ali obrnuto. Postoji postepeni porast temperature Zemlje tijekom uzastopnih godina, i posljedična smanjenja hlađenja COP-a. Povećanje temperature zemlje i smanjenje COP su nelinearni. Kako temperatura tla povećava gubitak topline u okolini također se povećava. Nadalje, kod viših temperatura geotermalnih izlaznih voda, količina topline odbačena u zemlju počinje se smanjivati ​​jer toplinske crpke više ne mogu zadovoljiti zahtjeve za vršnim hlađenjem. Rezultat tih fenomena je da će srednja godišnja zemaljska temperatura na kraju doseći ravnotežu: u jednoj nedavnoj simulaciji to je postignuto nakon otprilike 12 godina rada.

Ublažavanje neuravnoteženih opterećenja

Unatoč gore opisanim negativnim utjecajima, neuravnoteženi profil opterećenja ne treba isključiti upotrebu sustava Geotermalne toplinske crpke zatvorene petlje. Opisane u sljedećim naslovima su različite mjere ublažavanja koje se mogu poduzeti kada se bave neuravnoteženim opterećenjima.

Povećajte veličinu polja geotermalnog polja

Rješenje koje se često predlaže kada se suočava s problemom neuravnoteženih profila opterećenja grijanja i hlađenja je povećati veličinu polja geotermalnog bušenja. Ovo je skupe opcije, a ne najučinkovitije. Povećanje veličine bušotinskog polja ne poduzima ništa za rješavanje neravnoteže u opterećenju, samo usporava neizbježan porast / smanjenje temperature zemlje.

Prebacivanje opterećenja mijenjanjem dizajna MEP sustava

Sasvim učinkovitiji pristup je namjerno manipuliranje profilima opterećenja grijanja i hlađenja mijenjanjem dizajna sustava Mehanički, Električni i Vodovodni (MEP). Na primjer, profil opterećenja dominirajućim hlađenjem može se vratiti u ravnotežu, barem u nekom dijelu, tako što se radi promjene konstrukcije od ovlaživača električnog otpora do tipa isparavanja.

Dvovalentni sustavi - strana za opterećenje

Neravnoteže u godišnjem opterećenju grijanja i hlađenja također se mogu riješiti dimenzioniranjem sustava kako bi se zadovoljile osnovno opterećenje, dok se topni kotlovi i / ili rashladni uređaji koriste za zadovoljenje potreba za vršnim opterećenjem. Ovaj dvojni pristup obično se naziva 'dvovalentni sustav'. Osim u svrhu uravnoteženja opterećenja dvovalentni pristup dizajnu sustava često rezultira optimalnim razdobljem povrata za instalaciju zatvorene petlje geotermalne toplinske pumpe. Problem s bivalentnim pristupom je to što zahtijeva ponovnu ugradnju opreme kao što su rashladni uređaji, rashladni tornjevi, cijevi i sl. Čije uklanjanje može biti jedan od pokretača za odabir sustava zatvorenog petrovičnog sustava toplinske crte na prvom mjestu.

Dvovalentni sustav - izvorna strana

Alternativni dvovalentni pristup sustavu problema neuravnoteženih opterećenja je usmjeravanje izvora strane toplinskih crpki umjesto tereta. To znači da toplinske pumpe osiguravaju 100% opterećenja za grijanje i hlađenje, ali da je polje geotermalnog bušenja dopunjeno u rješavanju toplote apstrakcije i odbacivanja. Na primjer, s profilom opterećenja dominirajućim hlađenjem, grijesi apstrakcije i odbacivanja iz i do polja provrta mogu se staviti u ravnotežu odbacivanjem dijela topline preko rashladnog tornja.

Pored ljetnog odmrzavanja topline, rashladni toranj može pomoći u balansiranju profila opterećenja dominirajućeg hlađenja operativnim tijekom zime. Pokretanje tornja tijekom zime učinkovito nameće 'false ' opterećenje grijanja na polju bušotine, prije hlađenja zemlje koja okružuje geotermalne provrte i time smanjuje porast temperature tijekom ljeta.

Za profile opterećenja koji su dominantni za grijanje može se postići sličan učinak uravnoteženja korištenjem dvovalentnog sustava pri čemu solarni toplinski kolektori tijekom ljeta nameću pogrešno hlađenje.


Preporučeno

Uvod u pasivnu kuću - pregled

Vraćanje Clitheroe Pinnaclea

Mrežni plin