Comprehensive exergy analysis of a ground source heat pump system翻译

1、兼顾供热和制冷模式的地源热泵系统综合能量分析摘要本文介绍了一种兼顾建筑供热和制冷模式的地源热泵系统的三个环路和整个系统的综合性能量分析。可以分别得到能量损失，能量效率，能量损失率，能量损失系数和热力学理想程度的能量分析公式。结果显示那些能量指数应该被综合利用，在整个系统中，能量损失率最大的地方在压缩机部分，同时最小能量效率和热力学理想状态的地方是地下浅埋换热器，以至于压缩机和地下浅埋换热器应该首先被提高。结果同时指示建筑供热模式的地源热泵系统能量损失要大于制冷模式，而整个地源热泵系统的能量效率明显低于兼顾供热和制冷模式的地源热泵系统的组成部分的能量效率。因此，地源热泵系统的综合能量分析更应该加

2、以关注。结果可以为地源热泵系统的设计和优化提供起到指导作用。关键词：地源热泵 能量分析 能量指数1.介绍地源热泵系统利用了储存在地下供建筑供热和制冷的可再生能量。这是合理的对于一个广泛种类的建筑类型，尤其对于节能和环境的保护工程更加适合。自从地源热泵这一概念在1940年后期的发展，大量理论和实验已经被完成。实验研究检验特殊的地源热泵系统并且呈现出领域数据。理论调查研究集中在模拟地下盘管换热器的数值原理和参数对系统性能的影响的研究。能量分析被广泛应用于评估过程与理想热力学状态时的接近程度。对吸收式制冷机的能量分析不仅能显示，能量分析能够被用于确定系统各组成部分的较低能量效率的部分，而且能够从没加

3、说明的传统热力平衡热量传递过程中存在的大量不可逆能量损失中论证原理的优点。最近几年，地源热泵系统的能量分析已经得到发展。这些研究集中于建筑供暖模式，少数集中在建筑制冷模式。本文说的是地源热泵系统的能量分析，该系统不仅供热，还制冷，同时，可得到一个对三个循环和整个系统的综合性能量分析。此外，可获得兼顾建筑供热制冷的地源热泵系统不同的能量指数，包括能量损失，能量效率，能量损失率，能量损失系数和热力完善度。2.地源热泵系统的结构地源热泵系统在图1中画出。系统有三个主要环路组成：（1）地埋式换热器环路（2）热泵单元环路（3）风机盘管环路。它在冬季为建筑供热、夏季制冷。通过四管制管路可以实现供热制冷间的

4、转换。3.地源热泵系统的能量分析对于能量系统的能量分析，通用的能量指数是能量损失，能量效率，能量损失率，能量损失系数和热力完善度。能量损失是一个设备或系统能量输入和能量输出的差值。能量效率是要求的能量输出相对与能量消耗的比值。能量损失率是设备的能量损失相对于系统全部能量损失的比值。能量损失系数是设备的能量损失相对于系统的能量消耗的比值。热力完善度是设备或系统能量输出相对于能量输入的比值，能够指出在设备利用能量利用过程中过程不可逆的影响。当过程是可逆的，热力学理想等级等于1。地源热泵循环包括三个特殊的热力学过程：（1）地埋换热器的热量交换，风机盘管，压缩机和蒸发器（2）压缩机的压缩过程（3）膨胀

5、阀的节流过程。3.1热量交换过程的能量分析在传热过程中的能量损失率给出如下能量效率（KW）变化和能量效率能量损失比率热力完善度热量转换输入输出水源热泵制冷机系统节流水环境制冷压缩机风机加热下标术语希腊字母能量损失比率传热效率（KW）压力压缩机的电源输入（KW）温度（K）系统的输入功率（KW）和分别是传热过程中能量输入和能量输出的能量流比率的总和，是在恒定温度T（k）下的传热率（KW），Ta是环境温度。是当热量从设备传递或由设备传递的积极或消极值。热量等于从在T和Ta间的卡诺热机中获得的功，因此等于从热量获得的最大可逆功。传热过程的能量效率给出如下： （2）是所需能量输出，是传热过程中的能量。换

6、热过程中能量损失比率给出如下： （3）是在换热过程中系统能量的损失率。换热过程能量损失系数给出如下： （4）是系统全部能量，传热过程的系统能量输入（KW）。传热过程热力完善度给出如下： （5）和分别是传热过程中设备能量输出和能量输入。表一3.2压缩过程的能量分析压缩过程的能量损失率给出如下：和分别是通过压缩机能量输入和能量输出的制冷剂流动的能量流率，是压缩机输入能量。压缩过程中能量效率给出如下：是压缩机所需能量输出。压缩过程的能量损失比率给出如下： （8）是压缩过程的能量损失系数，给出如下： （9）压缩过程的热力完善度给出如下：表二3.3膨胀过程的能量分析制冷剂流过膨胀阀时在膨胀过程中焓不变。

7、膨胀过程的能量损失率给出如下：和分别是制冷剂流过膨胀阀的入口和出口的能量流率。膨胀过程的能量损失比率给出如下：膨胀过程的能量损失系数给出如下：膨胀过程的热力完善度给出如下：3.4地源热泵循环的能量分析地源热泵循环的能量损失率给出如下：是水泵的能量损失率，水泵的能量输入能量，是风机的能量损失率，风机的输入能量。地源热泵循环的能量效率给出如下：地源热泵循环的所需能量输出。地源热泵循环的能量损失系数给出如下：地源热泵循环的热力完善度给出如下：和分别是地源热泵系统的能量输出和能量输入。3.5兼顾建筑供热制冷模式的地源热泵的能量分析方程地源热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。在图表1中的符号与表格1中的状态点相联系，分别是关于制冷剂、水、供热和制冷的r、w、h和c梗概图。4.数值案例和能量分析以建在北京一假日酒店的地源热泵系统作为案例。酒店的建筑面积为14000平方米，总高度为十米。两台热泵装置（HT760）分为酒店供热和制冷。热泵的制冷剂是R22。每个热泵装置配四个水泵，每个水泵的能量输入电功率为15KW。风机盘管的总的能量输入电功率为23KW。在夏天，蒸发温度和冷凝温度分别为5和32。制冷量和每台热泵能量输入电功率分别为662KW和117.4KW，水提供给风机盘管的温度和从风机盘管回水的温度分别为7和12，水供给地下换热器的温度和地下换热器的回水温度分别是

9、30和25。在冬季，蒸发温度和冷凝温度分别是3和47。制冷量和每台热泵能量输入电功率分别为729KW和185.8KW，水提供给风机盘管的温度和从风机盘管回水的温度分别为45和40，水供给地下换热器的温度和地下换热器的回水温度分别是5和10。在不同工况的地源热泵的主要性能数据列于表格3中。组成部分和地源热泵系统的综合性能量分析列于表格4，表格4的结果显示出如下的有用的信息：（1） 能量损失显示能量有效性的降低，但是这是一个绝对数值，它不能用于比较不或过程同部件的能量利用性能。能量的有效性是各部件和地源热泵系统有效性的一个测量值，它反映出能够用于提高各部件和地源热泵系统性能的多少，但是它不能显示出

10、在设备和地源热泵系统在能量损失方面的比例，因此，它不能使得知道地源热泵系统哪一部分利用能量效率低，同时，能量损失比率显示在设备和地源热泵系统间在能量损失方面的比率，能量损失比率是得能够知道哪一部分在提高地源热泵系统性能方面是最重要的。能量损失系数是设备的能量损失相对整个系统能量利用量的一个比率，它能够从数值上评估该系统。热力学完善度反映了过程的不可逆性。因此，那五个能量指数相互补充并应该综合应用。（2） 在五个能量指数中，全部部件的能量损失、能量损失率、能量损失系数的定序和能量效率、热力完善度的定序是一致的。前三个能量指数和后两个能量指数是没有关系的。（3） 压缩机的能量损失、能量损失率、能量

11、损失系数是最大的，而能量效率、热力完善度是最小的。尽管风机盘管的能量损失、能量损失系数比那些地下换热器要高，能量效率、热力完善度也比那些地下换热器要高。冷凝器的能量损失相对较大，但是它的能量效率和热力完善度也相对较高。因此，压缩机和地下换热器应该首先得以提高。（4） 在供热模型的所有部件的能量损失比相应的制冷模型的值要高一些。地源热泵系统的能量效率和热力完善度要比各设备要低一些。因此，地源热泵系统能量效率的提高是依附于设备的提高。制冷模式方法模型表3主要的属性数据能量（kw）特定能量（kw/kg）特定熵（kw/kg）特定焓（kw/kg）温度（）状态点冬天：夏天：制冷剂地上热水换热器地上冷水换热

12、器 制冷剂m制热模式压缩机冷凝器蒸发器膨胀阀地热转换器风机盘管GSHP系统压缩机冷凝器蒸发器膨胀阀地热转换器风机盘管GSHP系统建筑制热建筑制冷模型 组成系统 能量损失（kw） 能量效率 能量损失比率 能量损失效率 热力完善度表4GSHP的能量分析结果5.结论兼顾供热和制冷的地源热泵三个环路和整个系统的综合性能量分析得以完成。主要结论如下：（1） 能量代表数值上的有用能量，是得知道在热量传递和转换过程中能量逆行的本质。一个综合性能量分析能够探明关键的潜在节能部件。（2） 五个能量指数有着它们各自的功能，应该综合应用。（3） 最大能量损失比率在整个系统的地方是压缩机，同时最小的能量效率和热力完善度是地下换热器，因此，