中文--兼顧供熱和制冷模式的地源熱泵系統(tǒng)綜合分析

1、<p><b>　　中文3245字</b></p><p>　　出處:Applied Energy 86 (2009) 2560–2565</p><p>　　兼顧供熱和制冷模式的地源熱泵系統(tǒng)綜合分析</p><p>　　畢躍紅，王新紅，劉云，張華，陳林根</p><p>　　北京工業(yè)大學(xué)城市建筑工程學(xué)院，10

2、0124，中國(guó)</p><p>　　上海科學(xué)技術(shù)大學(xué)制冷技術(shù)學(xué)院，200093，中國(guó)</p><p>　　海軍工程大學(xué)研究生學(xué)校，430033，中國(guó)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　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分析。可以分別得到損失，效

3、率，損失率，損失系數(shù)和熱力學(xué)完善度的分析公式。結(jié)果顯示那些指數(shù)應(yīng)該被綜合利用，在整個(gè)系統(tǒng)中，損失率最大的地方在壓縮機(jī)部分，同時(shí)最小效率和熱力學(xué)完善度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)損失要大于制冷模式，而整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的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效率。因此，地源熱泵系統(tǒng)的綜合分析更應(yīng)該加以關(guān)注。結(jié)果可以為地源熱泵系統(tǒng)

4、的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供起到指導(dǎo)作用。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　地源熱泵，建筑供熱和制冷模式，綜合性分析，指數(shù)，節(jié)能</p><p><b>　　介紹</b></p><p>　　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(duì)于一個(gè)廣泛種類

5、的建筑類型，尤其對(duì)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)調(diào)查研究檢驗(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(pán)管換熱器的數(shù)值原理和參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響的研究。</p><p>　　分析被廣泛應(yīng)用于評(píng)估過(guò)程與理想熱力學(xué)狀態(tài)時(shí)的接近程度。對(duì)吸收式制冷機(jī)的分析不僅能顯示，分析能夠被用于確定系統(tǒng)各組成部分的較低效率的部分，而

6、且能夠從沒(méi)加說(shuō)明的傳統(tǒng)熱力平衡熱量傳遞過(guò)程中存在的大量不可逆損失中論證原理的優(yōu)點(diǎn)。最近幾年，地源熱泵系統(tǒng)的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(shuō)的是地源熱泵系統(tǒng)的分析，該系統(tǒng)不僅供熱，還制冷，同時(shí)，可得到一個(gè)對(duì)三個(gè)循環(huán)和整個(gè)系統(tǒng)的綜合性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指數(shù)，包括損失，效率，損失率，損失系數(shù)和熱力完善度。</p><p>

7、<b>　　地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　地源熱泵系統(tǒng)在圖1中畫(huà)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(pán)管環(huán)路。它在冬季為建筑供熱夏季制冷。通過(guò)四管制管路可以實(shí)現(xiàn)供熱制冷間的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　地源熱泵系統(tǒng)的分析</p><p>　　對(duì)于能量系統(tǒng)的分析，通用的指數(shù)是損失，

8、效率，損失率，損失系數(shù)和熱力完善度。損失是一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)輸入和輸出的差值?，盒适且蟮默狠敵鱿鄬?duì)與消耗的比值?，簱p失率是設(shè)備的損失相對(duì)于系統(tǒng)全部損失的比值?，簱p失系數(shù)是設(shè)備的損失相對(duì)于系統(tǒng)的消耗的比值。熱力完善度是設(shè)備或系統(tǒng)輸出相對(duì)于輸入的比值，能夠指出在設(shè)備利用能量利用過(guò)程中過(guò)程不可逆的影響。當(dāng)過(guò)程是可逆的，熱力學(xué)理想等級(jí)等于1。地源熱泵循環(huán)包括三個(gè)特殊的熱力學(xué)過(guò)程：（1）地埋換熱器的熱量交換，風(fēng)機(jī)盤(pán)管，壓縮

9、機(jī)和蒸發(fā)器（2）壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程（3）膨脹閥的節(jié)流過(guò)程。</p><p>　　熱量交換過(guò)程的分析</p><p>　　在傳熱過(guò)程中的損失率給出如下：</p><p>　　和分別是傳熱過(guò)程中輸入和輸出的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，

10、因此等于從熱量獲得的最大可逆功。</p><p>　　傳熱過(guò)程的效率給出如下：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　是所需輸出，是傳熱過(guò)程中的。</p><p>　　換熱過(guò)程中損失比率給出如下：</p><p><b>　　（3）</b>&

11、lt;/p><p>　　是在換熱過(guò)程中系統(tǒng)的損失率。</p><p>　　換熱過(guò)程損失系數(shù)給出如下：</p><p><b>　　（4）</b></p><p>　　是系統(tǒng)全部，傳熱過(guò)程的系統(tǒng)能量輸入（KW）。</p><p>　　傳熱過(guò)程熱力完善度給出如下：</p><p&

12、gt;<b>　?。?）</b></p><p>　　和分別是傳熱過(guò)程中設(shè)備的的輸出和輸入。</p><p><b>　　壓縮過(guò)程的分析</b></p><p>　　壓縮過(guò)程的損率給出如下：</p><p>　　和分別是通過(guò)壓縮機(jī)輸入和輸出的制冷劑流動(dòng)的流率，是壓縮機(jī)輸入能量。</p&

13、gt;<p>　　壓縮過(guò)程中效率給出如下：</p><p>　　是壓縮機(jī)所需輸出。</p><p>　　壓縮過(guò)程的損失比率給出如下：</p><p><b>　　（8）</b></p><p>　　是壓縮過(guò)程的損系數(shù)，給出如下：</p><p><b>　　（9）&

14、lt;/b></p><p>　　壓縮過(guò)程的熱力完善度給出如下：</p><p><b>　　膨脹過(guò)程的分析</b></p><p>　　制冷劑流過(guò)膨脹閥時(shí)在膨脹過(guò)程中焓不變。</p><p>　　膨脹過(guò)程的損率給出如下：</p><p>　　和分別是制冷劑流過(guò)膨脹閥的入口和出口的流率

15、。</p><p>　　膨脹過(guò)程的損失比率給出如下：</p><p>　　膨脹過(guò)程的損系數(shù)給出如下：</p><p>　　膨脹過(guò)程的熱力完善度給出如下：</p><p>　　地源熱泵循環(huán)的分析</p><p>　　地源熱泵循環(huán)的損率給出如下：</p><p>　　是水泵的損率，水泵的輸

16、入能量，是風(fēng)機(jī)的損率，風(fēng)機(jī)的輸入能量。</p><p>　　地源熱泵循環(huán)的效率給出如下：</p><p>　　地源熱泵循環(huán)的所需輸出。</p><p>　　地源熱泵循環(huán)的損系數(shù)給出如下：</p><p>　　地源熱泵循環(huán)的熱力完善度給出如下：</p><p>　　和分別是地源熱泵系統(tǒng)的輸出和輸入。</p

17、><p>　　兼顧建筑供熱制冷模式的地源熱泵的分析方程</p><p>　　地源熱泵的分析方程由公式（1）到（18）中得出，概括在表1和2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。</p><p><b>　　數(shù)值案例和分析</b></p><p>　　以建在北

18、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)熱泵裝置陪四個(gè)水泵，每個(gè)水泵的輸入電功率為15KW。</p><p>　　風(fēng)機(jī)盤(pán)管的總的輸入電功率為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)熱泵輸入電功率分別為662KW和117.4KW，水提供給風(fēng)機(jī)盤(pán)管的溫度和從風(fēng)機(jī)盤(pán)管回水的溫度

19、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)熱泵輸入電功率分別為729KW和185.8KW，水提供給風(fēng)機(jī)盤(pán)管的溫度和從風(fēng)機(jī)盤(pán)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℃。</p><p>　　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

20、綜合性分析列于表格4.表中4的結(jié)果顯示出如下的有用的信息：</p><p>　　損失顯示能量有效性的降低，但是這是一個(gè)絕對(duì)數(shù)值，它不能用于比較不或過(guò)程同部件的利用性能?，旱挠行允歉鞑考偷卦礋岜孟到y(tǒng)有效性的一個(gè)測(cè)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，但是它不能顯示出在設(shè)備和地源熱泵系統(tǒng)在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利用效率低，同時(shí)，損失比率顯示在設(shè)備和

21、地源熱泵系統(tǒng)間在損失方面的比率，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?，簱p失系數(shù)是設(shè)備的損失相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)利用量的一個(gè)比率，它能夠從數(shù)值上評(píng)估該系統(tǒng)。熱力學(xué)完善度反映了過(guò)程的不可逆性。因此，那五個(gè)指數(shù)相互補(bǔ)充并應(yīng)該綜合應(yīng)用。</p><p>　　在五個(gè)指數(shù)中，全部部件的損失、損失率、損失系數(shù)的定序和效率、熱力完善度的定序是一致的。前三個(gè)指數(shù)和后兩個(gè)指數(shù)是沒(méi)有關(guān)系的

22、。</p><p>　　壓縮機(jī)的損失、損失率、損失系數(shù)是最大的，而效率、熱力完善度是最小的。盡管風(fēng)機(jī)盤(pán)管的損失、損失系數(shù)比那些地下?lián)Q熱器要高，效率、熱力完善度也比那些地下?lián)Q熱器要高。冷凝器的損失相對(duì)較大，但是它的效率和熱力完善度也相對(duì)較高。因此，壓縮機(jī)和地下?lián)Q熱器應(yīng)該首先得以提高。</p><p>　　在供熱模型的所有部件的損失比相應(yīng)的制冷模型的值要高一些。地源熱泵系統(tǒng)

23、的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)效率的提高是依附于設(shè)備的提高。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　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分析得以完成。主要結(jié)論如下：</p><p>　　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(guò)程中能量逆行的本質(zhì)。一個(gè)綜合性分析能夠

24、探明關(guān)鍵的潛在節(jié)能部件。</p><p>　　五個(gè)指數(shù)有著它們各自的功能，應(yīng)該綜合應(yīng)用。</p><p>　　最大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效率和熱力完善度是地下?lián)Q熱器，因此，壓縮機(jī)和地下?lián)Q熱器應(yīng)該首先被提高。</p><p>　　對(duì)于建筑供熱模型，地源熱泵系統(tǒng)的損失要比制冷模型要大，整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)的效率明顯低于兼顧建筑供熱和制冷模式的