能量转换和管理

能量转换和管理 地面耦合水-水热泵系统和空气-水热泵系统在欧洲地中海沿岸典型条件下加热和冷却的能耗比较。摘要本文调查介绍的目的是表明了气候应用在混合使用，在冷却需求占主导地位地源热泵系统的术和经济可行性。我们展示了一个大地耦合热泵实验比较系统和常规空调水热泵系统，在集中供热和制冷的能源性能。可以直接比较两个系统作出挂钩，与此同时，同一建设有完全相同的荷载和气候条件。整整一个季度的气候结果获得表明，地热系统节能效果好，从一次能源消费的角度来看，4317传统能源的消耗是用于系统的供暖， 3718用于冷却系统的工作。2008年爱思唯尔版权所有关键词：能源效率大地耦合（地热）热泵热泵加热和冷却系统1 简介在若干地区地面耦合热泵（GCHP）代表一个技术上可行的技术用于加热，冷却和建筑物家用热水系统文献1-5。他们的潜在用户提供一些有趣的特征，如较低的电力需求，并比传统的系统维护要求，因此，降低年度成本文献6-8。从一个非经济角度问题，他们提供与标准技术相比，降低噪音水平和视觉污染，温室气体排放量和合理的竞争环境安全舒适的储蓄水平。美国环境保护署（EPA）的认可是最高效，舒适地源系统采暖和制冷系统上市文献9。然而，其在欧洲的市场普及率仍然很小文献10、11。在这些北欧国家，其中最流行的GCHP，气候条件是这样的，到目前为止大部分的需求空间加热，而空调很少需要。因此，在欧洲GCHP经验主要涉及到热泵供热模式运行。然而，随着GCHP技术不断扩散到欧洲南部，在意大利和土耳其西部，加热和冷却双重使用的特定正变得越来越重要文献12、13。在这个意义上说，在温和炎热气候下实施这项技术冷却为主的应用还处于起步阶段。工作报告在这条在已进行的欧洲项目GeoCool（2003-2006年）框架内进行。其主要目标是一个商业规模的开发，经济，节能，环保，完全集成的交钥匙地源热泵供暖制冷和热泵系统，针对沿海特别是在应用南欧地区。由于这一系统将不得不与传统的空气，主要是水系统，使用这种系统需要作出比较。立足于在稳态条件下的性能实验数据这种比较是没有多大用处，因为它没有考虑到典型的短暂行为和现实生活系统的负载模式。此外，热泵系统，耦合到地会遇到更多的缓变二次侧相比，空气系统温度。因此，一作了比较一个地源热泵和空气源热泵运行过程中一个完整的季节性周期。对水热泵水可望于更高的效率完成两个，由于其新颖的设计和优化，由于这一事实，即它会体验更加友好的二次侧相比，空气源系统温度。有特征的性能和地面耦合热泵系统的应用如文献14-20提出的几项研究的。可在文献21,22发现参考分析了太阳能辅助热泵系统的性能，和在文献23-28发现分析太阳能辅助地源热泵系统。也有与地面耦合空调系统几个比较研究。例如，在文献29提出了关于两地源热泵用于住宅应用火用泵系统评估的比较研究。在文献30提出了一个技术经济分析比较空气源和水平地源空调在南非的表现。在文献31提出一个可逆热泵地源热泵的性能加上一个直辖市水循环系统，是比较实验及与传统的空气源热泵供暖和制冷模拟。本文报告一地之间的耦合热泵系统和一个用于取暖和在欧洲地中海沿岸典型条件下的冷却空气，水源热泵系统的直接比较。这两种空调系统已全面监控整个一年。这项工作目前我们在这篇文章中介绍了节能性能的比较分析。其他参数系统的性能，如内部流通系统或地面的热反应的效率，仍然处于初步的分析阶段，更将在未来出版物主办。本文组织如下。在第二节中，我们描述了我们的安装实验装置。在第3节，我们目前的数据分析程序。在第4节的实验结果进行了分析，最后，在第5节，我们提出并讨论我们的结论。2实验装置我们的GCHP系统实验的实施是为了执行与常规系统方面的储蓄从定量评估能源效率的角度来看，。空气源热泵被选作参照系统，因为它被广泛应用于商业应用中使用的南欧地区。为了比较，我们都已经成立了两个系统的操作条件类似的系统，其连接到同一建筑物，从而在相同加热和冷却负载条件。作者GeoCool安装示意图如图1所示。该实验的设计允许轻松地切换到水热泵耦合热泵地面的空气。图 1 GeoCool示意图。地源热泵和水热泵空调挂在平行于内部液压组进行能源传递，风扇线圈。地源热泵是建立以水热水泵通过外部液压组在地源热泵连接热交换器。地源热泵之间的直接比较ASHP系统是由两个平行的是在同一个办公套件耦合系统的广泛监督。由于系统耦合到同一办公套件，他们将经历完全相同荷载和气候，但显然不会在同一时间运行。问题是如何运行，然后在这样一个比较好的方式，可系统。原则上这意味着获得了良好的条件，这两个系统的统计样本。但是，应该指出的是，地面是一个具有明显的热容量比较慢反应系统，整合了满负荷的季节性周期的轮廓。因此，地源热泵系统运行周二至周五，而ASHP只于星期一工作。两个系统都完全监测连接到数据采集系统，提供了在本赛季结束后的大实验数据库的传感器网络的手段。系统设计的技术特点将详细描述在以下章节。2.1建筑这两个系统已被安装在学科建设在大学Politcnica瓦伦西亚，瓦伦西亚，西班牙。空调的总面积由250平方米，包括一个走廊，9个办事处，电脑室，与复印机室和咖啡机。所有房间均设有走廊除了一两个冷风机。荷载标准由软件来计算（在高炉基础上32负荷计算方法）考虑到在整个赛季中加热和冷却方式的负荷曲线变化。在加热和冷却方式峰值负荷大小分别为15千瓦和17千瓦。2.2传统的系统传统的系统包括水热泵对建筑屋顶位于空气。实验装置是一个可逆的空气-水热泵由CIATESA制造（IWA的模型- 80）加热和冷却能力分别为17.1千瓦和15.7千瓦。2.3地热系统地面耦合热泵系统由6个地热深度50米的长方形分布器（2 3）的配置。所有钻孔在结束了与前几名米膨润土层封锁对渗透或上涌的钻孔。一个项目的第二个目标是GeoCool的一个专门优化的热设计作为制冷剂泵使用丙烷（R290的）。这种制冷剂的使用效率的提高意味着在容量和缔约方会议上，高效益。这个原型进行了测试，并采纳了对GeoCool安装。从其中丙烷热泵设计，研究的是一个可逆的水-水热泵CIATESA（型号IZE- 70）其冷却和加热能力的标称值分别为15.9和19.3千瓦。地面耦合热泵是放在内部液压组旁边建筑物的地下。2.4数据采集系统和实验过程数据采集网络的目的是表征系统性能。为了达到这个目的，传感器网络设置允许监视系统最相关的参数。这些传感器测量温度，质量流量和功率的消耗。温度传感器误差小于0.1四线制Pt100。质量流量计选用丹佛斯Coriolli米，模型massflo质量6000信号转换器紧凑的IP67误差小于0.1。该功率计是多功能电源米Gossen公司Metrawatt，模型A2000的标称值误差在0.5。该传感器网络的数据收集由安捷HP34970A数据采集单元插入式模块HP34901A。我们包括图。2的实验显示，所有测量传感器安装位置示意图。我们可以看到该图的地源系统的权利，与水热水泵耦合至6钻孔热交换器。论数字上面还可以看到传统的制度，对水热泵空调。这两种系统都与同时向内部液压集团（该图左）的传输到风扇线圈的能量。图2示意图显示了实验装置的所有测量传感器的位置在内部液压组传感器测量所需的数量来计算的加热和冷却能力由两个系统提供的。有放置在连接点之间的AC系统和建设两个温度传感器（图2中Tin和Tout）。这些传感器测量出进入风机盘管系统和离开风机盘管系统水温的温度。还有一个科里奥利流量计登记液压组在内部质量流量（图2中m）。在外部液压传感器组（地面耦合水热泵冷热水）需要计算热量从地面吸收或转移到地面测量数量。为了达到这个目的，有在进口和出口的地热热泵和寄存器科里奥利质量流量计在外部液压组质量流量放置两个温度传感器。这三个传感器放置在靠近水热泵水，可以在图2水-水热泵右侧找到。此外，两个温度传感器被放置在每个钻孔测量其进，出口水温最高。大规模进入每个钻孔流量的调节通过调节阀在其入口处放置。这些阀门在我们的实验获得的校准每个钻孔相同质量流量。因此，在每个钻孔质量流量将等于进入了科氏质量流量除以6米的测量值。这些温度传感器和调节阀可以在图2每个钻孔的顶部找到。地面气温记录在6个钻孔三个温度传感器七个在每一个放置在不同深度，指（2.5，10，17.5，25，32.5，40和47.5米）和两个管道之间的中点每个钻孔式换热器。系统功率消耗记录了两间电力米。第一个记录了系统内部循环消耗。这种装置可以在图2左侧找到，记录了风扇线圈功率消耗，加上内部循环泵。第二个记录了外部系统的消耗。当传统的系统工作，这电能表记录了水热气泵包括风扇消耗。当地源系统工作这个装置记录了水，加上外部循环热泵系统循环泵水的消耗，该传感器可在图2中部找到。实验过程中也比较了两种操作模式无论在空调系统的能源效率，加热和冷却。为了获得一个适当的比较测量所有这些传感器在1分钟的间隔时间为一代表期内采取。用于实验的实际日期如下的。供暖季节的日期包括从2005年1月31日至2005年5月6日，从05年10月17日至2006年1月13日。在制冷季节，日期包括2005年5月9日至2005年7月31日，以及2005年9月1日至2005年10月14日。正如我们上面所说的，传统的系统工作在星期一和地源系统的工作从星期二至星期五。对待由整个采集系统（每天约一兆字节）产生大量数据，自定义软件被写入自动执行必要的数据库匹配和统计分析。3分析程序该系统性能进行了分析，从能量的温度和流量测量的瞬时在内部液压组，其组成部分的电力消耗。在我们的数据库中记录数据的其余部分将用于分析系统的其他功能，将在未来出版物主办。震级是根据几个特征从这些实验测量，如加热/制冷量，加热/冷却负荷，用电量，业绩因素和能源节约。在下面的几段中，我们描述了这些幅度的计算方法。3.1 加热/冷却能力该参数表示加热/冷却容量的计算从进入风机盘管系统，水温Tin，在内部液压组离开风机盘管系统，水温Tout，质量流量m，（图2显示测量点Tin、Tout和m）使用下面的表达式： Qt=houtt-hint=mcpToutt-Tint （1）能耗Q(t)代表在建筑和热泵系统之间的连接点输入和输出流量焓之差。这两者之间热泵系统和建筑物的连接点被选为在地下，旁边的内部液压组和水热泵水，位于远离空气源热泵机组的建筑物屋顶上。3.2 加热/冷却负荷加热/冷却负荷参数定义为Q在t间隔时间内T0时刻开始积分： Q=T0T0+tQ(t)dt (2)这是一个综合的数量代表一个地区需要加热/冷却将在一段时间t内T0时刻开始进行空气调节。3.3 电力消耗电耗参数的计算方法是整合在t间隔内T0开始不同时间元件数值功率W（t）： W=T0T0+tW(t)dt (3)这个量是计算在配有独立的读数系统功耗电每个组件。有三种力量在实验系统消耗的读数。首先一个对应于内部循环水泵，Wicp，加上风扇线圈，Wfc。第二个水-水源热泵消耗，Www，再加上外部循环水泵，Wecp。第三个空气-水热泵消耗，Waw。对于每个组件，这个数量的能耗代表在t间隔内T0时间开始。3.4 性能因素性能系数的定义为： PF=QW (4) 是在t时间间隔内T0时开始加热/冷却负荷与电能耗的比例。这个量提供了每个AC系统节能性能评估。为空气源空调系统性能的因素是计算表达式: PFaw=QWaw (5)其中Waw代表了空气源热泵包括风扇所消耗的能量。对于空气-土壤空调系统的性能系数的计算式子为： PFww=QWww+Wecp (6)这个式子明确表示了外循环泵和水-水热泵冷热水消耗的能量。如果积分周期等于整个季度那么本季度初我们开始将把由此产生的PF表示为性能因素或SPF。如果周期等于1天，在开始的那一天起，我们将把由此产生的PF作为日常性能因素或DPF。3.5 节省能源从性能系数值是有可能的估计能源所可能获得的技术时，切换到GCHP假设加热/冷却负荷是相同的储蓄两个系统。根据这一假说，节约能源可以计算为： Waw+WwwWaw100=1-SPFawSPFww100 (7)由此得出的数字应被理解为一种能量可转换时获得由ASHP到GCHP技术储蓄的平均水平。4 能源性能结果比较在本节中，我们目前的季节性和日常进化的结果（见图3、4）的性能因素。在每个季度结束值的表现因素，因为季节性的性能系数（SPF）的定义，给出了一个总能量性能评估。如上所述，从这个数量，我们可以估算的能量所可能获得的技术时，切换到GCHP储蓄。此外，对本系统的不同组成部分的功耗分析计算在内，比较专门的热传输（第二元组件）原理的热泵（主要部件）的能耗。这些结果显示在图5-8。图3 为空调系统的性能和操作模式都加热和冷却，影响因素演变。最高的实线对应于水-水系统（WW）;底虚线对应于空气-水系统（AW），每个季度末的性能因素表示该季度的性能因素,SPF。图4日常表现为空调系统和两种操作模式因素的演变。最高的实线对应于水-水系统（WW）;底虚线对应于空气-水系统（AW）。每天的每个性能因素值显示，连同其错误的带宽在这一点上，我们要作出对的结果，我们正在讨论的意义如下说法。加热/冷却能力，加热/制冷负荷的值，性能系数和能源节约与交流都在考虑的特定系统。具体来说，它们包括了热损失，热惯量和选择的特定布局造成的动态影响。因此，有时得到的结果有很大的差别由热泵制造商提供的标称值，是指在热泵稳态特性试验获得的数据。然而且在一定程度，我们认为这两个系统的设计和布局比较典型和有代表性的，得到的结果应给予对在现实生活中这两种类型的比较系统节能性能更好的主意条件。图5每月水-水空气调节系统和两种操作模式电能消耗，加热和冷却。4.1 性能因素和节能技术用于这两种空调系统和两种操作模式，加热和冷却性能因素的演变，如图3。这些数字计算，在3.4节所述，即T0为每个季度和T的一段时间内，从这个出发点，涵盖有一天考虑的出发点。顶实线对应于地源热泵系统实线和底部的空气源热泵系统。在供暖季节性能系数为SPF=3.50.6对地热系统和SPF=.2.00.3的传统系统。这一结果代表了加热方式中73%的平均效率提高。在制冷季度末最后表示的性能因素为SPF=4.30.6对地热系统和SPF=.2.70.4的传统系统,。这一结果代表了加热方式中60%的平均效率提高。性能系数计算误差测量传感器的准确度以下的标准误差线性的传播。我们的结论是地面耦合换热器为基础的系统采用较传统的相同加热条件之一4317的电能。在冷却模式，地面耦合换热器为基础的系统要求的3718的能量比传统的平均水平。这些结果表明，该地为热源的使用使加热模式，以实现节约大量能源，其作为散热器的使用也使冷却方式实现重要的能源节约。日常性能因素（DPF）的两个交流系统和两种操作模式，加热和冷却的演变，如图4顶实线对应于地面源系统和底部的虚线空气源系统。这些数据显示在一个特殊的日子系统的能量性能。某些时期引起注意，例如由于DPF的下降趋势，在加热方式，时间从三月中旬相应的五月和十月开始到11月中旬。所观察到的趋势是很容易理解，如果我们考虑到，这些时期的特点是气候温和，相应的热泵利用程度低，操作短脉冲，长期关闭，说明该系统的时间间隔是失去的热量。在这些条件下，系统过大和损失占主导地位。我们也显示在图4每值的误差因素日常表现吧。至于性能的因素，计算错误的测量传感器的准确度以下的标准误差线性的传播。看着这个数字，我们可以看到，对这些错误中得到的数据远远比性能因素的日常平均值的波动较大。这种行为是可以接受的，没有统计表明，这些错误是高估。我们认为，这高估了在每个设备的测量精度的值它的起源。对于这样的精度应该比实际值由制造商提供一个体积更小，因此，我们提出了数据的实际误差会较小。不过，由于我们没有做对每一个传感器测量的校正目前作为衍生参数的那些由制造商提供的传感器的精度得到错误的估计我们。4.2 功耗在图5-6，我们目前的两个交流系统的电力消耗的结果，并在图7-8的结果为在每一个特定的一天空调系统运行能耗。我们分开的贡献对应的能量传输组件（风扇线圈和内部循环泵从能源生产的（水热泵冷热水机组外循环泵和地热系统，并为传统系统的空气对水热泵），以评估在能源平衡这些次要的部件的影响。从图5我们可以看到，在地热系统的情况下，二次元件的能耗超过能耗总量的30。在加热方式，在较温暖的时期，当系统使用低，他们的贡献，总用电量增加50。对于空气-水热泵系统（见图6）这些百分比降低由于电力消耗的热量高于泵本身，但在任何情况下，他们均大于20。基本上相同的趋势是观察数据进行分析时冷却方式。图6每月空气-水空调系统电能消耗，两种操作模式和加热和冷却。在图7-8我们展示了一个操作过程中特定的一天瞬时功率消耗。首先，注意低能耗的水-水热泵和空气-水热泵能耗的比较。还要注意的是，由次级元件消耗的功率低，周围的25%对地热系统和周围的20%对传统系统。然而，由于这些系统的运行永久，他们在整体能源消费的影响是较大的比例。图7对于一个特定的一天功耗显示的地源系统。该分析指出了智能控制策略更需要减轻对能源的需求是次要的部件（这里通常的室内进水温度恒温控制使用）。在这方面的工作正在进行中。图8对于一个特定的一天能耗显示为传统系统。5 结论与讨论在为期1年GeoCool设施的实验测量提供了关于系统性能的大量信息。在这项工作中，我们特别注重了对空调系统节能的基础上加上地面热量比传统的空气加热和冷却方式交换源系统评价。这项研究的结果使我们得出关于这两个系统的操作有以下结论：对于整个供暖季度地热供暖节能，在一次能源消耗上是传统能耗的4317%的平均计算水平。在制冷季度，使用地热系统平均节能是传统能耗的3718%。这些结果表明，一地源热泵系统是一种可行和有效的替代能源来加热和冷却，在南欧地区应用的传统系统。请注意，对于初级能源节约取得的实际值，当我们使用GCHP系统而不是ASHP系统是我们的特殊系统配置细节。不过，我们认为，这两个交流系统的设计标准和标准，因此，这些价值代表了这两种技术的节能性能的比较现实的估计。在其他配置的实际比例将有所不同，但很明显，与正常大小的地源为基础的系统，可大大节省。从我们的实验中，我们得出的结论是两个以上的系统容量的大小在温和的加热或冷却期间，造成严重的效率处罚。对于这些时期的能力适应战略将是可取的。对电力系统的交流，如循环泵和风扇线圈的辅助元件消费的影响被认为是大，应该考虑提高系统效率，指出了改进的控制策略的必要性。致谢这项工作在财政上支持的部分项目，全球环境展望酷（欧盟第五框架计划），NNE5- 2001 -00847和GEOCARE（由Ministerio德EducacinCiencia资金， ENE2004-04551/ALT和菲德基金）。参考文献1 Omer AM. 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