Comprehensive exergy analysis of a ground source heat pump system翻譯

1、兼顧供熱和制冷模式的地源熱泵系統(tǒng)綜合能量分析摘要本文介紹了一種兼顧建筑供熱和制冷模式的地源熱泵系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)路和整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能量分析?？梢苑謩e得到能量損失，能量效率，能量損失率，能量損失系數(shù)和熱力學(xué)理想程度的能量分析公式。結(jié)果顯示那些能量指數(shù)應(yīng)該被綜合利用，在整個(gè)系統(tǒng)中，能量損失率最大的地方在壓縮機(jī)部分，同時(shí)最小能量效率和熱力學(xué)理想狀態(tài)的地方是地下淺埋換熱器，以至于壓縮機(jī)和地下淺埋換熱器應(yīng)該首先被提高。結(jié)果同時(shí)指示建筑供熱模式的地源熱泵系統(tǒng)能量損失要大于制冷模式，而整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的能量效率明顯低于兼顧供熱和制冷模式的地源熱泵系統(tǒng)的組成部分的能量效率。因此，地源熱泵系統(tǒng)的綜合能量分析更應(yīng)該加

2、以關(guān)注。結(jié)果可以為地源熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供起到指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：地源熱泵 能量分析 能量指數(shù)1.介紹地源熱泵系統(tǒng)利用了儲(chǔ)存在地下供建筑供熱和制冷的可再生能量。這是合理的對于一個(gè)廣泛種類的建筑類型，尤其對于節(jié)能和環(huán)境的保護(hù)工程更加適合。自從地源熱泵這一概念在1940年后期的發(fā)展，大量理論和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被完成。實(shí)驗(yàn)研究檢驗(yàn)特殊的地源熱泵系統(tǒng)并且呈現(xiàn)出領(lǐng)域數(shù)據(jù)。理論調(diào)查研究集中在模擬地下盤管換熱器的數(shù)值原理和參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響的研究。能量分析被廣泛應(yīng)用于評估過程與理想熱力學(xué)狀態(tài)時(shí)的接近程度。對吸收式制冷機(jī)的能量分析不僅能顯示，能量分析能夠被用于確定系統(tǒng)各組成部分的較低能量效率的部分，而且能夠從沒加

3、說明的傳統(tǒng)熱力平衡熱量傳遞過程中存在的大量不可逆能量損失中論證原理的優(yōu)點(diǎn)。最近幾年，地源熱泵系統(tǒng)的能量分析已經(jīng)得到發(fā)展。這些研究集中于建筑供暖模式，少數(shù)集中在建筑制冷模式。本文說的是地源熱泵系統(tǒng)的能量分析，該系統(tǒng)不僅供熱，還制冷，同時(shí)，可得到一個(gè)對三個(gè)循環(huán)和整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能量分析。此外，可獲得兼顧建筑供熱制冷的地源熱泵系統(tǒng)不同的能量指數(shù)，包括能量損失，能量效率，能量損失率，能量損失系數(shù)和熱力完善度。2.地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)地源熱泵系統(tǒng)在圖1中畫出。系統(tǒng)有三個(gè)主要環(huán)路組成：（1）地埋式換熱器環(huán)路（2）熱泵單元環(huán)路（3）風(fēng)機(jī)盤管環(huán)路。它在冬季為建筑供熱、夏季制冷。通過四管制管路可以實(shí)現(xiàn)供熱制冷間的

4、轉(zhuǎn)換。3.地源熱泵系統(tǒng)的能量分析對于能量系統(tǒng)的能量分析，通用的能量指數(shù)是能量損失，能量效率，能量損失率，能量損失系數(shù)和熱力完善度。能量損失是一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)能量輸入和能量輸出的差值。能量效率是要求的能量輸出相對與能量消耗的比值。能量損失率是設(shè)備的能量損失相對于系統(tǒng)全部能量損失的比值。能量損失系數(shù)是設(shè)備的能量損失相對于系統(tǒng)的能量消耗的比值。熱力完善度是設(shè)備或系統(tǒng)能量輸出相對于能量輸入的比值，能夠指出在設(shè)備利用能量利用過程中過程不可逆的影響。當(dāng)過程是可逆的，熱力學(xué)理想等級等于1。地源熱泵循環(huán)包括三個(gè)特殊的熱力學(xué)過程：（1）地埋換熱器的熱量交換，風(fēng)機(jī)盤管，壓縮機(jī)和蒸發(fā)器（2）壓縮機(jī)的壓縮過程（3）膨脹

5、閥的節(jié)流過程。3.1熱量交換過程的能量分析在傳熱過程中的能量損失率給出如下能量效率（KW）變化和能量效率能量損失比率熱力完善度熱量轉(zhuǎn)換輸入輸出水源熱泵制冷機(jī)系統(tǒng)節(jié)流水環(huán)境制冷壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)加熱下標(biāo)術(shù)語希臘字母能量損失比率傳熱效率（KW）壓力壓縮機(jī)的電源輸入（KW）溫度（K）系統(tǒng)的輸入功率（KW）和分別是傳熱過程中能量輸入和能量輸出的能量流比率的總和，是在恒定溫度T（k）下的傳熱率（KW），Ta是環(huán)境溫度。是當(dāng)熱量從設(shè)備傳遞或由設(shè)備傳遞的積極或消極值。熱量等于從在T和Ta間的卡諾熱機(jī)中獲得的功，因此等于從熱量獲得的最大可逆功。傳熱過程的能量效率給出如下： （2）是所需能量輸出，是傳熱過程中的能量。換

6、熱過程中能量損失比率給出如下： （3）是在換熱過程中系統(tǒng)能量的損失率。換熱過程能量損失系數(shù)給出如下： （4）是系統(tǒng)全部能量，傳熱過程的系統(tǒng)能量輸入（KW）。傳熱過程熱力完善度給出如下： （5）和分別是傳熱過程中設(shè)備能量輸出和能量輸入。表一3.2壓縮過程的能量分析壓縮過程的能量損失率給出如下：和分別是通過壓縮機(jī)能量輸入和能量輸出的制冷劑流動(dòng)的能量流率，是壓縮機(jī)輸入能量。壓縮過程中能量效率給出如下：是壓縮機(jī)所需能量輸出。壓縮過程的能量損失比率給出如下： （8）是壓縮過程的能量損失系數(shù)，給出如下： （9）壓縮過程的熱力完善度給出如下：表二3.3膨脹過程的能量分析制冷劑流過膨脹閥時(shí)在膨脹過程中焓不變。

7、膨脹過程的能量損失率給出如下：和分別是制冷劑流過膨脹閥的入口和出口的能量流率。膨脹過程的能量損失比率給出如下：膨脹過程的能量損失系數(shù)給出如下：膨脹過程的熱力完善度給出如下：3.4地源熱泵循環(huán)的能量分析地源熱泵循環(huán)的能量損失率給出如下：是水泵的能量損失率，水泵的能量輸入能量，是風(fēng)機(jī)的能量損失率，風(fēng)機(jī)的輸入能量。地源熱泵循環(huán)的能量效率給出如下：地源熱泵循環(huán)的所需能量輸出。地源熱泵循環(huán)的能量損失系數(shù)給出如下：地源熱泵循環(huán)的熱力完善度給出如下：和分別是地源熱泵系統(tǒng)的能量輸出和能量輸入。3.5兼顧建筑供熱制冷模式的地源熱泵的能量分析方程地源熱泵的能量分析方程由公式（1）到（18）中得出，概括在表1和表2

8、中。在圖表1中的符號(hào)與表格1中的狀態(tài)點(diǎn)相聯(lián)系，分別是關(guān)于制冷劑、水、供熱和制冷的r、w、h和c梗概圖。4.數(shù)值案例和能量分析以建在北京一假日酒店的地源熱泵系統(tǒng)作為案例。酒店的建筑面積為14000平方米，總高度為十米。兩臺(tái)熱泵裝置（HT760）分為酒店供熱和制冷。熱泵的制冷劑是R22。每個(gè)熱泵裝置配四個(gè)水泵，每個(gè)水泵的能量輸入電功率為15KW。風(fēng)機(jī)盤管的總的能量輸入電功率為23KW。在夏天，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別為5和32。制冷量和每臺(tái)熱泵能量輸入電功率分別為662KW和117.4KW，水提供給風(fēng)機(jī)盤管的溫度和從風(fēng)機(jī)盤管回水的溫度分別為7和12，水供給地下?lián)Q熱器的溫度和地下?lián)Q熱器的回水溫度分別是

9、30和25。在冬季，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別是3和47。制冷量和每臺(tái)熱泵能量輸入電功率分別為729KW和185.8KW，水提供給風(fēng)機(jī)盤管的溫度和從風(fēng)機(jī)盤管回水的溫度分別為45和40，水供給地下?lián)Q熱器的溫度和地下?lián)Q熱器的回水溫度分別是5和10。在不同工況的地源熱泵的主要性能數(shù)據(jù)列于表格3中。組成部分和地源熱泵系統(tǒng)的綜合性能量分析列于表格4，表格4的結(jié)果顯示出如下的有用的信息：（1） 能量損失顯示能量有效性的降低，但是這是一個(gè)絕對數(shù)值，它不能用于比較不或過程同部件的能量利用性能。能量的有效性是各部件和地源熱泵系統(tǒng)有效性的一個(gè)測量值，它反映出能夠用于提高各部件和地源熱泵系統(tǒng)性能的多少，但是它不能顯示出

10、在設(shè)備和地源熱泵系統(tǒng)在能量損失方面的比例，因此，它不能使得知道地源熱泵系統(tǒng)哪一部分利用能量效率低，同時(shí)，能量損失比率顯示在設(shè)備和地源熱泵系統(tǒng)間在能量損失方面的比率，能量損失比率是得能夠知道哪一部分在提高地源熱泵系統(tǒng)性能方面是最重要的。能量損失系數(shù)是設(shè)備的能量損失相對整個(gè)系統(tǒng)能量利用量的一個(gè)比率，它能夠從數(shù)值上評估該系統(tǒng)。熱力學(xué)完善度反映了過程的不可逆性。因此，那五個(gè)能量指數(shù)相互補(bǔ)充并應(yīng)該綜合應(yīng)用。（2） 在五個(gè)能量指數(shù)中，全部部件的能量損失、能量損失率、能量損失系數(shù)的定序和能量效率、熱力完善度的定序是一致的。前三個(gè)能量指數(shù)和后兩個(gè)能量指數(shù)是沒有關(guān)系的。（3） 壓縮機(jī)的能量損失、能量損失率、能量

11、損失系數(shù)是最大的，而能量效率、熱力完善度是最小的。盡管風(fēng)機(jī)盤管的能量損失、能量損失系數(shù)比那些地下?lián)Q熱器要高，能量效率、熱力完善度也比那些地下?lián)Q熱器要高。冷凝器的能量損失相對較大，但是它的能量效率和熱力完善度也相對較高。因此，壓縮機(jī)和地下?lián)Q熱器應(yīng)該首先得以提高。（4） 在供熱模型的所有部件的能量損失比相應(yīng)的制冷模型的值要高一些。地源熱泵系統(tǒng)的能量效率和熱力完善度要比各設(shè)備要低一些。因此，地源熱泵系統(tǒng)能量效率的提高是依附于設(shè)備的提高。制冷模式方法模型表3主要的屬性數(shù)據(jù)能量（kw）特定能量（kw/kg）特定熵（kw/kg）特定焓（kw/kg）溫度（）狀態(tài)點(diǎn)冬天：夏天：制冷劑地上熱水換熱器地上冷水換熱

12、器 制冷劑m制熱模式壓縮機(jī)冷凝器蒸發(fā)器膨脹閥地?zé)徂D(zhuǎn)換器風(fēng)機(jī)盤管GSHP系統(tǒng)壓縮機(jī)冷凝器蒸發(fā)器膨脹閥地?zé)徂D(zhuǎn)換器風(fēng)機(jī)盤管GSHP系統(tǒng)建筑制熱建筑制冷模型 組成系統(tǒng) 能量損失（kw） 能量效率 能量損失比率 能量損失效率 熱力完善度表4GSHP的能量分析結(jié)果5.結(jié)論兼顧供熱和制冷的地源熱泵三個(gè)環(huán)路和整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能量分析得以完成。主要結(jié)論如下：（1） 能量代表數(shù)值上的有用能量，是得知道在熱量傳遞和轉(zhuǎn)換過程中能量逆行的本質(zhì)。一個(gè)綜合性能量分析能夠探明關(guān)鍵的潛在節(jié)能部件。（2） 五個(gè)能量指數(shù)有著它們各自的功能，應(yīng)該綜合應(yīng)用。（3） 最大能量損失比率在整個(gè)系統(tǒng)的地方是壓縮機(jī)，同時(shí)最小的能量效率和熱力完善度是地下?lián)Q熱器，因此，