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地源热泵垂直效率调查与节能约翰Desmedt和Johan Van Bael维托，单位能源技术boeretang 200，b-2400摩尔，比利时关键词:钻孔换热器 节能 土壤源热泵 办公大楼 模拟原创科技论文本文介绍了地源热泵系统的最佳设计过程，包括热模拟系统,影响系统性能和运营成本的最优设计参数的选择。一个集成的建筑和系统仿真程序是为了这个目的。与一个预定义的“参考”的结果进行了节能、环保、经济的比较。有人发现，一个主要的节能通过减少二氧化碳排放量获得了31%。降低井眼阻力导致增加的自然冷却分数为48%至61%。参考安装（86%）比热泵系统（73%）运营成本较高。在这一时期，地源热泵系统是一个比较经济的选择。1。引言在欧盟40%的总能源消耗量与建筑业相关 1 。地源热泵（GSHP）与垂直埋地换热器的组合（BHE）是一种环境选择在不同的欧洲国家减少消耗“常规”能源，原能源和间接二氧碳排放量 2，3 。地源热泵系统的性能是由热泵（HP）确定本身特性及它与地面之间的热作用。地面作为一个散热器（冷却方式）或源（加热方式）的热能源几乎是无限的利用BHEs。在合适的深度，地面温度是独立的环境温度，但具有强烈的土壤类型 4 功能。浆纱BHEs，局部地面性质导热系数，钻孔热阻，原状地面温度，比热容，等都需要在适当的温度下加热 5 。地埋管换热效率取决于土壤性质，换热器本身温度和特性（几何、钻孔间距、灌浆材料、管的热导率，等）6-9。BHE成本是地源热泵系统经济竞争力的关键 10 。钻孔壁和水循环系统限制在需要孔壁与水在垂直运动之间充分接触热 11 。在文献中，人们可以找到大量的参考文献设计、性能、经济性分析、手册和土壤源热泵系统和BHEs标准。尽管这项技术已经在近50年以来，在比利时的地源热泵系统市场在初步渗透阶段。这与土壤源热泵系统的大量在其他欧洲国家（德国，奥地利，瑞典，挪威和瑞士）有关 2 。本文提供了一个可行性研究的结果的概述，关于节约能源的比利时办公大楼钻孔结构，经济效益和环境效益的结合地源热泵利用垂直BHEs。2.1。办公大楼办公楼位于根特（比利时）是配电公司的新总部大楼（建筑面积：16363米，占地面3000米）。这层楼有五层楼和一个天井。建筑特点（保温墙，窗户、屋顶和地板）都是按照比利时的法律。空调实现了办公楼的通风空气和冷却盘管。冷却能量由BHEs自然冷却的方式设置（无需使用热泵），作为冷却机的热泵由一台冷却机工作。此外，热能通过热泵的冷凝式燃气锅炉提供。通过从地冷中提取热量在地面上建立。冷储存在地下，冬季用于夏季降温的建筑物（自然冷却）。这给出了一个双重效应：高效节能制冷系统及冬季性能良好的热泵。图1。建筑物的加热（+）和冷却（-）荷载slika 1。toplinsko（+）我rashladno（-）optere恩吉zgrade2.2。地面特征当采用地源热泵土壤热物性知识BHEs（热传导率，钻孔热阻，原状地面温度，比热容）是系统正确运作的重要参数。这些参数可以通过热响应试验实测（TRT）。TRT装置的原理是根据已知量的热注入井在一定时间内，通过让载热流体循环的同时通过井管向地面传递热量。地面的温度响应的测量是通过记录入口和出口的温度。TRT的主要目的应该从稳态实现数据操作的充分长度而避免在较长的测试时间和繁琐的数据处理中的额外费用。在工地的办公楼的地面，高达125米的深度，主要由粘土组成沙的上部。基于热响应测试中，衡量当地的导热系数是1,86W/MK，比热容2,45 MJ/mK.原状土温度为12C。2.3。对建筑安装的计算模型在这种情况下，研究一个办公楼的模型和简化的暖通空调安装的软件程序TRNSYS 16 12 。在TRNSYS 16的不同类型中，如地面模型，热泵模型，建筑物模型，控制类型等，结合成一个模型并发现其验证文献 10，13 。该仿真模型可以模拟不同尺寸的BHEs地源热泵系统。图1显示了建筑物的加热和冷却负荷。了解热地面性质和每小时加热和冷却负荷后可以开始设计BHEs。热能储存系统，测定加热和冷却的能源消耗相比于与其他常规应用程序更重要（锅炉、冷水机组）。设计方法是基于建筑全年负荷计算，而不是只是峰值的加热和冷却要求。在设计中每年和多年模拟成为一个非常宝贵的工具，无论是在计算年度建筑荷载还是长期地面热响应。3。仿真结果3.1。建筑模拟仿真提供了以下的一般结果：总加热功率（不安装功率）9 MW，总冷却功率为1 MW。相应的密度值为：冷却50 kWh/m，加热73 kWh/m加热， 最大冷却功率密度73 W/m，最大加热功率密度116 W/m，每年的供暖需求1190 MWHT和每年冷却需求824 MWHT。办公大楼消耗能源的月模拟结果如图2所示。表1给出系统的大小。表1。整个系统的尺寸3.2。钻孔换热器考虑到每小时的加热和冷却负荷，地源热泵和BHEs选择仅供应最大峰值冷却和加热需求的部分。接地回路换热器配置90、100、110钻孔深度125米的模拟为了说明系统的接地回路的影响性能。这里仅提出90钻孔深度系统的结果。钻孔结构在每一种情况下，同一个正方形的配置与钻孔间距为5米。一丙醇（25%体积）溶液循环整个钻孔。所有的模拟开始于一月一日，为期10年。表2显示了地面换热器的主要特性。地源热泵是使用R-134a制冷剂水系统的蒸汽压缩式热泵系统。热泵由双板换热器，蒸发器和冷凝器，蒸汽压缩，膨胀阀和调节模块组成。工作条件为0 / 5蒸发器侧（进/出口温度）和35 / 45冷凝器侧（入口/出口温度）。在本文中的效率研究是在 3，14 的方法中进行的。表3给出了年度能量平衡加热（QH）、冷却（QC）和电力（E）的办公大楼需求（仅暖通空调设备或照明设备需求包括一个系统的90个钻孔）。表2。地面换热器的特性一个具有500千瓦（总加热功率26%）的热功率热泵第一年可以提供办公楼的总采暖需求的76%。在第十年下降到69%。（90个钻孔的情况）的BHEs第一年可以提供48%的总冷却需求，第十年增加到65%。随着BHEs和地源热泵制冷机的减小（- 60%），明显的操作冷水机组（- 83%）电力需要比参考安装减少。整个系统的总用电量（燃气锅炉、制冷机、热泵）比参考装置较高28%，主要是因为热泵用电需要。相对于冷水机组，地源热泵的BHEs产生较高效率的冷却能量（SPF冷却= 6），在更高的温度制度，典型的14 / 18C而不是6 / 12C. BHEs提供冷（如自然冷却），效率为44。3.3。井眼电阻的影响钻孔换热器设计的一个重要因素是井眼电阻 15 。图3示出了5年内3个不同钻孔的仿真结果（0.1，0.15，0.2 K /（W / m）。井眼电阻的影响在图上非常清晰。降低井眼阻力的自然冷却分数增大从48%到61%。井眼阻力越低，系统工作率和冷却需求越高。在此安装一特殊的实现，以确保回填的钻孔是正确的。4。环境结果与初级能源消耗相比，经典技术安装（冷水机组、燃气锅炉）消耗能源每年减少31%。从每个选定的CO2排放系统计算。与常规应用比较，在场景中BHEs和地源热泵CO2的排放量较低；每年可实现31%或减排二氧化碳128吨，。5。经济效益一个更经济的选择可以基于生命周期成本（LCC）的不同钻孔系统。考虑到初始投资、再投资他们的生活时间后的能源和维护成本。在这一段只有90钻孔的系统给出了比较经典的加热和冷却装置。LCC分析是一个对建筑物或安装在它的整个生命的经济性能进行评价的过程 16，18 。LCC的初始投资于建筑安装或设施的长期费用。图4给出净现值（NPV）的参考安装和地源热泵系统在30年寿命BHEs。这些计算是基于一个贴现率4%，通货膨胀率为2%，能源价格每年2%的变化因子。图3。井眼电阻对结果的影响（5年模拟）相比于参考安装，初始投资成本与地源热泵和BHE较高，但净现值更平。这个图显示，初期投资较高导致了成本、动态投资回收期长达8.5年。相对于总的运营成本的净现值，参考安装高（86%）于BHEs（73%）。在寿命上地源热泵系统和BHEs比参考装置是一种更为经济的选择。6。结论这里提出的仿真模型可以对一个BHEs和地源热泵性能模型分时、年度和多年期进行。一个重要因素是能源需求的加热和冷却的计算。大比例增加初始投资和能源成本可能会使土壤源热泵系统的好处减少。这种效果更增强比常规设备（燃气锅炉、冷水机组），在标注中并不罕见，经常遇到。仿真结果表明，与经典的初级能源消耗技术相比，明智的设计系统，可以得到主要的节能是二氧化碳减少31%的排放量。BHEs和地源热泵是比利时办公建筑一种很有前途的技术。最近正在兴起的可再生能源预计将进一步提高其应用。普遍认为在比利时办公建筑应用BHEs和地源热泵将成为一个不断增长的市场。参考文献1 International energy agency (IEA), Energy Technology Perspectives 2008.2 SANNER, B.; KARYTSAS, C.; MENDRINOS, D.;RYBACH, L.: Current status of ground source heat pumps and underground thermal energy storage in europe, Geothermics (2003) 32, 579-5883 SANAYE, S.; NIROOMAND, B.: Thermaleconomic modeling and optimization of vertical ground-coupled heat pump. 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