暖通空調(diào)HV&AC 2013 年第43卷第1期D專業(yè)能源總線系統(tǒng)的炯分析與碳分析同濟大學中國建筑科學研究院 上海分院樊瑛*同濟大學龍惟定摘要建立了天然水源能源總線系統(tǒng)、冷卻塔能源總線系統(tǒng)以及單體建筑供冷系統(tǒng)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(tǒng)進行了動態(tài)逐時爛分析與碳分析。結(jié)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、冷卻塔能源總線系統(tǒng)、天然水源能源總線系統(tǒng)，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(tǒng)碳排放量最大,其次為冷卻塔能源總線系統(tǒng),最小的是天然水源能.源總線系統(tǒng)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，能源總線系統(tǒng)在擁效率與碳排放量方面均具有明顯的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞能源總線系統(tǒng) 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。能源總線系統(tǒng)指的是將冷卻水集中伴隨著我國快速的城市化進程，區(qū)域級開發(fā)項供給各建筑物內(nèi)的制冷機或熱泵,簡單地說，就是目層出不窮。區(qū)域建筑能源規(guī)劃對于建筑節(jié)能與集中供給冷卻水系統(tǒng)。減碳的實現(xiàn)具有非常重要的意義。能源總線系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:1)集成利用低能源總線系統(tǒng)是一種很有前景的區(qū)域能源系統(tǒng)。品位的未利用能源,發(fā)揮規(guī)模效應(yīng);2)克服了分散該系統(tǒng)起初是為了利用天然水源而發(fā)展起來的。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系統(tǒng)是將來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(shù);3)集中用能源的熱源或熱匯水,通過作為基礎(chǔ)設(shè)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。在用戶端,能源總線系統(tǒng)來的水作★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:能源總線系統(tǒng)的煳分析與碳分析3效應(yīng);4)克服了區(qū)域供冷供熱系統(tǒng)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(jù)需要進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)分戶計量。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(tǒng)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。在可逆過程中,煙的總量是守恒的,沒有炯損失;在不可逆圖2冷卻塔能源總線系統(tǒng)示意圖過程中,有擁損失,并且,不可逆性越大,擁損失越大。炯分析是能量系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化和性能評估中的圖如圖3所示。圖1,2,3中的數(shù)字表示各個設(shè)備一個工具。通過炯分析可明確不可逆性或擁損失的進出口狀態(tài)編號。的主要來源,最小化給定過程的熵產(chǎn),可確定系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計[2。國外有許多學者將擁分析應(yīng)用于各種能源利用系統(tǒng),如地熱區(qū)域供熱系統(tǒng)[-8]、地源熱泵系統(tǒng)[-13、太陽能驅(qū)動的熱泵系統(tǒng)[4-11以及熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[8等的評價。到目前為止,未曾有能源總線系統(tǒng)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(tǒng)示意圍學第一定律和熱力學第二定律,對能源總線系統(tǒng)進行傭分析,并基于TRNSYS軟件對能源總線系統(tǒng)2能源總線 系統(tǒng)的擁分析通用模型進行動態(tài)逐時煙損失模擬。另外,也對能源總線系2.1質(zhì)量 、能量及傭平衡方程式統(tǒng)進行了動態(tài)逐時碳排量分析。對于穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程,質(zhì)量平衡通用方程式為1系統(tǒng)描述Z坑= Em(1)本文將研究地表水能源總線系統(tǒng)與冷卻塔能式中 in; 為人口質(zhì)量流率，kg/s;is為出口質(zhì)量源總線系統(tǒng),系統(tǒng)示意圖見圖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(tǒng)的凈熱量, kW;W為系統(tǒng)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(tǒng)示意圉式中Ex 為進人系統(tǒng)的煙, kW;Exo為離開系統(tǒng)線系統(tǒng)是指集中供給地表水作為單體建筑內(nèi)的冷的擁,kW;Ex為系統(tǒng)的炯損失,kW。水機組的熱匯的冷卻水集中供給系統(tǒng)。冷卻塔能當忽略系統(tǒng)的動能煙、位能棚、化學傭時,根據(jù)源總線系統(tǒng)是指冷卻塔集中設(shè)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(tǒng)。由于末端用戶負荷錯峰,所以區(qū)域內(nèi)集中表達為設(shè)置冷卻塔時,冷卻塔的容量要小于各單體建筑單獨設(shè)置冷卻塔的容量的總和。同時,在研究中,以Exn:= Ex (4)中國煤化工單體建筑單獨設(shè)置冷卻塔的系統(tǒng)形式作為能源總式中下標、質(zhì)量,相應(yīng)THCNMH G線系統(tǒng)比較的基礎(chǔ)。單體建筑單獨供冷系統(tǒng)示意項分別表示熱里煙、切州以區(qū)鞏州。1暖通空調(diào)HV&AC 2013 年第43卷第1期專業(yè)論壇將式(4)中的各項展開,擁平衡方程式可進一1 所示。步表達為表1地表水能源總線系統(tǒng)各設(shè)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)生傳熱時的熱力學溫度,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 系統(tǒng)的擁分析_We2.2.1假設(shè)條件Wa =(9)1)所有過程為穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程，忽略宏觀動能式(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(tǒng)向外傳熱外界向系統(tǒng)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 系統(tǒng)的擁平衡方程式率,kW ;Wa為二次冷卻水泵的輸人功率,kW。地表水能源總線系統(tǒng)中各設(shè)備的擁損失如表地表水能源總線系統(tǒng)總的炯損失為Ex:= mn(ψh-4n) +iss- mingyo + W. + Wa + Wwce(10)系統(tǒng)炯效率ηπ為系統(tǒng)的收益炯與代價炯之系統(tǒng)擁效率為比,該系統(tǒng)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 能源總線系統(tǒng)的炯分析(14)冷卻塔能源總線系統(tǒng)的炯分析基于的假設(shè)條2.4單體建筑供冷 系統(tǒng)的炯分析件同地表水能源總線系統(tǒng),不再贅述。冷卻塔能源該單體建筑內(nèi)供冷系統(tǒng)的冷卻水與冷水系統(tǒng)總線系統(tǒng)中各設(shè)備的炯損失如表2所示。為定流量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的熱力分析邊界僅至制冷表2_冷卻塔能源總線系統(tǒng)各設(shè)備的擁損失機冷水側(cè)。建筑內(nèi)部冷水泵以及建筑內(nèi)部系統(tǒng)在擁損失響(ψ - x) +m3(4p -ψ) + Wp此不涉及。單體建筑供冷系統(tǒng)與所比較的能源總冷卻塔mno(ho -咖) +ni(駟-此) + Wes + rm1z42線系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)各設(shè)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 為冷卻塔風機效率, %。冷卻塔能源總線系統(tǒng)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項大力16暖通空調(diào)HV&AC 2013 年第43卷第1期專業(yè)論壇4.3冷卻塔 能源總線供冷系統(tǒng)TRNSYS建模5.2碳分析冷卻塔基于區(qū)域逐時冷負荷峰值來選型;二次從圖8可看出,按照系統(tǒng)碳排放量排序,由高冷卻水泵流量基于區(qū)域逐時冷負荷峰值,結(jié)合5 C會0.30r0.254的冷卻水供回水溫差來計算;二次冷卻水泵臺數(shù)為3 0.25-0.2158臺。一次冷卻水泵流量、臺數(shù)與制冷機流量、臺出0.151數(shù)相對應(yīng)。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)路長度取為100 m,二次冷卻水泵環(huán)系統(tǒng)形式路長度取為60 m。模擬假設(shè)條件同天然水源能源圉8能源總線系統(tǒng)與單體供冷系統(tǒng)碳排放量總線供冷系統(tǒng)。模型如圖6所示。到低依次為3個單體供冷系統(tǒng)(TSB)、冷卻塔能源冷卻水泵總線系統(tǒng)(CTEBS)、天然水源能源總線系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù).●●(NWEBS)。同單體建筑供冷系統(tǒng)相比，冷卻塔能分水器源總線系統(tǒng)的碳排放量降低了15. 35% ,天然水源白能源總線系統(tǒng)碳排放量降低了25. 59% ;天然水源能源總線系統(tǒng)碳排放量比冷卻塔能源總線系統(tǒng)降低了12. 09%。B1負荷導入6結(jié)論●運行時刻表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、冷卻塔能源總線系統(tǒng)、天然水源能源B2負荷導入。.’運行時刻表3總線系統(tǒng),其值依次為0. 304,0. 266,0. 185 kW●B8- -次冷卻水泵h/(kW●h)。從炯損失角度來看,冷卻塔能源總線系統(tǒng)及天然水源能源總線系統(tǒng)優(yōu)于單體建筑單獨團6冷卻塔能源總線系統(tǒng)模型供冷的系統(tǒng)形式,且天然水源能源總線系統(tǒng)優(yōu)于冷5模擬結(jié)果分析卻塔能源總線系統(tǒng)。5.1.炯損失 .按碳排放量排序,單體建筑供冷系統(tǒng)碳排放量從圖7可看出,按照系統(tǒng)擁損失排序,由高到低最大,其次為冷卻塔能源總線系統(tǒng),最小的是天然依次為3個單體供冷系統(tǒng)(TSB)冷卻塔能源總線水源能源總線系統(tǒng)形式，其值依次為0. 254,系統(tǒng)(CTEBS)以及天然水源能源總線系統(tǒng)0.215,0. 189 kg/(kW●h)。采用碳排放量指標評(NWEBS)。同3個單體供冷系統(tǒng)相比,冷卻塔能源價,同單體建筑供冷系統(tǒng)相比,冷卻水能源總線系總線系統(tǒng)的炯損失降低了12. 50% ,天然水源能源總統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。線系統(tǒng)的炯損失降低了39. 14% ;天然水源能源總線炯損失高,意味著擁效率低。綜合碳排放量與系統(tǒng)擁損失比冷卻塔能源總線系統(tǒng)降低了30. 45%。擁效率可見,3種系統(tǒng)形式中天然水源能源總線系統(tǒng)最優(yōu),冷卻塔能源總線系統(tǒng)居中,單體建筑供冷會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(tǒng)[J].暖通K0.15-空調(diào),2009,39(8):79- 84,1270.10-0.0[2] Bejan A. 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