Un marco integrado de utilización de bombas de calor geotérmicas para alta - Sistema de montaje fotovoltaico Anhui Co., Ltd

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 371 (2023) Citar este artículo

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Las emisiones de CO2 de las operaciones de construcción han aumentado a su nivel más alto a nivel mundial, alejándose del objetivo del Acuerdo de París de menos de 2 °C. Si bien la geotermia se reconoce como una fuente renovable prometedora, la falta de un marco integrado que guíe la investigación de las bombas de calor de fuente terrestre para las operaciones de construcción, junto con la incapacidad de las herramientas de simulación conocidas para capturar con precisión el rendimiento térmico del suelo, dificulta su aplicación. Esta investigación tiene como objetivo desbloquear las bombas de calor de fuente terrestre para las operaciones de construcción a través de un marco integrado, que incluye una guía de monitoreo mejorada del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) de EE. UU., un prototipo de monitoreo basado en sensores y un enfoque de simulación basado en la función g. Esta investigación propone enmiendas y mejoras a la guía NREL para monitorear la energía geotérmica separando la producción neta de energía térmica de la producción bruta de energía térmica. Se utiliza un edificio de última generación ubicado en Melbourne, Australia, que alberga tecnologías avanzadas, incluidos sistemas de bomba de calor de fuente terrestre, para demostrar y validar el marco de investigación. Un mes de invierno típico en el hemisferio sur, julio de 2021, se monitorea para los sistemas de bombas de calor geotérmicas diseñados y utilizados para la calefacción de espacios. Los resultados revelan que la generación de energía térmica durante los días laborables de julio de 2021 se aproxima a los resultados de la simulación, con una diferencia del 2,2 % en la producción bruta de energía térmica y una diferencia del 0,92 % en la temperatura de entrada. Esta investigación desarrolla y valida un enfoque integrado para evaluar los sistemas de bomba de calor de fuente terrestre, lo que contribuye a la utilización de la energía geotérmica para las operaciones de construcción.

Las emisiones de CO2 de las operaciones de construcción aumentaron a su nivel más alto de alrededor de 10 GtCO2, o el 28 % del total de emisiones de CO2 relacionadas con la energía a nivel mundial en 2019, lo que se alejó del objetivo del Acuerdo de París de mantener el aumento de la temperatura media mundial muy por debajo de los 2 °C1 . Las recientes tendencias y discusiones globales relacionadas con el cambio climático subrayan la necesidad de reemplazar los combustibles fósiles con fuentes de energía renovables a través de tecnologías existentes y emergentes2. Muchos investigadores han confirmado el enorme potencial de la energía geotérmica como fuente de electricidad y como geosistema de calefacción/refrigeración. Lund y Toth (2021) proporcionaron una revisión mundial de la utilización directa de la energía geotérmica y concluyeron que la utilización directa a fines de 2019 alcanzó los 107 727 MWt, un aumento del 52,0 % con respecto a los datos de 20153. Huang (2012) también exploró la energía geotérmica en China y concluyó que el potencial de generación de energía a partir de la energía geotérmica en China es enorme, pero aún está en gran parte sin explotar4. La energía geotérmica brinda importantes oportunidades para edificios de alto rendimiento que requieren energía verde para las operaciones de construcción. UNECE (2022) describe el papel de los edificios de alto rendimiento como 'reducir los requisitos energéticos de los edificios hasta un punto en el que las necesidades residuales pueden satisfacerse con fuentes de energía bajas en carbono o sin carbono'5. Las fuentes de energía renovables como la eólica y la solar han ganado protagonismo en los últimos años. Sin embargo, si bien la energía geotérmica es ampliamente reconocida como una de las fuentes renovables más prometedoras y omnipresentes, la falta de evaluaciones de desempeño disponibles al público dificulta su aplicación6. Por ejemplo, aunque se ha identificado que el potencial geotérmico en Australia es 26 000 veces mayor que el consumo anual de energía primaria del país, la utilización de la geotermia es limitada7. Con las tendencias de las instalaciones de energía geotérmica subvencionada8, vale la pena investigar su potencial para edificios de alto rendimiento.

La energía geotérmica se puede implementar de diferentes maneras dependiendo de la temperatura del suelo: (1) para generar electricidad cuando la temperatura es superior a 150 °C; (2) para aplicaciones de calefacción directa o calefacción y refrigeración indirecta utilizando bombas de calor cuando la temperatura es inferior a 150 °C9. Entre ellos, el uso de bombas de calor, concretamente las bombas de calor geotérmicas (GSHP), ha aumentado significativamente en las últimas décadas en todo el mundo debido a su baja huella de carbono y su capacidad para extraer calor del suelo para la calefacción y refrigeración de edificios en diferentes tipologías climáticas. Esta característica ha aumentado el interés del mercado en invertir en la aplicación y el desarrollo de GSHP como soluciones sostenibles. Para 2020, la capacidad instalada de GSHP alcanzó los 77 547 MWt en todo el mundo, con los países líderes resaltados en la Fig. 13. Más importante aún, estudios previos confirmaron que la eficiencia de los GSHP es mayor que la de otras tecnologías HVAC10, con costos operativos más bajos11. Si bien el costo de instalación de los GSHP sigue siendo más alto que el de los sistemas tradicionales debido al alto costo de capital de las unidades GSHP y la instalación mediante perforación o excavación de zanjas12, podrían ser soluciones competitivas si los gobiernos ofrecen incentivos adicionales.

Líderes mundiales en la instalación de GSHP (consulte Lund y Toth3).

Un sistema GSHP acopla una bomba de calor con uno o más intercambiadores de calor del suelo (GHE) en pozos o zanjas para transferir la energía térmica del suelo al edificio. La Figura 2 ilustra un esquema general de un sistema GSHP, que consta de tres componentes principales: (1) una unidad de bomba de calor geotérmica, como interfaz entre las fuentes interior y exterior, para modificar la temperatura del medio cíclico; (2) un sistema final de aire acondicionado que se ocupe de las cargas de calefacción/refrigeración del edificio; y (3) sistemas de intercambio de calor enterrados para facilitar la extracción de calor13.

Esquemas de un sistema GSHP típico (adoptado de Ruiz-Calvo et al.13).

Hay dos tipos de sistemas para implementar los GHE: (1) sistemas abiertos que usan agua subterránea como medio para el intercambio de calor, en los que no hay barreras entre el agua subterránea y el suelo (Fig. 3A,B); y (2) sistemas cerrados que, a diferencia de los sistemas abiertos, emplean un medio de calor dentro de los intercambiadores de calor, donde los intercambiadores de calor están separados del suelo por pozos verticales o zanjas horizontales (Fig. 3C,D) que contienen tuberías de circulación de alta densidad. y un medio para transportar calor (normalmente es agua). Los GHE verticales superan a sus contrapartes horizontales por varias razones, como la menor área requerida para la instalación y una mayor eficiencia energética14, mientras que la única desventaja es el alto costo inicial de las tuberías, la perforación de pozos y el relleno. Dados los beneficios probados, el mecanismo más utilizado es un GHE vertical cerrado (con un tubo en U instalado dentro de cada pozo)15. Cabe señalar que, en climas dominados por la refrigeración, las bombas de calor inyectan calor a temperaturas más altas en el suelo en verano y provocan aumentos de temperatura en el suelo, lo que hace que el rendimiento de refrigeración de los GSHP sea normalmente inferior al rendimiento de calefacción16. En este sentido, varios estudios han sugerido acoplar GSHP con dispositivos de fuentes de energía auxiliares (GSHP híbridos) como torres de enfriamiento para superar el desequilibrio de temperatura17,18.

Tipos de intercambiadores de calor geotérmicos: sistemas abiertos (A,B) y sistemas cerrados (C-Boreholes, D-Trenches) (adoptado de Eswiasi & Mukhopadhyaya14).

La investigación ha sugerido que es vital monitorear el rendimiento a largo plazo para garantizar la eficiencia y confiabilidad de los sistemas GSHP y evitar problemas potenciales, como energía térmica insuficiente19 y tuberías congeladas20. Aunque se han realizado varios estudios experimentales en todo el mundo, la mayoría de estos estudios se han centrado en la evaluación basada en el control del coeficiente de rendimiento (COP) de las GSHP21,22, donde el COP general de las bombas de calor es la relación entre la energía térmica salida a la entrada de energía requerida por el compresor. Además de calcular el COP de los GSHP, algunos estudios han resaltado los desafíos existentes de la medición y el monitoreo de GSHP, como las instalaciones incorrectas de sensores de temperatura, que pueden afectar significativamente el esquema de medición y medición23. Con este fin, Spitler et al. (2021) realizaron un estudio de seguimiento a largo plazo del rendimiento de un sistema GSHP como parte del programa internacional de investigación e innovación energética en edificios y comunidades, concretamente el Anexo 52 de IEA-EBC, hacia edificios de energía neta cero (NZEB)24. Esta investigación se centró en el análisis de incertidumbre para comprender las medidas monitoreadas y sus errores asociados debido a los sensores instalados. Sin embargo, aún se desconoce su aplicación en flujos de trabajo basados en simulación, y se requieren estudios de casos adicionales con cambios climáticos recientes para investigar el rendimiento del GSHP. Las pautas para monitorear el desempeño de los GHSP también son imperativas. Por ejemplo, el estándar nacional en China (GB/T 50801-2013) evalúa el desempeño de la tecnología geotérmica en tres grados con base en la eficiencia energética de todo el sistema (EER) y sugiere que el monitoreo debe realizarse un mínimo de 15 días después de la el sistema se pone en funcionamiento y se mantiene durante al menos 4 días continuos para obtener resultados precisos25. A pesar de estos ejemplos de estándares nacionales, cada jurisdicción tiende a aplicar diferentes regulaciones para las fuentes de energía geotérmica y, por lo tanto, aún no se ha establecido una definición y un marco comunes26. Como tal, Lu et al.21 concluyeron que existe una necesidad urgente de desarrollar un conjunto de principios para el diseño y operación de GSHP, como pautas complementarias sobre la base de los estándares industriales existentes, entre los que se encuentran las pautas proporcionadas por el National Se puede consultar el Laboratorio de Energía Renovable (NREL)27 para el monitoreo geotérmico en todo el mundo.

Por lo tanto, sigue faltando un marco de seguimiento integrado acompañado de directrices generales. Dada la falta de un marco de monitoreo integrado, subrayado por la revisión de la literatura anterior, es imperativo el desarrollo de un marco de monitoreo integrado acompañado de una guía general para investigar los sistemas GSHP.

La importancia de la simulación del desempeño durante la etapa de diseño de un proyecto ya está bien establecida, y la ausencia de tales herramientas plantearía desafíos significativos en los esfuerzos por diseñar edificios sofisticados, energéticamente eficientes y respetuosos con el medio ambiente28. En las últimas décadas, muchos estudios han investigado el potencial de los GSHP utilizando modelos de software e inteligencia artificial para predecir el rendimiento y obtener configuraciones técnicas óptimas29,30. Se ha descubierto que las propiedades del suelo, las cargas de construcción y los datos meteorológicos son los principales factores que influyen en el diseño y el rendimiento de los sistemas GSHP31, mientras que el proceso de cálculo de la transferencia de calor en los GHE resultó ser un desafío debido a factores inciertos, como las propiedades térmicas del suelo y tasa de flujo de agua subterránea, durante un período32. Sin embargo, la mayoría de los programas de simulación disponibles, como TRNSYS (un entorno de software basado en gráficos que se usa para simular el comportamiento de los sistemas transitorios, como los sistemas de energía térmica y eléctrica) y EnergyPlus (un programa de simulación de energía de edificios completos que se usa para modelar el rendimiento energético). ), no están lo suficientemente desarrollados para capturar con precisión el rendimiento térmico del suelo (p. ej., distribución de temperatura o capacidad calorífica) o la interacción entre los GHE, especialmente durante la operación33,34. Cimmimo (2018) ha señalado que, si bien las simulaciones de GSHP pretendían predecir las temperaturas del fluido de retorno de los pozos, así como las temperaturas del suelo en el campo de perforación, el hecho de no predecir las temperaturas con precisión comprometería la precisión de cualquier sistema y análisis de rendimiento de GSHP posterior. esfuerzos de diseño, especialmente en el caso de los GHE horizontales, donde están más sujetos a las temperaturas de la superficie del suelo debido a la exposición al sol y las condiciones ambientales35.

En consecuencia, se han propuesto métodos de diseño numérico para modelar y simular la respuesta del intercambiador de calor con el fin de predecir las temperaturas del suelo a partir de configuraciones de campo de perforación específicas. El método más utilizado, desarrollado por Eskilson, se denomina 'función g'36. La función G también se conoce como un factor de respuesta térmica que permite cálculos precisos de la temperatura dinámica del fluido y el suelo durante el período de diseño, lo que facilita la predicción del rendimiento del sistema GSHP y el tamaño de los componentes37. Este método fue utilizado por el método de diseño directo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) para el modelado38, y varios estudios han implementado funciones g como entradas de modelo para herramientas de simulación de edificios para predecir GSHP y el rendimiento energético de edificios en un anual o por horas39,40. Otras aplicaciones basadas en EnergyPlus que utilizan funciones g para modelar el rendimiento del campo de perforación del sistema GSHP incluyen GLHEPro y Earth Energy Designer (EED), e incluso la documentación oficial de DesignBuilder recomienda calcular las funciones g de forma externa y ajustarlas de acuerdo con el procedimiento de simulación41.

Sin embargo, el método de función g está limitado por varias suposiciones que pueden afectar su precisión, incluyendo (1) que los pozos en el campo de perforación son de igual dimensión (es decir, longitud y radio), (2) que los pozos están conectados en paralelos, sin interconexiones en serie, y (3) que las perforaciones en el campo estén uniformemente espaciadas42,43. En la mayoría de los sistemas prácticos, estas suposiciones no se cumplen, lo que significa que las funciones g calculadas pueden ser inexactas y esto puede tener un impacto significativo en la simulación de la temperatura del suelo a largo plazo. Cimmino y Bernier presentaron un método para calcular funciones g para pozos conectados en cualquier configuración de conexiones en serie y en paralelo44. El método de función g modificado está disponible para usar como un paquete basado en Python45.

Como se destaca en la revisión de la literatura, la energía geotérmica podría ser potencialmente una gran fuente para edificios de alto rendimiento, con menos huella de carbono y menores costos operativos. Sin embargo, aún no se ha establecido un marco integrado para evaluar los sistemas GSHP a través del monitoreo y la simulación del desempeño. Además, la incapacidad de las conocidas herramientas de simulación para capturar con precisión el rendimiento térmico del suelo también dificulta su aplicación. Por lo tanto, este documento propone un marco integrado para evaluar el rendimiento de los sistemas GSHP, desbloqueando la utilización de energía geotérmica para edificios de alto rendimiento. Los objetivos que subyacen a la investigación presentada en este documento son:

Mejorar y modificar la guía NREL para el monitoreo de la energía geotérmica;

Desarrollar un marco de monitoreo basado en sensores para evaluar el rendimiento energético real de los sistemas GSHP, alineándose con la guía de monitoreo; y

Identificar y validar un enfoque ubicuo y efectivo para la simulación energética de sistemas GSHP basados en datos monitoreados.

Un edificio de última generación ubicado en Melbourne, Australia, se utiliza como estudio de caso para demostrar el marco propuesto, donde la singularidad de la aplicación geotérmica brinda oportunidades para la innovación en la investigación en este documento. Esta investigación tiene como objetivo desbloquear la utilización de GSHP a través de un marco integrado, que incluye una guía de monitoreo mejorada general, un prototipo e instrumento de monitoreo y un enfoque de simulación basado en la función g, lo que permite avanzar en la utilización de la energía geotérmica en edificios de alto rendimiento en todo el mundo.

La metodología que subyace a esta investigación comprende cuatro pilares interconectados, como se ilustra en la Fig. 4: (1) el primer pilar analiza la directriz NREL de EE. UU. y proporciona la justificación para la mejora basada en el análisis, (2) el segundo pilar describe el marco de seguimiento y métricas para monitorear los sistemas GSHP, (3) el tercer pilar cubre el flujo de trabajo basado en la simulación realizado en esta investigación, y (4) el cuarto pilar valida los resultados de la simulación contra las mediciones de campo recopiladas en el segundo pilar, con base en la simulación desarrollada. método basado en un caso real de construcción en Melbourne, Australia.

Marco metodológico y proceso de investigación.

Las pautas apropiadas son imprescindibles para monitorear el desempeño de los sistemas GSHP. Como se discute en la literatura, la guía NREL en los EE. UU. es la más cercana a lo que podría considerarse una guía universal para las aplicaciones del sistema GSHP y, en particular, para medir el rendimiento energético de los edificios42. La directriz NREL clasifica la generación de energía geotérmica como parte de la Producción de energía de la instalación, que se define como el 'Total de toda la energía producida en la instalación y utilizada en la instalación o vendida para su uso en otro lugar, excluyendo las pérdidas dentro de los sistemas de producción de energía. [Incluye] la Producción de Energía Térmica y la energía eléctrica producida por fotovoltaica, eólica, geotérmica u otros medios, menos las Pérdidas del Sistema de Generación Eléctrica.' La Producción de Energía Térmica, por su parte, se define como la 'Energía térmica generada en la instalación por medios como la energía solar térmica o geotérmica, en la medida en que la energía se utilice en la instalación de forma que compense el consumo de energía comprada u otra energía generado en la instalación.' Sin embargo, el protocolo de seguimiento todavía no está suficientemente explicado en la guía NREL. Por ejemplo, no aborda (1) si la producción de energía térmica de los sistemas GSHP debe medirse en las entradas o salidas de los GSHP, a pesar de que esta es una consideración importante al caracterizar la relación entre la producción de energía térmica y el consumo de electricidad. por GSHP; o (2) qué debe medirse con el fin de evaluar la producción de energía térmica si el consumo de electricidad de los GSHP no se controla por separado. Por lo tanto, se proponen una serie de enmiendas y mejoras a la guía para el monitoreo de energía de los sistemas GSHP, como se describe a continuación.

A los efectos de esta investigación, se debe tener en cuenta que la producción bruta de energía térmica se define como la generación total de energía térmica que se puede usar directamente para la operación del edificio y se puede monitorear en los puntos de salida de los GSHP, como se ilustra en la Fig. 5. Con base en la primera ley de la termodinámica, la energía utilizada por el GSHP también contribuye a la generación bruta a través de la conversión de energía. Por lo tanto, la Producción Neta de Energía Térmica se define como la Producción Bruta de Energía Térmica menos el consumo eléctrico de las bombas de calor geotérmicas, y se puede monitorear en los puntos de entrada de las GSHP, como se ilustra en la Fig. 5. Producción Neta de Energía Térmica, Producción Bruta de Energía Térmica , y el consumo eléctrico de los GSHP tienen la siguiente relación (Ec. 1).

Producción neta y bruta de energía térmica en GSHPs.

Como tal, cuando hay submedidores dedicados para la producción bruta de energía térmica y el consumo eléctrico de los GSHP, la producción neta de energía térmica se puede derivar utilizando la ecuación. (1). De manera similar, cuando hay submedidores dedicados para la producción neta de energía térmica y el consumo eléctrico de los GSHP, la producción bruta de energía térmica también se puede derivar utilizando la ecuación. (1). Sin embargo, en la mayoría de los edificios, no hay submedidores dedicados para monitorear el consumo eléctrico de un GSHP individualmente y, en cambio, el consumo eléctrico de un GSHP generalmente se monitorea junto con otros componentes. En este escenario, la generación de energía térmica solo puede monitorearse colocando medidores térmicos en los puntos de entrada de los GSHP para monitorear la producción neta de energía térmica. En caso contrario, se sobrecontará la generación de energía térmica incorporando la conversión energética del consumo eléctrico de los GSHP.

Para evaluar el desempeño real, se debe desarrollar un prototipo de monitoreo inteligente para los sistemas GSHP que se alinee con las pautas disponibles. En comparación con los de otros sistemas de energía renovable, como la energía solar fotovoltaica, los sistemas de monitoreo para las tecnologías geotérmicas están menos desarrollados y deben personalizarse para edificios específicos. Por lo tanto, en esta investigación se propone un prototipo de monitoreo que utiliza medidores térmicos y sensores de temperatura, junto con registradores de datos o un Sistema de Gestión de Edificios (BMS, por sus siglas en inglés) para los sistemas GSHP. La generación de energía real se puede adquirir de los medidores térmicos.

En la directriz NREL, la generación de energía bruta de GSHP se utiliza como indicador de generación de energía; sin embargo, con base en la primera ley de la termodinámica, la energía utilizada por el GSHP también contribuye a la generación bruta a través de la conversión de energía. Por lo tanto, el prototipo de monitoreo propuesto en esta investigación incorpora consideraciones clave para el diseño e instalación del instrumento, incluyendo (1) métricas de medición, es decir, qué se debe medir para lograr los objetivos de la investigación; y (2) ubicaciones de instalación, es decir, dónde instalar el instrumento para monitorear el desempeño, en base a los objetivos de monitoreo y en consonancia con la guía de monitoreo mejorada. Además, en esta investigación, tanto la energía térmica como la temperatura se evalúan y validan, con las ubicaciones de los instrumentos alineadas con los resultados de la simulación para fines de validación. En este sentido, se instalan medidores térmicos en los puntos de salida del lado de suministro de los sistemas GSHP con el fin de monitorear la Producción Bruta de Energía Térmica. También se instalan sensores de temperatura adicionales en los puntos de entrada del lado de la fuente de los sistemas GSHP para monitorear la temperatura del agua que circula desde el subsuelo, lo que representa la respuesta térmica de los circuitos de agua.

Para abordar la brecha de investigación identificada, se realizan cálculos de función g de terceros para el modelado GHE; Luego, los resultados se integran en la herramienta de simulación de edificios, DesignBuilder, para el posterior análisis del rendimiento energético de los sistemas GSHP. Esta investigación también examinará el impacto de los datos de función g calculados de forma independiente en las simulaciones/análisis de rendimiento energético, lo que se logrará mediante la comparación y validación con los resultados monitoreados.

En esta investigación, se utiliza el enfoque de función g propuesto por Cimmino (2014) para simular la respuesta térmica de los pozos, con base en la temperatura efectiva de la pared del pozo44. La temperatura efectiva de la pared del pozo se define en función de la temperatura del fluido de entrada y la resistencia térmica efectiva del campo del pozo. Luego, estas funciones g se superponen en el tiempo para obtener la variación efectiva de la temperatura de la pared del pozo debido a la tasa variable de extracción de calor en el campo del pozo según la siguiente expresión37:

donde \(T_{b}^{*}\) representa la temperatura efectiva de la pared del pozo, \(T_{0}\) indica la temperatura del suelo no perturbada, \(\overline{Q}^{^{\prime}}\ ) denota la tasa promedio de extracción de calor por unidad de longitud del pozo, y \(g\) representa la función g del campo del pozo. La temperatura efectiva de la pared del pozo está relacionada con la temperatura media del fluido en el campo del pozo a través de la resistencia térmica del campo del pozo, como se expresa a continuación37:

donde \(\overline{{{\text{T}}_{{\text{f}}} }} = 0.5\left( {{\text{T}}_{{{\text{f}}, {\text{in}}}} + {\text{T}}_{{{\text{f}},{\text{out}}}} } \right)\) representa la media aritmética de la entrada y la temperatura del fluido de salida en el campo de perforación, y \(R_{campo}^{*}\) representa la resistencia térmica efectiva del campo de perforación.

Luego se emplea una plataforma basada en Python, Pygfunction, para calcular las funciones g45. Cabe señalar que Pygfunction es un módulo de Python utilizado para el modelado de campos de perforación geotérmica y el cálculo posterior de los factores de respuesta térmica, o funciones g, para estos campos de perforación46. Se basa en la solución de fuente de línea finita analítica para la evaluación de la interferencia térmica entre pozos en el mismo campo de perforación, lo que permite el cálculo rápido de funciones g. Pygfunction se puede utilizar para predecir variaciones en la temperatura del pozo y en la evaluación de las temperaturas del fluido del pozo. La característica notable de Pygfunction ausente en herramientas comparables es que permite el cálculo de pozos interconectados de diferentes longitudes y radios.

En este sentido, el primer paso para calcular la función g para cualquier campo de perforación dado usando Pygfunction es crear la representación del modelo del campo de perforación usando los módulos Pygfunction Boreholes and Networks. Sin embargo, para modelar ubicaciones precisas de pozos, se requiere un archivo .txt con el formato correcto que contenga las coordenadas, la profundidad y el radio. Los datos de coordenadas de la perforación se pueden extraer de los dibujos de AutoCAD (u otro software de dibujo) para el campo de la perforación y se pueden usar para completar un archivo de texto formateado (.txt). Para este propósito, el módulo Boreholes en Pygfunction contiene información sobre las dimensiones y posiciones (coordenadas) de los pozos. Se pueden ejecutar varios scripts de Python de ejemplo diferentes para el modelado de formas de campo de perforación regulares, incluidas configuraciones de campo de perforación en forma de L, en forma de U y circular.

Las interconexiones en serie entre los pozos en el campo también deben modelarse en el módulo Redes dentro de Pygfunction, que es una característica crítica de Pygfunction en comparación con otras herramientas. Este módulo se utiliza para modelar las redes/interconexiones en serie, paralelas y mixtas entre pozos en el campo. Garantizar que el diseño de la red se simule exactamente como se construyó es fundamental para obtener una función g calculada con precisión, y esta función representa una diferencia clave entre Pygfunction y otros métodos computacionales y de modelado, que están limitados en términos de su capacidad para manejar complejidades dentro de las interconexiones y bucles del pozo. La metodología innovadora propuesta en esta investigación se esfuerza por llenar este vacío en gran parte no abordado.

En el módulo Redes dentro de Pygfunction, la variable 'bore_connectivity' se usa para la creación del modelo en red. La variable se puede crear usando las siguientes reglas, como se describe en las instrucciones: "Índice de la entrada de fluido en cada pozo donde − 1 representa un pozo conectado a la entrada del campo de pozo. Si no se proporciona este parámetro, las conexiones paralelas entre los pozos son utilizado. El valor predeterminado es Ninguno". Por ejemplo, para un campo de perforación con 6 perforaciones (etiquetadas del 0 al 5) conectadas en dos circuitos (0–1–2 y 3–4–5), el resultado sería: bore_connectivity = [− 1, 0, 1, − 1, 3, 4], donde − 1 indica que el pozo está conectado a la entrada del campo. El modelo de pozo y el modelo en red creados también se pueden visualizar mediante secuencias de comandos de Python.

Después de crear el modelo de campo de perforación basado en la función Pyg, el siguiente paso es realizar los cálculos de la función g para la configuración de campo de perforación dada. El módulo de función g dentro de Pygfunction se utiliza para este propósito. La configuración y las propiedades de los pozos en el campo se definen mediante el módulo Boreholes, y luego se usa el módulo de función g para calcular la función g. Cabe señalar que las funciones G se pueden calcular para campos con condiciones de temperatura de fluido de entrada iguales, campos con temperaturas de fluido de entrada mixtas, extracción de calor uniforme a lo largo de los pozos y temperatura uniforme de la pared del pozo. Para temperaturas de fluido de entrada mixtas debido a las conexiones en serie entre los pozos en cada circuito o red, se utilizan los siguientes parámetros para calcular la función g para un campo de pozo: (1) lista de pozos incluidos en el campo de pozo; (2) caudal másico de entrada a cada circuito de la red, m_flow (kg/m2); (3) capacidad calorífica isobárica específica del fluido, cp (J/kg°C); y (4) difusividad térmica del suelo, alfa (m2/s).

Finalmente, la función g calculada se importa a una herramienta de simulación que acomoda funciones g para la simulación de sistemas GSHP. Un software basado en EnergyPlus, DesignBuilder, es una de las herramientas que utilizan funciones g para la simulación energética de los sistemas GSHP. Se pone a disposición de los usuarios una amplia gama de bombas de calor para modificar los componentes de calefacción y refrigeración, el caudal, la capacidad de calefacción, los coeficientes de potencia del compresor de calefacción, etc. Además, los datos del componente GHE se modelan a través de un cuadro de diálogo simple como parte del sistema DesignBuilder HVAC. Mientras tanto, los datos de función g calculados se importan al programa DesignBuilder para realizar el análisis de rendimiento energético y simular las temperaturas de entrada/salida del suelo.

Como parte del procedimiento de validación, la producción bruta de energía térmica y la temperatura de entrada del lado de la fuente de los sistemas GSHP se simulan mediante DesignBuilder y luego se comparan con las mediciones de campo descritas en la sección "Supervisión del rendimiento". La validación del enfoque de simulación proporciona una base sólida para la implementación del marco propuesto en esta investigación. A este respecto, se selecciona como estudio de caso un edificio líder de energía cero (ZEB) en Melbourne. La temperatura promedio de la ubicación de este edificio se ilustra para cada mes en la Fig. 6. Cabe señalar que un ZEB se define como un edificio que genera tanta energía de fuentes renovables como la que consume anualmente y que no requiere energía de origen fósil. combustibles anualmente durante la operación. El edificio del caso utiliza una combinación de tecnologías renovables, que incluyen geotérmica, solar fotovoltaica y solar térmica, para lograr el objetivo de construcción de energía cero, y es el primer edificio en Australia que utiliza pilotes de cimentación para la generación de energía geotérmica. Otras tecnologías utilizadas en este edificio incluyen calefacción hidrónica en losa, unidades de aire acondicionado compacto (PAC), unidades de fancoil y enfriamiento por evaporación. Hay dos GSHP conectados a los intercambiadores de calor geotérmicos del suelo que extraen energía térmica para fines de calefacción de edificios. El edificio del caso y la sala de la planta geotérmica se ilustran en la Fig. 7. La singularidad de la aplicación geotérmica en este clima brinda oportunidades para la innovación en la investigación, como se describe en este documento. Por lo tanto, el marco de investigación desarrollado se aplica a la construcción de este caso para comprender mejor y avanzar en la utilización de la energía geotérmica, incluso a través del monitoreo del rendimiento y la simulación de energía y las mejoras propuestas en las pautas de monitoreo.

Temperatura promedio de la ubicación del sitio.

Case edificio y sala de máquinas.

El campo de perforación geotérmica consta de 220 pozos integrados con intercambiadores de calor del suelo, instalados a dos profundidades diferentes (192 pozos instalados a una profundidad de 13 m bajo tierra y 28 pozos instalados a una profundidad de 100 m bajo tierra). El diseño del pozo para el edificio se muestra en la Fig. 8. Los intercambiadores de calor de suelo 220 están integrados en 13 circuitos, y cada circuito presenta varios pozos interconectados en serie, lo que da como resultado temperaturas de fluido de entrada mixtas debido a las conexiones en serie entre los pozos en cada circuito. o red.

Disposición del campo de perforación geotérmica.

El campo de perforación geotérmica modelado en Pygfunction se ilustra en la Fig. 9, mientras que el diseño de la red de campo de perforación se muestra en la Fig. 10. Con base en los parámetros requeridos para las temperaturas del fluido de entrada mixto, el script de Python se usa para calcular la función g para la construcción del caso, con las funciones g resultantes presentadas en la Fig. 11.

Campo de perforación geotérmica de construcción modelada con Pygfunction.

Disposición de la red de campo de perforación.

Vista gráfica de la función g de construcción de casos.

Finalmente, con el fin de realizar un análisis de rendimiento con el programa basado en EnergyPlus, DesignBuilder V745, los datos de la función g calculados con Pygfunction se importan al programa. El editor de archivos de datos de entrada (IDF) en EnergyPlus se puede usar para este propósito, o se puede usar un comando simple de copiar y pegar para transferir la función g calculada. En función de la función g calculada, se simulan la generación de energía térmica y la temperatura de entrada de los GSHP en el lado del suministro, que reflejan la respuesta térmica de los circuitos de agua subterráneos.

Para evaluar el desempeño real, el instrumento de monitoreo desarrollado se instala en el edificio de la caja de acuerdo con la guía mejorada. Para lograr los objetivos de investigación para este caso de construcción, tanto la energía térmica como la temperatura se miden con fines de evaluación y validación. Con base en el marco de monitoreo propuesto, se diseña e instala un instrumento de monitoreo personalizado para la construcción del caso, con las consideraciones clave para el diseño e instalación del instrumento en esta investigación que incluyen: (1) métricas de medición, es decir, producción bruta de energía térmica y la temperatura de entrada de los GSHP; y (2) ubicaciones de instalación, que se determinarán de acuerdo con la guía de monitoreo mejorada y los resultados de la simulación con fines de validación.

En esta investigación, se instalan kits de medidores térmicos en los puntos de salida del lado de suministro de los GSHP para monitorear la energía térmica bruta generada. Se instalan sensores de temperatura adicionales en los puntos de entrada del lado de la fuente de los GSHP para monitorear la temperatura del agua que circula desde el subsuelo, ya que esto representa la respuesta térmica de los circuitos de agua. Las ubicaciones de instalación se ilustran en la Fig. 12. Los datos monitoreados se almacenan en el BMS, donde es fácilmente accesible y descargable. Los datos recopilados se utilizan para la evaluación y validación del rendimiento energético frente a los resultados de la simulación, como se describe a continuación.

Diagrama esquemático del sistema GSHP.

Dado que los dos GSHP se utilizan para la calefacción de espacios en la temporada de invierno pero luego se apagan durante la mayor parte de la temporada de verano, los datos recopilados durante un mes típico de invierno, julio, se utilizan para el análisis y la validación en esta investigación. La energía térmica bruta generada a partir de los GSHP monitoreados durante los días hábiles de julio de 2021 se enumera en la Tabla 1 y se representa en la Fig. 13. La diferencia general entre la producción de energía monitoreada y simulada es del 2,2 %, con una Desviación absoluta media (MAD) de 150.3.

Producción de energía térmica monitoreada y simulada.

La temperatura de entrada por hora de los GSHP se monitoreó durante el mismo mes, es decir, julio de 2021. La temperatura promedio simulada basada en la función g calculada para julio es de 15,14 °C, mientras que la temperatura promedio monitoreada es de 15,00 °C. resultando en una diferencia de 0.92% en la temperatura de entrada. Los resultados y la comparación entre los datos simulados y monitoreados demuestran y respaldan la eficacia del marco general propuesto en esta investigación.

Las operaciones de construcción han aumentado a su nivel más alto en alrededor de 10 GtCO2, o el 28% del total global de emisiones de CO2 relacionadas con la energía a nivel mundial. Dado el presupuesto general de carbono y las tendencias actuales de las emisiones de CO2 de las operaciones de construcción, la temperatura global posiblemente podría aumentar por encima de los 2 °C47. La energía geotérmica brinda oportunidades significativas para reducir los impactos de la operación de edificios, y está recibiendo una atención cada vez mayor en el diseño de edificios sostenibles en todo el mundo debido a su confiabilidad y otros beneficios informados. Sin embargo, la falta de un marco integrado que guíe la investigación de los sistemas GSHP, junto con la incapacidad de herramientas de simulación tan conocidas como EnergyPlus para capturar con precisión el rendimiento térmico del suelo, dificulta su aplicación.

Las pautas son imprescindibles para monitorear el desempeño de las tecnologías geotérmicas, y la pauta NREL en los EE. UU. es la más cercana a una guía integral para aplicaciones GSHP. La directriz NREL clasifica la generación de energía geotérmica como parte de la producción de energía de las instalaciones, es decir, la producción de energía térmica. Sin embargo, el protocolo de monitoreo en la guía NREL aún no se ha explicado suficientemente. Por ejemplo, no aborda si la producción de energía térmica de los sistemas GSHP debe medirse en las entradas o salidas de los GSHP, o qué debe medirse con el fin de evaluar la producción de energía térmica si el consumo de electricidad de los GSHP no se controla por separado. . Por lo tanto, se requieren enmiendas y mejoras a la guía para el monitoreo de energía de los sistemas GSHP. Además, para evaluar el desempeño real de los sistemas GSHP, se debe desarrollar un marco de monitoreo inteligente alineado con las pautas mejoradas.

Si bien el uso de GSHP se está generalizando, la simulación precisa del rendimiento también es fundamental. Estos sistemas generalmente se diseñan utilizando intercambiadores de calor terrestres que están vinculados a bombas de calor, y la simulación se puede usar para predecir el comportamiento y las temperaturas de los circuitos del intercambiador de calor terrestre. Sin embargo, la mayoría de los programas de simulación disponibles, como TRNSYS (para simular el comportamiento de los sistemas transitorios) y EnergyPlus (interfaz de modelado de energía de todo el edificio), no están lo suficientemente desarrollados para capturar con precisión el rendimiento térmico del suelo (por ejemplo, distribución de temperatura o calor). capacidad) o la interacción entre los GHE. En consecuencia, se han propuesto métodos de diseño numérico para modelar y simular la respuesta del intercambiador de calor de campo perforado, entre los cuales la 'función g' desarrollada por Eskilson es el método más utilizado. Este método fue utilizado por varios estudios y aplicaciones, incluidas las aplicaciones basadas en EnergyPlus, como GLHEPro y DesignBuilder. Sin embargo, el método de la función g está limitado por varias suposiciones, incluido que los pozos en el campo de perforación tienen la misma dimensión (es decir, longitud y radio), lo que puede afectar su precisión. Cimmino y Bernier presentaron un método para calcular funciones g para pozos conectados en cualquier configuración de conexiones en serie y en paralelo. La investigación presentada en este documento aborda la utilización de GSHP a través de un marco integrado, que incluye una guía NREL mejorada general, un prototipo e instrumento de monitoreo basado en sensores y un enfoque de simulación basado en funciones g.

Esta investigación propone enmiendas y mejoras a la guía NREL para monitorear la energía geotérmica separando la producción neta de energía térmica de la producción bruta de energía térmica. La producción bruta de energía térmica se define como la generación total de energía térmica que se puede utilizar directamente para el funcionamiento del edificio, mientras que la producción neta de energía térmica se define como la producción bruta de energía térmica menos el consumo eléctrico de las bombas de calor geotérmicas. Sin estas mejoras, la generación de energía térmica se podría sobrecontar incorporando la conversión energética del consumo eléctrico de los GSHP. Esta investigación también propone un prototipo de monitoreo que utiliza medidores térmicos y sensores de temperatura, junto con registradores de datos o un BMS para el monitoreo. Con las consideraciones clave de las métricas de medición y las ubicaciones de instalación determinadas en función de los objetivos de investigación y en consonancia con la directriz de monitoreo mejorada, los medidores térmicos se instalan en los puntos de salida del lado del suministro de los sistemas GSHP para monitorear la producción bruta de energía térmica. Se instalan sensores de temperatura adicionales en los puntos de entrada del lado de la fuente de los sistemas GSHP para monitorear la temperatura del agua con fines de evaluación y validación.

Este documento también verifica el método de la función g modificada para simular el rendimiento de las tecnologías geotérmicas. Para predecir la generación de energía térmica, esta investigación utiliza una aplicación de código abierto llamada Pygfunction, un paquete basado en Python, para el cálculo de funciones g. Esta aplicación supera las limitaciones y suposiciones hechas por otros métodos de cálculo populares. En particular, se crea una secuencia de comandos de Python para calcular funciones g para cualquier campo de perforación no uniforme y espaciado arbitrariamente con series mixtas e interconexiones paralelas entre pozos. Se utiliza un edificio de casos de última generación ubicado en Melbourne para demostrar y validar el marco propuesto. Este edificio consta de 220 pozos de longitudes no uniformes conectados en una configuración mixta serie-paralelo. El modelo computacional desarrollado es capaz de acomodar las interconexiones en serie entre los pozos y la falta de uniformidad de los pozos en el campo (ya que los pozos son de diferentes longitudes), y las funciones g calculadas se utilizan para simular la producción geotérmica. Luego, los resultados de la simulación se comparan con los datos monitoreados del edificio del estudio de caso. Los resultados revelan que: (1) la generación de energía térmica durante los días hábiles de julio de 2021 se acerca a los resultados de la simulación, con una diferencia del 2,2 % en la producción bruta de energía térmica; (2) la temperatura promedio simulada para julio es de 15,14 °C y la temperatura promedio monitoreada es de 15,00 °C, lo que da como resultado una diferencia de 0,92 % en la temperatura de entrada. Como tal, los resultados y la comparación entre los datos simulados y monitoreados demuestran la eficacia del marco propuesto.

Esta investigación contribuye al avance de la utilización de GSHP al proporcionar un marco integrado, que incluye una guía de monitoreo mejorada general, un prototipo e instrumento de monitoreo, y un enfoque de simulación basado en la función g. Esta investigación está sujeta a varias limitaciones que deben ser consideradas cuando la metodología se emplea en otros estudios. Si los sistemas GSHP están diseñados para calefacción y refrigeración, sería beneficioso un período de estudio más largo que abarque varias estaciones para evaluar cómo funciona el sistema en las épocas cálidas y frías del año. Basado en el monitoreo a largo plazo, se puede realizar un análisis estadístico más completo en futuras investigaciones. También será beneficioso si las pautas de monitoreo brindan orientación sobre los períodos mínimos de monitoreo para diferentes escenarios y propósitos de diseño, que pueden abordarse en investigaciones futuras. Otra vía potencial de investigación futura sería investigar más y más variados tipos de casos en todo el mundo, ya que esto ayudaría a sacar conclusiones más completas basadas en el tipo de edificio y el perfil de energía renovable del edificio bajo investigación.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria. Póngase en contacto con el autor correspondiente para solicitar datos de este estudio.

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Descargar referencias

El equipo de investigación reconoce el liderazgo y el apoyo del Sr. Shayne La Combre, director ejecutivo del Centro de Acción Climática de la Industria de la Plomería (PICAC), Melbourne, Australia. También agradecemos el apoyo de la Junta de PICAC dirigida por la Presidenta, la Sra. Carmel Coate, y el Sr. Earl Setches, expresidente inmediato. El equipo agradece el apoyo financiero del Departamento de Industria, Innovación y Ciencia del Gobierno de Australia, a través del programa de subvenciones Innovation Connections (ICG001255). También nos gustaría agradecer a todos los interesados en el proyecto y a los principales consultores: Hutchinson Builders, FMSA arquitectos, Skott Consulting, Cooke and Dowsett, Entire Mechanical Services y Automated Logic. Estamos agradecidos por la experiencia geotérmica y el diseño de los sistemas GSHP a través de GeoExchange Australia y Geothermal Industries. También reconocemos específicamente el aporte técnico de los ingenieros consultores de servicios de construcción Norman Disney Young (NDY). También se brindó apoyo a nuestros estudiantes de posgrado a través de NDY.

Escuela de Arquitectura y Entorno Construido, Universidad Deakin, Geelong, Australia

Hong Xian Li y Daniel E. Okolo

Stantec, Nivel 3/52 Merivale St., Brisbane, Queensland, Australia

Amir Tabadkani

Facultad de Ingeniería de Ciencias y Medio Ambiente Construido, Universidad de Deakin, Geelong, Australia

tony arnel

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de Alberta, Edmonton, Canadá

Dongming Zheng

Escuela de Ingeniería, Universidad RMIT, Melbourne, Australia

Shi largo

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Correspondencia a Hong Xian Li.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Li, HX, Okolo, DE, Tabadkani, A. et al. Un marco integrado de utilización de bombas de calor geotérmicas para edificios de alto rendimiento. Informe científico 13, 371 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27704-2

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Recibido: 08 febrero 2022

Aceptado: 06 enero 2023

Publicado: 07 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27704-2

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