文摘
本文研究地源热泵的性能,再加上一个光伏系统提供冷却和加热的零能耗住宅的要求。(火用)和可持续性分析进行评估(火用)破坏率和SI不同车厢的混合动力系统。每月的热负荷变化的影响,研究了混合动力系统的性能。混合动力系统由一个垂直地源换热器,屋顶的光伏电池板,热泵循环。Exergetic solar-geothermal热泵系统的效率不超过10%,最(火用)破坏发生在光伏面板,冷凝器和蒸发器。虽然硅光伏系统保持不变时,如果GSHP取决于冷却和加热模式。结果还表明,利用该混合动力系统可以减少有限公司2每年近70吨的碳排放。
1。介绍
住宅的能源消费应用程序几乎是全球初级能源需求的三分之一,虽然迅速增加是由于人口增长和人类生活水平的提高(1,2]。目前在这个领域所需的大部分能量是由高温源以满足低温供暖需求。这些能源危机除了地球环境恶化,全球变暖,和自然资源的耗竭鼓励研究人员调查的可能性,使用环保能源驱动低(火用)的系统,也就是说,太阳能系统、地源换热器,等等,工作温度接近环境温度。低火用系统基本上是空调系统利用低品位能源的可持续提供加热和冷却效果在温度接近室温3]。
作为一个有前途的方法在节能,热泵可以结合可再生能源提供较低的(火用)冷却和加热系统。在可再生能源,地热、风能和太阳能更可采用的可持续建筑。大部分的研究和发展为住宅应用程序基于可再生能源的系统进行提供热水,由热泵供热、制冷和通风或vapor-power周期(4- - - - - -6]。地源热泵(GSHP),与某些类型的低温配送系统集成,已被确认为最高效和环保的加热和冷却技术对各种气候。这些系统节能,设计基于地面的相对恒定的温度提供夏季冬季加热和冷却。垂直的闭环系统是最有效的,虽然最昂贵的配置,因为地下温度随深度增加和稳定水平(7- - - - - -9]。分析GSHP广泛开展文学从精力充沛,exergetic的观点10- - - - - -13]。与光伏系统集成的地源热泵是一种很有前途的选择供应电力、热水和加热和冷却效果为off-network社区和偏远地区(14- - - - - -16]。
组合不同的可再生能源,以满足需求的可持续建筑被广泛研究。李等人。17]描述了屋顶混合热泵系统使用风能和太阳能提供热水、取暖、制冷和从能源、(火用)和环境的观点。米卡提等人介绍了一个小规模分布式电力系统包含光伏阵列,小型风力发电机和电网连接(18]。戴等人进行了一项实验研究来评估操作模式的影响在加热太阳能辅助地源热泵系统的性能(SAGSHPS) [19]。此外,不同的概念的太阳能辅助热泵系统与地面热交换器模拟人体自燃现象据IEA Task44使用TRNSYS软件/ HPP Annex38参考条件。系统效率的依赖季节性性能因素和可能缩短地面热交换器的最低温度在地面热交换器入口评估(20.]。新系统的冷却性能的太阳能光伏电池板叫如中央面板冷却系统(GC-CPCS),这是在操作的能源公园拉吉夫·甘地Proudyogiki Vishwavidyalaya (RGPV),研究了由刚刚et al。21]。光伏系统的(火用)分析已广泛开展。Sobhnamayan et al。22调查了一个优化的太阳能光伏热水收集器基于(火用)的概念。(火用)分析光伏(PV)和光伏/热系统由Saloux et al。23]。Gholampour et al。24)PV / UTC的性能评估和UTC系统通过引入能源效率的函数electrical-to-thermal数量和比例也第二定律效率。(火用)和热光伏经济评价水性收藏家对不同气候在伊朗已经由Jahromi et al。25]。
在这项研究中(火用)分析进行调查的性能空间加热和冷却的综合PV-GSHP系统远程建筑。一般安排系统的示意图如图1。所需的地区太阳能光伏电池板和GSHP所需长度计算混合空调系统的200米2建立在一个偏远的地区。不同气候对系统性能的影响研究是基于伊朗三城市的气象数据(伊斯法罕、亚兹德,Shahrekord)。假设所有气候的建筑结构是相同的案例研究;然而冷却和加热负载、太阳辐射和地面深度的温度是不同的。分析是基于平均每月的能源需求。假设热能和电能可以存储在白天。能源、火用和可持续性分析是进行评估的可行性,利用太阳能辅助地源热泵(GSHP)空调的目的。
2。系统分析
2.1。加热和冷却负荷
一个偏远的建筑有2002区位于伊斯法罕(海拔高度:1590米)被认为是研究一个集成的地热热泵的性能和光伏系统提供加热和冷却负荷。伊朗的系统性能比较不同的城市包括亚兹德(海拔1216米)和Shahrekord(海拔高度:2061米)。图1显示了一个示意图的居住建筑和太阳能辅助地热热泵。加热、制冷和热水的需求构建基于室外设计条件计算每个城市每一个。
2.2。系统描述
图3显示了一个流程图的集成太阳能辅助GSHP系统运作的离网能源系统指定的居住建筑。它由三个主要的循环。(1)地面循环提供热能(在冷却模式下)子层或者需要热能从地上(供热模式)。循环泵循环的水,作为工作流体,在循环(流1)。通过网络与地面热量交换GSHXs数量的整体效率。地面温度在一年几乎是恒定的。(2)主回路基本上是一个兰金制冷循环包括两个热交换器与可交换的功能取决于冷却或加热的季节。在加热模式第一换热器将热量从地面循环蒸发器,而另一二次回路换热器将热量传递到冷凝器。在冷却模式第一换热器将热量传递到接地回路电容器和其他提取二次回路的热量作为蒸发器。压缩机加压制冷剂主回路中的r - 134 A。4路阀采用冷却和加热模式切换功能通过逆转制冷剂流动方向。(3)二次回路交流通过风机盘管热交换器的热空调空间。通过循环泵用于循环水。光伏系统所需的电力供应泵、压缩机、风机。该系统包括光伏电池板、转换器和电池。电池储存白天发电的光伏系统。
3所示。能量和火用分析
以下假设是计算能量和火用流:(一)所有的过程是稳定的。(b)势能和动能的小溪可以忽略不计,不存在化学反应。(c)压缩机机械和电气效率分别为80%和70%,分别。(d)空气是理想气体,其比热是恒定的。(e)条件选为死去的状态和。(f)水的热力学性质、空气和r - 134 a使用ee计算软件包。(g)质量流率的计算是由ee软件。案例研究也在表的假设为基础进行的1。
3.1。地源热泵
基于上述假设,质量、能源和(火用)平衡方程应用于找到输出功率,热量增益,(火用)破坏,和能量和火用效率。控制方程如下(26,27]: 的(火用)流吗被定义为
3.1.1。在风机盘管传热过程
的速度送到房间由于热(火用)是 在哪里加热或建筑物的冷负荷和室内设计温度。空调热交换器的不可逆性率
3.1.2。压缩过程
混合周期,压缩过程所需输入火用,在泵或压缩机,是光伏系统与能源效率的15%。被忽视了摩擦加热不可逆转的速度,压缩过程 不可逆性由于能量转换缺乏电动马达可以写成
3.1.3。蒸发器和冷凝器
这个过程是由火用平衡 从而失去蒸发器和冷凝器(火用)
3.1.4。节流过程
(火用)损失率在节流阀
3.1.5。地源换热器
(火用)的速度从地面中提取是 在哪里是地面之间的热量交换和工作流体在换热器循环平均地面温度在一个特定的深度。
地面温度是一个函数的几个参数。它可以使用以下公式计算: 在哪里年平均温度,是温度波级,是温度波频率,时间是一年最热的一天吗,是地面深度,,在这土壤导热系数。
GSHX管长度的计算 在哪里土壤的总热阻、管、水和的平均温度是通过地源换热器水流。考虑聚乙烯管的物理性质、土壤和水总热阻。
传热过程的(火用)破坏率
3.2。光伏系统
太阳能辐照度是衡量太阳能能交付多少在一个特定的位置。图4说明了每月的太阳辐照平均为22年来不同的城市。图4提供的信息可用太阳能照射在使用光伏面板和太阳跟踪的情况下,基于[28]。然后使用这些信息来计算日平均每个月从光伏发电系统。
实际的能源来自太阳辐射输入可以定义如下(23]: 在哪里是太阳辐照强度和是什么光伏面板净面积。
太阳辐射的输入(火用)是由(29日] 在哪里太阳的温度为5777 K。光伏模块可以写的(火用)平衡找到相关的不可逆性如下(30.- - - - - -32]: 结果表明,光伏输出(火用)可以计算 在哪里是光伏电压和产生电流。
光伏模块的能量转换效率可以被定义为净电输出功率的比值的输入能量如下:
3.3。总体系统分析
输入火用混合周期是收到地热源()和光伏系统()。所需的(火用)传递的房子。因此,第二个混合循环效率低 计算了总(火用)损失
3.4。可持续性分析
(火用)分析可以进一步扩展到调查的可持续性循环,在设计阶段或现有的条件。可持续性指数提供了有用的信息(火用)效率的子系统如何影响能源和整个系统的可持续性。更高的可持续性指数表明更多的过程或系统的可持续性。可持续发展指数(SI)被定义为(29日] 在哪里 也有用调查子系统的性能使用相对不可逆性(RI),也就是说,子系统(火用)破坏率的比值整个系统的(火用)破坏率:
4所示。结果和讨论
4.1。(火用)流图
图5演示了一个Grassmann图的混合动力系统。(火用)流从能源,例如,太阳能和地热能,有用的(火用)传递到建筑,和(火用)破坏,定量。结果根据1月份伊斯法罕气候有关。它可以得出的结论是,大多数(火用)破坏发生在光伏模块。大约82%的总入射太阳能光伏系统(火用)捕获,其中约76%的破坏是由于能量转换光伏电池板的缺陷。从输入的24%的太阳能电池(火用)传递的存储,压缩机,泵,大约15%已经被破坏由于这些组件的不可逆性以及交直流转换器。因此,近10%的太阳辐照度(火用)将被转换成有用的工作泵和压缩机。提高能量转换效率机电设备和换热器的设计在一定程度上可以避免(火用)损失。另一方面,大约67%的总输入从GSHP系统(火用)传递到蒸发器,冷凝器,热交换器是失去了由于传热过程的不可逆性。
4.2。火用效率
期间系统的(火用)效率的变化见图6。混合动力循环的(火用)效率几乎是常数在炎热的季节,在其最小值的2%。在寒冷的季节,然而,系统的效率会增加。(火用)效率很大程度上取决于GSHP性能。在炎热的季节、地面温度和环境温度相比更接近彼此寒冷的季节。它将导致低地热(火用)输入在炎热的季节。虽然,在寒冷季节,冷却方式和环境温度变量(在比较炎热的季节),地面温度仍然几乎不变。这一事实导致一个变量在寒冷的季节地热(火用)的输入。作为太阳能(火用)是相对较少的变量在寒冷季节,系统的(火用)效率很大程度上取决于地热子系统(火用)效率。另一方面,最高的(火用)效率值,最冷的1月和12月的季节在这季节,地热系统有更好的性能,因为地面深度的温度和环境温度最高的区别在寒冷的季节。
4.3。可持续性和相对不可逆性分析
数据7和8代表两个主要能源的可持续发展指数收获隔间,即光伏发电和地热系统,以及集成周期。从太阳系(火用)输入远远大于地热系统(由于广泛破坏,光伏系统)集成系统的可持续发展指数相对稳定的太阳系。它可以看到从图7光伏系统可持续性依赖有限死状态的温度。它也可以得出结论(15),太阳的温度差异和死亡状态温度补偿的影响参数对输入火用从太阳光伏系统。如图8期间,光伏系统可持续发展指数是1.2年。另一方面,GSHP系统的可持续发展指数是一个函数的死状态的温度。因为在本研究地面温度为17°C, GSHP可持续性指数最低当死亡状态温度是15°C。GSHP可持续发展指数将持续在炎热的季节(冷却模式),因为设计室内温度与地面温度接近彼此,环境温度变化是有限的。在寒冷的季节,随着环境温度降低GSHP增长的可持续性。这表明混合循环是更可持续的,和(火用)破坏较低在寒冷的季节。然而,在4月和10月个月由于室内设计温度接近环境温度,冷却和加热负荷远小于循环容量和输出(火用)显著降低(火用)与输入。事实上,混合周期不可逆性和(火用)破坏增加及其可持续性指数最小值在这几个月里。
数据9和10说明相对单位/过程的不可逆性对整个周期和GSHP子系统,分别。这是显示在图9大多数(火用)破坏发生在光伏系统。交直流转换器,光伏电池和电池系统破坏整体输入(火用)的82%左右。下一个最(火用)破坏过程与蒸发器和冷凝器的换热。这两个过程破坏几乎12%的总输入火用。图10表明,大约70%的(火用)破坏GSHP是由于冷凝器和蒸发器的热交换。
4.4。设计约束的影响
的主要设计约束混合周期的长度是地源换热器和光伏面板的区域。这些参数可以改变任何设计标准(火用)分析的结果。气候特征也会影响系统的性能。警察制冷系统是一个功能的质量流率。因此,以反映上述设计约束的影响混合动力循环的性能从热力学第二定律的角度来看,结果如图11- - - - - -17。不同气候的影响系统性能的比较在不同情况下场景如图16和17。
数据11和12现在GSHP和光伏系统的(火用)破坏率每年根据最低要求GSHX长度和光伏面板区域,分别。整个循环的(火用)破坏率可分为两个不可避免的和可以避免的部分。不可避免的部分指的是不同的(火用)破坏由于不可逆性适用过程中发生混合循环所需的最小尺寸的隔间,另一部分是有关保险设计条件的系统在不同的几个月。换句话说,不可避免的(火用)破坏是由于内部组件的不可逆性;然而,可以避免的(火用)破坏是由于保险设计的系统如过度光伏领域或GSHX长度。空调系统为一个特定的建筑通常是专为极端的气候条件,例如,每年最热和最冷的一天,和控制系统被认为是减少能源消耗的。然而,在使用太阳能和地热系统,热交换器的长度和光伏电池板的面积只与最大的能源需求和它会导致多余的输入(火用)损失的大部分日子里操作。可以看出输入(火用)损失和(火用)不匹配的需求更高的光伏系统与GSHP系统进行比较。多余的能量可以被存储在晚上或高峰时段系统操作。事实上,整个周期的设计可以优化基于平均能源需求和能源存储系统可以用来弥补峰值能耗情况。 As it is shown in Figures12和14在炎热的季节,仍有相当一部分的太阳能光伏电池板不利用。最大(火用)破坏速率发生在可能由于系统规模和建筑能源需求之间的不匹配。冷却和加热负载在本月最低数量的大约14千瓦。近12千瓦的(火用)的有效性,在本月由储能电池是可以避免的。
热泵制冷剂流量的变化根据气候变化在如图一年15。可以得出的结论是,城市伊斯法罕在寒冷的几个月的冬天,当光伏面板的面积和GSHX长度都是最大,高制冷剂流速也是必需的。实际上高能源需求和低太阳能照射在这几个月里导致相当大的不可逆性增加近2倍。这种不可逆性大多发生在混合周期的热交换器。
4.1.1。气候变化对系统性能的影响
为了研究混合动力循环的性能在不同气候条件下,重复计算两个城市有不同的天气状况。混合动力循环的目的是提供最大和加热和冷却负荷在一年。伊斯法罕城市都有温暖的夏季和寒冷的冬季,Shahrekord城市相当寒冷的冬季,夏季温和,和亚兹德城市,夏季很热,冬季温和。地面温度、天气数据和太阳辐照度的三个不同的城市获得通过当地的气象数据。GSHX所需长度的变化在一年更统一的亚兹德城,但所需的光伏面板区域存在着很大的差别。数据16和17比较混合动力循环的(火用)破坏率在三个城市。可以得出结论,GSHX和光伏系统的最大(火用)破坏率Shahrekord城市由于相当大的变化的大气平均温度在一年,还维之间的不匹配所需的大小和可用GSHX和PV。Shahrekord城市建筑的冷负荷远低于热负荷,而亚兹德城市的情况亦然。因此可以在不同的安排,以避免(火用)破坏这两个城市。换句话说,能量存储系统和控制系统可以应用基于混合循环性能分别在每个城市。结果表明,混合周期几乎两倍降低(火用)破坏率在寒冷季节比较炎热的季节。虽然GSHX和光伏系统的设计是基于最大加热和冷却负荷,吸收多余的能量可以保存在电池或预防使用旁通阀的地源换热器。
在另一种方法,混合周期可以根据设计建筑的平均能量的要求在一年。因此,GSHX PV大小减少和(火用)破坏由于不匹配系统的大小和能源需求可以最小化。系统的资本投资也大幅减少。混合周期以来,在这种情况下,不能供应建筑的能源需求在几个月,电网电力可能弥补所需的负载。图18显示了平均太阳能光伏面板区域和GSHX长度为3不同气候条件下,可以考虑重新设计周期;不过这可能不是最优解(火用)效率和投资成本应该同时优化的详细研究。
4.5。环境效益
可以利用混合GSHP-PV周期提供的全部或部分建筑能源需求导致相当大的减少CO2排放。根据建筑的冷却和加热的能源需求,位于伊斯法罕,如图2,每年的能源消耗(AEC)每年约60000千瓦时。基于低热值(低热值= 47.174 MJ /千克)的天然气和能量转换效率为40% ()电厂,近200003根据(甲烷将被保存24)。计算等效二氧化碳排放(25)。在这个方程式中是特定的二氧化碳排放的天然气。基于(25)()减少约1.2×104公斤二氧化碳排放每年实现(22,33]。如果混合循环设计基于所需的平均面积和长度PV和GSHX年度二氧化碳减排几乎是0.85×104公斤:
(一)
(b)
5。结论
混合solar-geothermal空调系统的性能研究提供制冷和采暖居住建筑的能源需求。利用绿色能源导致约10%的(火用)效率低,由于太阳能和地热能转换设施大大(火用)破坏。然而相当大的节约化石燃料和减少温室效应。混合动力循环性能评估在不同气候条件下,观察到,(火用)破坏由于不匹配的太阳能电池板的面积和长度地源换热器与能源需求每个月少气候非常炎热的夏季和温和的冬季。地源热泵系统的可持续发展指数很大程度上取决于死者状态温度而光伏系统不。几乎76%的混合动力循环的(火用)破坏是由于光伏系统的效率低下和70%的不可逆性GSHP系统发生在热交换器。以下的结论是在这项研究中:(我)混合动力系统在寒冷季节(火用)效率更高。(2)在混合动力系统中,(火用)破坏主要发生在光伏模块。(3)交直流转换器,光伏电池和电池系统破坏整体输入(火用)的82%左右。(iv)大约76%的光伏面板输入(火用)破坏是由于能量转换的缺陷光伏电池板。(v)(火用)损失由于需求不匹配的输入和(火用)要高得多的光伏系统与GSHP系统进行比较。(vi)GSHP系统中,大多数(火用)破坏发生在热交换器。(七)地热系统有一个更好的性能在寒冷的季节,因为最高的地面深度的温度和环境温度的区别。(八)光伏系统可持续性指数是1.2,但GSHP系统的可持续发展指数是死状态温度的函数。(第九)混合动力系统更可持续的在寒冷的季节。(x)如果混合循环设计基于建筑的平均能量的要求在一年,GSHX和PV尺寸减少,系统的(火用)破坏由于不匹配大小和能源需求可以最小化。(十一)如果周期是设计基于PV的平均所需的面积和长度和GSHX年度二氧化碳减排几乎是5×104公斤。混合动力系统的评价(GSHP加上光伏面板)不同城市(与不同气候)导致了以下结论:(我)GSHX和光伏系统的最大(火用)破坏率Shahrekord城市(最冷的气候)由于相当大的变化的大气平均温度在一年,还维之间的不匹配所需的大小和可用GSHX和PV。(2)可以进行不同的安排,以避免(火用)破坏Shahrekord和亚兹德。尽管耦合GSHX和光伏系统造成了相当大的(火用)破坏(特别是在寒冷的季节),混合动力系统能够提供一个干净的来源有限的区域供冷和供暖区域电网。建议进行更多的研究,以评估中小成本(exergoeconomical方面)。GSHX-PV系统的优化设计可以确定使用exergoeconomic分析是进行这项研究的延续。
术语
变量| : | 光伏板区(m2) |
| 原子能委员会: | 年度能源消耗(千瓦时) |
| : | 温度波动幅度(K) |
| : | 深度参数(m) |
| : | 能量(kJ) |
| : | 特定的二氧化碳排放 |
| : | 焓的单位质量(kJ公斤−1) |
| : | 发光强度(kJ米−2) |
| : | 不可逆性(毁灭)率(kJ−1) |
| : | 电流(安培) |
| : | 地下换热器长度(米) |
| : | 低热值(MJ /公斤) |
| : | 参考压强(kPa) |
| : | 传热速率(kJ) |
| : | 热电阻(kJ m−1年代−1K−1) |
| : | 温度(K) |
| : | 平均温度(K) |
| : | 电电压(伏) |
| : | 工作速度(kJ) |
| : | 质量(千克) |
| : | 质量流率(公斤−1) |
| : | 数量的热交换器 |
| : | 时间(年代) |
| : | 今年最热的一天时间(小时) |
| : | 速度(m s−1) |
| : | 地面深度(米) |
| : | 卷(米3)。 |
| : | (火用)(kJ) |
| : | (火用)流(kJ公斤−1) |
| : | 土壤电导率(m2年代−1) |
| : | 全球常数 |
| : | 重力加速度(m s−2) |
| : | (火用)流(kJ公斤−1) |
| : | 温度波动频率(s−1)。 |
| : | 性能系数 |
| : | 火用效率 |
| : | 地面泵效率 |
| : | 地面热交换器效率 |
| : | 蒸发器冷却效率模式 |
| : | 冷凝器冷却效率模式 |
| : | 蒸发器加热效率模式 |
| : | 冷凝器效率加热模式 |
| : | 制冷剂泵效率 |
| : | 膨胀阀的效率 |
| : | 功率转换效率 |
| : | 风机盘管热交换器效率 |
| : | 风机盘管泵效率。 |
| : | 死状态(参考) |
| : | 控制体积 |
| : | 光伏 |
| : | 压缩机 |
| : | 设计条件 |
| : | 电 |
| : | 地面 |
| : | 地热 |
| : | 初始条件 |
| : | 入口 |
| : | 冷却和加热负载 |
| : | 平均 |
| : | 出口 |
| : | 总条件 |
| : | 节流过程 |
| : | 太阳能。 |
| : | 时间推导 |
| : | 求和。 |
| : | 工程方程解算器 |
| : | 地源热泵 |
| : | 地源换热器 |
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。