能源總線(xiàn)系統的(火用)分析與碳分析

暖通空調HV&AC 2013 年第43卷第1期D專(zhuān)業(yè)能源總線(xiàn)系統的炯分析與碳分析同濟大學(xué)中國建筑科學(xué)研究院 上海分院樊瑛*同濟大學(xué)龍惟定摘要建立了天然水源能源總線(xiàn)系統、冷卻塔能源總線(xiàn)系統以及單體建筑供冷系統的煙分析與碳分析通用模型,并以上海某商業(yè)中心為例,基于TRNSYS軟件,對系統進(jìn)行了動(dòng)態(tài)逐時(shí)爛分析與碳分析。結果表明,按單位冷量的炯損失排序,由高到低依次為單體建筑供冷、冷卻塔能源總線(xiàn)系統、天然水源能源總線(xiàn)系統，其值依次為0. 304,0.266,0. 185;按單位冷量的碳排放量排序,單體建筑供冷系統碳排放量最大,其次為冷卻塔能源總線(xiàn)系統,最小的是天然水源能.源總線(xiàn)系統形式,其值依次為0. 254,0. 215,0.189 kg/(kW●h)。同單體建筑供冷相比，能源總線(xiàn)系統在擁效率與碳排放量方面均具有明顯的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞能源總線(xiàn)系統 爛分析碳分析冷卻塔 水源 熱泵.Exergy and carbon dioxide emission analysis forenergy bus systemsBy Fan Ying* and Long WeidingAbstract Develops a general exergy and carbon dioxide emision analysis model for the natural waterenergy bus system (EBS)，cooling tower EBS and single building cooling system. Taking a commercialbuilding in Shanghai as an example, dynamically analyses hourly exergy and carbon dioxide emission of thethree systems by means of TRNSYS software. The result shows that the descending order according to theexergy loss per unit refrigeration output is the single building cooling system, cooling tower EBS and naturalwater EBS with the resective value of 0. 304, 0. 266 and 0. 185. In accordance with carbon dioxideemission per unit refrigeration output, the single building cooling system is the largest, the cooling towerEBS the second and the natural water EBS the smallst, with the value being 0.254, 0.215 and 0. 189 kg/(kW●h) respectively. Compared with single building cooling system, the two EBSs have obvioussuperiority in exergy efficiency and carbon dioxide emission.Keywords energy bus system, exergy analysis, carbon dioxide emission analysis, cooling tower,water-source heat pump★Tongi Uriversity, Shanghail, China0引言(地下水)中。能源總線(xiàn)系統指的是將冷卻水集中伴隨著(zhù)我國快速的城市化進(jìn)程，區域級開(kāi)發(fā)項供給各建筑物內的制冷機或熱泵,簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是目層出不窮。區域建筑能源規劃對于建筑節能與集中供給冷卻水系統。減碳的實(shí)現具有非常重要的意義。能源總線(xiàn)系統具有以下優(yōu)點(diǎn):1)集成利用低能源總線(xiàn)系統是一種很有前景的區域能源系統。品位的未利用能源,發(fā)揮規模效應;2)克服了分散該系統起初是為了利用天然水源而發(fā)展起來(lái)的。的末端空氣源熱泵機組的許多缺陷,為末端機組提能源總線(xiàn)系統是將來(lái)自于可再生能源或未利供優(yōu)質(zhì)的熱源與熱匯，提高機組性能系數;3)集中用能源的熱源或熱匯水,通過(guò)作為基礎設施的管網(wǎng)排熱方式，可有效緩解城市局部熱排放造成的熱島輸送到各用戶(hù)。在用戶(hù)端,能源總線(xiàn)系統來(lái)的水作★樊瑛,女,1977年1 月生,博士,講師為水源熱泵的熱源或熱匯或者水冷制冷機組的熱200032(021) 539中國煤化工匯,經(jīng)換熱后回到源頭、或排放(地表水)、或循環(huán)再E-mail,mr次換熱(通過(guò)換熱器與各種源和匯耦合)、或回灌.收稿日期:2012MHCNMH G2013(1)樊瑛,等:能源總線(xiàn)系統的煳分析與碳分析3效應;4)克服了區域供冷供熱系統溫差與流量之間的矛盾,對管網(wǎng)保溫隔熱的要求也大大降低;5)末端機組可以根據需要進(jìn)行調節,實(shí)現分戶(hù)計量。炯是一種能量,具有能的量綱和屬性。擁是能量506中“量”與“質(zhì)”相統一的部分。 傭反映了能量中的質(zhì)，質(zhì)也就是能量中真正有用的部分。在相同的參考環(huán)境下,相同形式和總量的能量其擁值往往不同。在可逆過(guò)程中,煙的總量是守恒的,沒(méi)有炯損失;在不可逆圖2冷卻塔能源總線(xiàn)系統示意圖過(guò)程中,有擁?yè)p失,并且,不可逆性越大,擁?yè)p失越大。炯分析是能量系統設計、優(yōu)化和性能評估中的圖如圖3所示。圖1,2,3中的數字表示各個(gè)設備一個(gè)工具。通過(guò)炯分析可明確不可逆性或擁?yè)p失的進(jìn)出口狀態(tài)編號。的主要來(lái)源,最小化給定過(guò)程的熵產(chǎn),可確定系統中能量損失的大小、位置以及產(chǎn)生的原因,有助于改善與優(yōu)化系統設計[2。國外有許多學(xué)者將擁分析應用于各種能源利用系統,如地熱區域供熱系統[-8]、地源熱泵系統[-13、太陽(yáng)能驅動(dòng)的熱泵系統[4-11以及熱電聯(lián)產(chǎn)系統[8等的評價(jià)。到目前為止,未曾有能源總線(xiàn)系統的炯分析方面的研究文獻。本文將基于熱力圄3單體建筑供冷系統示意圍學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律,對能源總線(xiàn)系統進(jìn)行傭分析,并基于TRNSYS軟件對能源總線(xiàn)系統2能源總線(xiàn) 系統的擁分析通用模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)逐時(shí)煙損失模擬。另外,也對能源總線(xiàn)系2.1質(zhì)量 、能量及傭平衡方程式統進(jìn)行了動(dòng)態(tài)逐時(shí)碳排量分析。對于穩態(tài)穩流過(guò)程,質(zhì)量平衡通用方程式為1系統描述Z坑= Em(1)本文將研究地表水能源總線(xiàn)系統與冷卻塔能式中 in; 為人口質(zhì)量流率，kg/s;is為出口質(zhì)量源總線(xiàn)系統,系統示意圖見(jiàn)圖1,2.地表水能源總流率,kg/s;下標i表示流人,o表示流出。二次冷卻水秉能量平衡通用方程式為Q+ 2ih;= W+ Eiho .式中Q為傳人系統的凈熱量, kW;W為系統對外所作的功,kW ;h為比焓,kJ/kg.炯平衡方程式為自Ex;- Ex。= Ex(3)圈1地表水能源總絨系統示意圉式中Ex 為進(jìn)人系統的煙, kW;Exo為離開(kāi)系統線(xiàn)系統是指集中供給地表水作為單體建筑內的冷的擁,kW;Ex為系統的炯損失,kW。水機組的熱匯的冷卻水集中供給系統。冷卻塔能當忽略系統的動(dòng)能煙、位能棚、化學(xué)傭時(shí),根據源總線(xiàn)系統是指冷卻塔集中設置的冷卻水集中供物質(zhì)流、功量與熱量的相互作用,傭平衡方程式可給系統。由于末端用戶(hù)負荷錯峰,所以區域內集中表達為設置冷卻塔時(shí),冷卻塔的容量要小于各單體建筑單獨設置冷卻塔的容量的總和。同時(shí),在研究中,以Exn:= Ex (4)中國煤化工單體建筑單獨設置冷卻塔的系統形式作為能源總式中下標、質(zhì)量,相應THCNMH G線(xiàn)系統比較的基礎。單體建筑單獨供冷系統示意項分別表示熱里煙、切州以區鞏州。1暖通空調HV&AC 2013 年第43卷第1期專(zhuān)業(yè)論壇將式(4)中的各項展開(kāi),擁平衡方程式可進(jìn)一1 所示。步表達為表1地表水能源總線(xiàn)系統各設備的爛損失煙損失.習(1-號)Q-W+ Ei4- Zimob= Ex .制冷機m(ψn -4) +m(p- ψ)+Wp一次冷卻水泵m(4n -w)+We(5)二次冷卻水泵is(嶼一歸) +Ww式中第一項為熱量擁，T。為基準溫度,K,T;為分水器發(fā)生傳熱時(shí)的熱力學(xué)溫度,K;第三項和第四項為集水暑表1中流炯,kW ;ψ為比傭,kJ/kg.在此，比擁可表示為ψ= (h-ho)- To(s-so)(6)w。=w。(7)式中s 為工質(zhì)的比熵,kJ/(kg. K);so為基準比熵,kJ/(kg. K)。w= Wa(8)2.2地表水能源總線(xiàn) 系統的擁分析_We2.2.1假設條件Wa =(9)1)所有過(guò)程為穩態(tài)穩流過(guò)程，忽略宏觀(guān)動(dòng)能式(7)~(9)中加n 為壓縮機的機械效率,%;n為與位能的變化;壓縮機的指示效率, %;y為一次冷卻水泵效2)系統向外傳熱外界向系統做功為正;率, %;nz為二次冷卻水泵效率, %;W。為壓縮機3)忽略管路的傳熱損失;4)認為水與空氣的比熱容保持恒定。的輸人功率，kW;Wa為一次冷卻水泵的輸人功2.2.2地表水能源總線(xiàn) 系統的擁平衡方程式率,kW ;Wa為二次冷卻水泵的輸人功率,kW。地表水能源總線(xiàn)系統中各設備的擁?yè)p失如表地表水能源總線(xiàn)系統總的炯損失為Ex:= mn(ψh-4n) +iss- mingyo + W. + Wa + Wwce(10)系統炯效率ηπ為系統的收益炯與代價(jià)炯之系統擁效率為比,該系統的擁效率表達式為7u =m(如-出)(11)抗(業(yè)一出)misys - rghsg +W. +Wea + wceW。+Ws+ Wa + Wae + mo(40 - y4) + imnz4hz2.3冷卻塔 能源總線(xiàn)系統的炯分析(14)冷卻塔能源總線(xiàn)系統的炯分析基于的假設條2.4單體建筑供冷 系統的炯分析件同地表水能源總線(xiàn)系統,不再贅述。冷卻塔能源該單體建筑內供冷系統的冷卻水與冷水系統總線(xiàn)系統中各設備的炯損失如表2所示。為定流量系統。該系統的熱力分析邊界僅至制冷表2_冷卻塔能源總線(xiàn)系統各設備的擁?yè)p失機冷水側。建筑內部冷水泵以及建筑內部系統在擁?yè)p失響(ψ - x) +m3(4p -ψ) + Wp此不涉及。單體建筑供冷系統與所比較的能源總冷卻塔mno(ho -咖) +ni(駟-此) + Wes + rm1z42線(xiàn)系統應具有相同的熱力邊界。單體建筑供冷系-次冷卻水泵亦(咖一燈)+ Wel統擁平衡方程式如表3所示。亦(帖-暢) + Wa表3_單體建筑供冷系統各設備的煳損失，集水器m咖二my二ng咖炯損失表2中響(4n -x) +m(lp -山n) +Wpm(4n-此) +m(山-4)+ n物+ Wsw。=_W(12)冷卻水泵mhs(收一4)+We表3中式中η 為冷卻塔風(fēng)機效率, %。冷卻塔能源總線(xiàn)系統總的炯損失為w_W(15)中國煤化工Ex, = m:(ψ4-ψn) +wp+Wa+ ww1+(13)式中n為MHCNM HGWea + riro(yoro一h) + rmnzhrz單體建筑大民不九心時(shí)項大力16暖通空調HV&AC 2013 年第43卷第1期專(zhuān)業(yè)論壇4.3冷卻塔 能源總線(xiàn)供冷系統TRNSYS建模5.2碳分析冷卻塔基于區域逐時(shí)冷負荷峰值來(lái)選型;二次從圖8可看出,按照系統碳排放量排序,由高冷卻水泵流量基于區域逐時(shí)冷負荷峰值,結合5 C會(huì )0.30r0.254的冷卻水供回水溫差來(lái)計算;二次冷卻水泵臺數為3 0.25-0.2158臺。一次冷卻水泵流量、臺數與制冷機流量、臺出0.151數相對應。0.10制冷機、冷卻塔與- .次冷卻水泵聯(lián)鎖運行,采州0.05-用負荷控制;二次冷卻水泵采用冷卻水流量控制。TSBCFOLCTCPN一次冷卻水環(huán)路長(cháng)度取為100 m,二次冷卻水泵環(huán)系統形式路長(cháng)度取為60 m。模擬假設條件同天然水源能源圉8能源總線(xiàn)系統與單體供冷系統碳排放量總線(xiàn)供冷系統。模型如圖6所示。到低依次為3個(gè)單體供冷系統(TSB)、冷卻塔能源冷卻水泵總線(xiàn)系統(CTEBS)、天然水源能源總線(xiàn)系統氣象數據.●●(NWEBS)。同單體建筑供冷系統相比，冷卻塔能分水器源總線(xiàn)系統的碳排放量降低了15. 35% ,天然水源白能源總線(xiàn)系統碳排放量降低了25. 59% ;天然水源能源總線(xiàn)系統碳排放量比冷卻塔能源總線(xiàn)系統降低了12. 09%。B1負荷導入6結論●運行時(shí)刻表2按單位冷量的煙損失排序,由高到低依次為單B2一次冷卻水泵體建筑供冷、冷卻塔能源總線(xiàn)系統、天然水源能源B2負荷導入。.’運行時(shí)刻表3總線(xiàn)系統,其值依次為0. 304,0. 266,0. 185 kW●B8- -次冷卻水泵h/(kW●h)。從炯損失角度來(lái)看,冷卻塔能源總線(xiàn)系統及天然水源能源總線(xiàn)系統優(yōu)于單體建筑單獨團6冷卻塔能源總線(xiàn)系統模型供冷的系統形式,且天然水源能源總線(xiàn)系統優(yōu)于冷5模擬結果分析卻塔能源總線(xiàn)系統。5.1.炯損失 .按碳排放量排序,單體建筑供冷系統碳排放量從圖7可看出,按照系統擁?yè)p失排序,由高到低最大,其次為冷卻塔能源總線(xiàn)系統,最小的是天然依次為3個(gè)單體供冷系統(TSB)冷卻塔能源總線(xiàn)水源能源總線(xiàn)系統形式，其值依次為0. 254,系統(CTEBS)以及天然水源能源總線(xiàn)系統0.215,0. 189 kg/(kW●h)。采用碳排放量指標評(NWEBS)。同3個(gè)單體供冷系統相比,冷卻塔能源價(jià),同單體建筑供冷系統相比,冷卻水能源總線(xiàn)系總線(xiàn)系統的炯損失降低了12. 50% ,天然水源能源總統具有明顯的優(yōu)勢。線(xiàn)系統的炯損失降低了39. 14% ;天然水源能源總線(xiàn)炯損失高,意味著(zhù)擁效率低。綜合碳排放量與系統擁?yè)p失比冷卻塔能源總線(xiàn)系統降低了30. 45%。擁效率可見(jiàn),3種系統形式中天然水源能源總線(xiàn)系統最優(yōu),冷卻塔能源總線(xiàn)系統居中,單體建筑供冷會(huì )0.3最差。號0.30-:0.25-參考文獻:3a.200.185[1]龍惟定,白瑋 ,梁浩.低碳城市的能源系統[J].暖通K0.15-空調,2009,39(8):79- 84,1270.10-0.0[2] Bejan A. Advanced engineering thermodynamicsSBMEBS[M]. N中國煤化工:1997[3] Ozgenerrgy and exergy圈7能源總線(xiàn)系統與單體供冷 系統炯損失analysis u:TCHCNMH(”........ Jistrict heating2013(1)樊瑛,等:能源總線(xiàn)系統的擁分析與碳分析7system[J]. Geothermics, 2005, 34(5): 632- 645[11] Ozgener 0, Hepbasli A. Modeling and performance4] Ozgener L, Hepbasli A, Dincer I Exergy analysis ofevaluation of ground source ( geothermal) beat pumptwo geothermal district heating systems for buildingsystems[J]. Energy and Buildings,2007, 39(1): 66-applications [ J ]. Energy Conversion andManagement, 2007, 48(4): 1185- 1192[12] Bi Yuehong, Wang Xinhong, Liu Yun, et al._5] Ozgenera L， Hepbasli A， Dincer I Effeet ofComprehensive exergy analysis of a ground-sourcereference state on the performnance of energy anheat pump system for both building heating andexergy evaluation of geothermal district heatingcooling modes[J]. Applied Energy, 2009, 86(12):systems: Balcova example [J ]. Building and2560- 2565Environnent, 2006, 41(6): 699- 709[13] Hepbasli A, Tolga Baltab M. A study on modeling6] Oktay Z, Coskun C，Dincer L Energetic andand performance assessment of a heat punp systemexergetic perfornance investigation of the Bigadicfor utilizing low temperature geothermal resources inGeothermal District Heating System in Turkey[J].buildings[J]. Building. and Environment, 2007, 42Energy and Buildings, 2008, 40(5) :702- 709(10); 3747- 37567] Coskun C, Zuhal Oktay, Dincer I New energy and[14] Torres Reyes E, PiconrNunez M, Cervantes De Gortariexergy parameters for geothermal district heatingJ. Exergy analysis and optimization of a solar assistedsystems[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29heat pump[J]. Energy, 1998, 23(4) :337- 344(11/12); 2235-2242[15] Torres-Reyes E, Cervantes De Gortari J. Optimnal_8] Kecebas A， Kayfeci M，Gedik E Performanceperformance of an irreversible solar assisted heatinvestigation of the Afyon geothermal district heatingpump[J]. Exergy, 2001, 1(2):107-111system for building applications: exergy analysis[J].[16] CervantesJ G, Torres-Reyes E. Experiments on aApplied Thernal Engineering, 2011， 31 (6/7):solar- assisted heat pump and an exergy analysis of the1229- 1237systerm[J]. Applied Thermal Engineering, 2002, 22_9] Hepbasli A, Akdemir 0. Energy and exergy analysis(12): 1289-1297of a ground source ( geothermnal) heat pump system[17] Dikici A, Akbulut A Performance characteristics[J]. Energy Conversion and Management, 2004, 45and energy-exergy analysis of solar assisted heat(5) :737-753pump system[J]. Building and Environment, 2008,10] Esen H, Inalli M, Esen M, et al. Energy and exergy43(11): 1961 -1972analysis of a ground coupled heat pump systerm with[18] Bilgen E Exergetic and engineering analyses of gastwo horizontal ground heat exchangers[J]. Buildingturbine based cogeneration systems [J]. Energy,2007, 42(10); 3606- 36152000, 25(12):1215- 1229(上接第22頁(yè))參考文獻:[6].徐方成.蒸發(fā)冷卻與機械制冷復合空調機組的研究[1] 黃翔.蒸發(fā)冷卻空調理論與應用[M]. 北京:中國建[D].西安:西安工程大學(xué),2009筑工業(yè)出版社,2010[7] 王偉,黃翔,吳生,等淺析兩級管式間接與直接三級蒸發(fā)冷卻空調的運行和性能[J].流體機械, 2011,39[2]黃翔. 空調工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006 ;(4):62- 66[3]黃翔. 國內外蒸發(fā)冷卻空調技術(shù)研究進(jìn)展(1)[J].暖8] 王偉,黃翔,吳生,等.管式間接-直接組合式蒸發(fā)冷通空調,2007 ,37(2):24- 28卻空調系統的工程應用分析[J].暖通空調,2011,41[4]張登春， 陳煥新.蒸發(fā)冷卻技術(shù)在我國干燥地區的應(7):25- 30用研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調,2001 ,20(3):12- 14[9] 黃翔,樊麗娟，吳志湘.管式間接蒸發(fā)冷卻器性能測[5] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑試與分村中國煤化工19-53技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數據集[10]堯德華,彭組合式空調機:1Y8CNMHG[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005組能耗分兒小灶以|p H,cvosuiw) :42- 46