地源热泵系统能源技术评估.doc
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1、地源热泵系统能源技术评估摘要:地源热泵空调系统以高效节能、环境污染小,运行稳定可靠等优点为节能和环保提出了一个新的发展方向。本文介绍了地源热泵系统的原理,通过案例对地源热泵系统进行分析,并提出了采用辅助冷却的地源热泵系统,进一步提高效率,达到节能的目的。关键词:地源热泵 效率 辅助冷却 热经济性Abstract: The ground source heat pump air-conditioning system has provided a new developing direction for energy efficiency and environmental protection
2、 technology with its advantages such as high efficiency, low environment pollution, stable running, etc. In this article, the author illustrates the mechanism of the GSHP technology, analyzes the exergy efficiency of GSHP through one case and provides supplement heat rejecter on GSHP. It will improv
3、e the exergy efficiency further to achieve the goal of energy saving.Keywords: ground source heat pump exergy efficiency supplement heat rejecter Thermo-economics1.研究背景随着经济的发展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供热和空调已经成为普遍的需求。在发达国家,供热和空调的能耗可占到社会总能耗的2530。据统计,我国历年建筑能耗在总能耗中的比例是1920左右,平均值为19.8。其中,用于暖通空调的能耗约占建筑能耗的851。热泵是
4、通过做功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。建筑的空调系统一般应满足冬季的供热和夏季制冷两种相反的要求。传统的空调系统通常需分别设置冷源(制冷机)和热源(锅炉)。建筑空调系统由于必须有冷源(制冷机),如果让它在冬季以热泵的模式运行,则可以省去锅炉和锅炉房,不但节省了初投资,而且全年仅采用电力这种清洁能源,大大减轻了供暖造成的大气污染问题。采用热泵技术为建筑物供热可大大降低供热的燃料消耗,不仅节能,同时也大大降低了燃烧矿物燃料而引起的CO2和其他污染物的排放。热泵利用的低温热源如表1-1(以武汉为例)2所示。热泵按照所用的热源可分为空气源热泵、地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵等。其
5、中的地表水源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵由于都是利用储存于地下的太阳能,故统称为地源热泵。表1-1 热源的评价准则热源种类地下水土壤地表水空气太阳能热源温度最高22242838最低1294-4温度与气候的关系几乎可忽略不计随所在深度不同而略有时延时间上有延迟,甚至可结冰完全有关巨大是否随时可得几乎无限制冬天土壤的单位热负荷可达很大有限制,严寒时水温低,甚至结冰受限制,在外界温度较低时,通常为双联运转性能差是否随处可得受到严格控制,需要当局许可取决于土壤块的大小和位置受到强烈限制无限制取决于可安置集热器的屋顶或墙面2.地源热泵系统2.1地源热泵系统的原理以建筑物空调(包括供热和制冷)为目的的热
6、泵系统有许多种,例如有利用建筑通风系统的热量(冷量)的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。这里主要讨论利用周围环境作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分,国外的文献通常把它们分为空气源热泵 (Air-Source Heat Pump,ASHP) 和地源热泵(Ground-Source Heat Pump,GSHP)两大类。3这里研究的主要为地源热泵。地源热泵利用大地(土壤、地层、地下水)作为热源。由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度,远高于冬季的室外温度,又低于夏季的室外温度,因此地源热泵可克服空气源热泵的技术障碍,且效率大大提高。此外,冬季通过热泵把
7、大地中的热量升高温度后对建筑供热,同时使大地中的温度降低,即蓄存了冷量,可供夏季使用;夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地,对建筑物降温,同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这在地源热泵系统中大地起到了蓄能器的作用,进一步提高了空调系统全年的能源利用效率。42.2地源热泵系统的优点(1) 节能。地表或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,是很好的热泵冷、热源。这种温度特性使得地源热泵系统比传统空调系统运行效率要高 40%60%5,因此要节能和节省运行费 4060%左右。此外,地能温度较恒定的特性,使热泵机组运行更为可靠、稳定,保证了系统的高效性和经济性。(2) 利用可再生能源,缓解能源危机。
8、地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400m深)作为冷热源,进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地能,地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了47的太阳所散发的到地球上的能量,比人类每年利用能量的500倍还多,它不受地域资源等限制,这种储存于地表浅层并类似十一种无限的可再生能源,使得地能成为清洁的可再生能源的一种形式。(3) 对环境的污染减少。地源热泵对环境的污染大大减少,污染物的排放,与空气源热泵相比,相当于减少了40以上,如结合其他节能措施,节能减排量会更明显,显然也采用了制冷剂,但比常规空气装置减少了25的充灌量,装置运行几乎没有任何污染,没有燃烧,没有排烟,
9、也无废弃物。不需要堆放燃料废物的场地,且不用远距离输送热量,可以极大的改善其它空调方式 CO2的排放。(4) 自动运行。地源热泵机组由于工况稳定,所以可设计简单系统,部件较少,机组运行简单可靠,维护费用低;机组使用寿命长,主机部件均在154年以上;机组紧凑、节省空间;自动控制程度高,可无人值守。3.分析方法3.1.1 热量其中: 热量 kW;环境绝对温度 K; 系统绝对温度 K;系统放出热量 kW3.1.2 冷量其中: 冷量 kW;环境绝对温度 K; 系统绝对温度 K;系统放出热量 kW3.1.3 稳流工质热其中: 热 kW/Kg; 范围内的平均比热 Kj/KgK; 环境绝对温度 K; 稳流工
10、质的绝对温度 K3.1.4 系统获得系统所获得的为进出系统得到稳流工质热差其中:稳流工质的流量 Kg/h; 单位稳流工质的进口 KW;单位稳流工质的出口 KW3.2 系统效率进入系统的火用、离开系统的火用及系统总火用损应该遵循守恒原则。对给定的系统,进入系统的火用应等于离开系统的火用与系统总火用损之和,也即:其中: 进入系统n股之和; 系统输出m股之和;系统所有内部和外部损之和由于系统存在内部和外部损,所以存在总效率,即有:3.3 两个子系统分析以只有一股输入火用流和一股产品火用流的两个子系统为例建立热经济学模型,如图 3-3 示意其火用流和资金流的流向,按代数模式建立热经济平衡方程和产品火用
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