ASHRAE - American Society of Heating@ Refrigerating and Air-Conditioning Engineers@ Inc.
Alcance
"INTRODUCCIÓN La hibridación de los sistemas de bombas de calor geotérmicas (también conocidos como sistemas de bombas de calor acopladas a tierra o de fuente terrestre) se logra incorporando rechazo de calor suplementario o equipos adicionales@ tales como torres de enfriamiento@ enfriadores de fluido@ calderas@ y colectores solares@ con el Bucle de intercambiador de calor terrestre (GHE). En términos más generales, la hibridación de sistemas de bombas de calor geotérmicas podría incluir el acoplamiento de cualquier fuente de calor o sumidero a un circuito GHE. Por lo tanto, la hibridación permite que parte de la carga térmica del edificio se intercambie a través del equipo suplementario. antes de que tenga lugar la transferencia de calor con el suelo. En los sistemas de bombas de calor geotérmicas (GHP) no hibridados que atienden cargas térmicas de edificios dominadas en gran medida por calefacción o refrigeración, se producirá un desequilibrio térmico anual de las cargas térmicas del suelo. Por ejemplo, en calefacción En edificios dominados por edificios un sistema de bomba de calor geotérmica no hibridada extraerá anualmente más energía del suelo de la que rechazará, lo que provocará que la temperatura promedio del volumen del suelo disminuya con el tiempo. A medida que disminuye la temperatura promedio del suelo@, la calidad térmica de la fuente de calor para el ciclo de la bomba de calor se degrada (una fuente de calor a una temperatura progresivamente más baja)@ causando que el coeficiente de rendimiento (COP) de la bomba de calor se deteriore. De manera similar, en los edificios dominados por la refrigeración, se rechaza al suelo más energía de la que se extrae de él y anualmente la temperatura promedio del suelo aumentará, lo que resulta en un disipador de calor térmicamente degradado (un disipador de calor a una temperatura progresivamente más alta) para el calor. ciclo de la bomba. Las condiciones de desequilibrio térmico en el suelo harán que el sistema GHP funcione a capacidades cada vez más reducidas y, en última instancia, pueden provocar fallas en el sistema debido al deterioro continuo del COP de la bomba de calor. Para evitar fallas sin hibridación en edificios dominados por calefacción o refrigeración, los circuitos del intercambiador de calor terrestre deben dimensionarse para satisfacer las cargas máximas anuales de calefacción y refrigeración durante toda la vida útil del sistema, lo que requiere circuitos del intercambiador de calor terrestre excesivamente grandes y costosos. y campos de perforación. La importancia de la hibridación radica en el hecho de que se puede utilizar para equilibrar completamente las cargas térmicas del suelo anualmente, evitando así que se produzca la degradación térmica del sumidero/fuente del ciclo de la bomba de calor. Además, equilibrar las cargas terrestres anualmente cambiando la parte desequilibrada a una unidad de transferencia de calor suplementaria elimina una limitación implícitamente incorporada en la vida útil del funcionamiento energéticamente eficiente en dichos sistemas. Se logra un equilibrio térmico en la carga del volumen del suelo a través de intercambiadores de calor de circuito de tierra de modo que anualmente la magnitud de la energía extraída sea igual a la magnitud de la energía rechazada, asegurando las temperaturas máximas y mínimas del fluido de entrada de la bomba de calor (temperatura de la transferencia de calor). fluido que regresa a la bomba de calor desde el suelo) permanezca constante dentro de un rango aceptable para el funcionamiento del ciclo de la bomba de calor con las eficiencias diseñadas. El equilibrio térmico de las cargas del suelo dimensiona implícitamente el circuito del intercambiador de calor del circuito de tierra para la carga menos dominante del edificio a las temperaturas permitidas del fluido de entrada de la bomba de calor@ y, como consecuencia, los sistemas híbridos permiten el uso de campos de perforación más pequeños@ y de menor costo. Sin embargo, el diseño de sistemas híbridos aumenta la complejidad del proceso general de diseño de BPH debido a la adición de otro componente transitorio al sistema. Por ejemplo, como las cargas de los edificios muestran un comportamiento dependiente del tiempo, las condiciones aceptables para el rechazo suplementario de calor a la atmósfera en un edificio dominado por la refrigeración y para la recarga solar del suelo en un edificio dominado por la calefacción también son funciones de las condiciones climáticas que dependen del tiempo. disponibilidad y temperatura del circuito de tierra. En consecuencia, es mejor analizar los sistemas GHP híbridos cada hora (ya que los datos meteorológicos típicos también están disponibles en intervalos de una hora) para una evaluación precisa y confiable del comportamiento térmico general del sistema. El diseño preciso de los sistemas GHP híbridos es esencialmente un problema de optimización, ya que el tamaño de los componentes suplementarios (área requerida del colector solar, torre de enfriamiento o capacidades de enfriamiento por líquido) y la longitud del bucle GHE estipulan la gestión de múltiples grados de libertad en múltiples parámetros de diseño del sistema bajo condiciones de restricción del equilibrio de carga térmica anual en el suelo en un rango deseado de temperatura del fluido de entrada de la bomba de calor. Además, el diseño de sistemas GHP híbridos debe utilizar un algoritmo de control apropiado para la operación del sistema para el equilibrio de carga en el suelo. Es evidente que el diseño adecuado, preciso y fiable de sistemas híbridos de GHP es bastante difícil y engorroso sin el uso de un método de simulación detallado del sistema. Además, sin un esquema de optimización automatizado acoplado al programa de simulación del sistema, la actividad de diseño en sí puede resultar tediosamente impráctica y consumir mucho tiempo. El objetivo general del trabajo presentado en este documento es desarrollar un enfoque de optimización para el diseño de sistemas GHP híbridos en edificios dominados por calefacción y refrigeración que equilibre eficazmente las cargas térmicas del suelo @ basándose en el "estado del arte" actual. "" Métodos de simulación del sistema. Sin embargo, cabe señalar que el equilibrio de las cargas de tierra puede producir o no un sistema económicamente optimizado, ya que el enfoque se basa en minimizar la longitud del bucle de tierra bajo el supuesto de que el bucle de tierra es la parte más costosa del sistema. Se podría optar por optimizar un sistema basándose en el costo del ciclo de vida utilizando un enfoque de simulación de sistema similar. Sin embargo, intentar encontrar un coste óptimo del ciclo de vida está plagado de incertidumbres en los indicadores económicos y los precios futuros de la energía. Por esta razón, se prefiere un enfoque de diseño que minimice la longitud total del circuito de tierra equilibrando las cargas anuales del suelo y aún se pueden realizar cálculos económicos utilizando los resultados de dimensionamiento del enfoque de optimización propuesto en este documento".