能源总线系统的(火用)分析与碳分析

暖通空调HV&AC 2013 年第43卷第1期D专业能源总线系统的炯分析与碳分析同济大学中国建筑科学研究院 上海分院樊瑛*同济大学龙惟定摘要建立了天然水源能源总线系统、冷却塔能源总线系统以及单体建筑供冷系统的烟分析与碳分析通用模型,并以上海某商业中心为例,基于TRNSYS软件,对系统进行了动态逐时爛分析与碳分析。结果表明,按单位冷量的炯损失排序,由高到低依次为单体建筑供冷、冷却塔能源总线系统、天然水源能源总线系统，其值依次为0. 304,0.266,0. 185;按单位冷量的碳排放量排序,单体建筑供冷系统碳排放量最大,其次为冷却塔能源总线系统,最小的是天然水源能.源总线系统形式,其值依次为0. 254,0. 215,0.189 kg/(kW●h)。同单体建筑供冷相比，能源总线系统在拥效率与碳排放量方面均具有明显的优势。关键词能源总线系统 爛分析碳分析冷却塔 水源 热泵.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。能源总线系统指的是将冷却水集中伴随着我国快速的城市化进程，区域级开发项供给各建筑物内的制冷机或热泵,简单地说，就是目层出不穷。区域建筑能源规划对于建筑节能与集中供给冷却水系统。减碳的实现具有非常重要的意义。能源总线系统具有以下优点:1)集成利用低能源总线系统是一种很有前景的区域能源系统。品位的未利用能源,发挥规模效应;2)克服了分散该系统起初是为了利用天然水源而发展起来的。的末端空气源热泵机组的许多缺陷,为末端机组提能源总线系统是将来自于可再生能源或未利供优质的热源与热汇，提高机组性能系数;3)集中用能源的热源或热汇水,通过作为基础设施的管网排热方式，可有效缓解城市局部热排放造成的热岛输送到各用户。在用户端,能源总线系统来的水作★樊瑛,女,1977年1 月生,博士,讲师为水源热泵的热源或热汇或者水冷制冷机组的热200032(021) 539中国煤化工汇,经换热后回到源头、或排放(地表水)、或循环再E-mail,mr次换热(通过换热器与各种源和汇耦合)、或回灌.收稿日期:2012MHCNMH G2013(1)樊瑛,等:能源总线系统的煳分析与碳分析3效应;4)克服了区域供冷供热系统温差与流量之间的矛盾,对管网保温隔热的要求也大大降低;5)末端机组可以根据需要进行调节,实现分户计量。炯是一种能量,具有能的量纲和属性。拥是能量506中“量”与“质”相统一的部分。 佣反映了能量中的质，质也就是能量中真正有用的部分。在相同的参考环境下,相同形式和总量的能量其拥值往往不同。在可逆过程中,烟的总量是守恒的,没有炯损失;在不可逆图2冷却塔能源总线系统示意图过程中,有拥损失,并且,不可逆性越大,拥损失越大。炯分析是能量系统设计、优化和性能评估中的图如图3所示。图1,2,3中的数字表示各个设备一个工具。通过炯分析可明确不可逆性或拥损失的进出口状态编号。的主要来源,最小化给定过程的熵产,可确定系统中能量损失的大小、位置以及产生的原因,有助于改善与优化系统设计[2。国外有许多学者将拥分析应用于各种能源利用系统,如地热区域供热系统[-8]、地源热泵系统[-13、太阳能驱动的热泵系统[4-11以及热电联产系统[8等的评价。到目前为止,未曾有能源总线系统的炯分析方面的研究文献。本文将基于热力圄3单体建筑供冷系统示意围学第一定律和热力学第二定律,对能源总线系统进行佣分析,并基于TRNSYS软件对能源总线系统2能源总线 系统的拥分析通用模型进行动态逐时烟损失模拟。另外,也对能源总线系2.1质量 、能量及佣平衡方程式统进行了动态逐时碳排量分析。对于稳态稳流过程,质量平衡通用方程式为1系统描述Z坑= Em(1)本文将研究地表水能源总线系统与冷却塔能式中 in; 为人口质量流率，kg/s;is为出口质量源总线系统,系统示意图见图1,2.地表水能源总流率,kg/s;下标i表示流人,o表示流出。二次冷却水秉能量平衡通用方程式为Q+ 2ih;= W+ Eiho .式中Q为传人系统的净热量, kW;W为系统对外所作的功,kW ;h为比焓,kJ/kg.炯平衡方程式为自Ex;- Ex。= Ex(3)圈1地表水能源总绒系统示意圉式中Ex 为进人系统的烟, kW;Exo为离开系统线系统是指集中供给地表水作为单体建筑内的冷的拥,kW;Ex为系统的炯损失,kW。水机组的热汇的冷却水集中供给系统。冷却塔能当忽略系统的动能烟、位能棚、化学佣时,根据源总线系统是指冷却塔集中设置的冷却水集中供物质流、功量与热量的相互作用,佣平衡方程式可给系统。由于末端用户负荷错峰,所以区域内集中表达为设置冷却塔时,冷却塔的容量要小于各单体建筑单独设置冷却塔的容量的总和。同时,在研究中,以Exn:= Ex (4)中国煤化工单体建筑单独设置冷却塔的系统形式作为能源总式中下标、质量,相应THCNMH G线系统比较的基础。单体建筑单独供冷系统示意项分别表示热里烟、切州以区巩州。1暖通空调HV&AC 2013 年第43卷第1期专业论坛将式(4)中的各项展开,拥平衡方程式可进一1 所示。步表达为表1地表水能源总线系统各设备的爛损失烟损失.习(1-号)Q-W+ Ei4- Zimob= Ex .制冷机m(ψn -4) +m(p- ψ)+Wp一次冷却水泵m(4n -w)+We(5)二次冷却水泵is(屿一归) +Ww式中第一项为热量拥，T。为基准温度,K,T;为分水器发生传热时的热力学温度,K;第三项和第四项为集水暑表1中流炯,kW ;ψ为比佣,kJ/kg.在此，比拥可表示为ψ= (h-ho)- To(s-so)(6)w。=w。(7)式中s 为工质的比熵,kJ/(kg. K);so为基准比熵,kJ/(kg. K)。w= Wa(8)2.2地表水能源总线 系统的拥分析_We2.2.1假设条件Wa =(9)1)所有过程为稳态稳流过程，忽略宏观动能式(7)~(9)中加n 为压缩机的机械效率,%;n为与位能的变化;压缩机的指示效率, %;y为一次冷却水泵效2)系统向外传热外界向系统做功为正;率, %;nz为二次冷却水泵效率, %;W。为压缩机3)忽略管路的传热损失;4)认为水与空气的比热容保持恒定。的输人功率，kW;Wa为一次冷却水泵的输人功2.2.2地表水能源总线 系统的拥平衡方程式率,kW ;Wa为二次冷却水泵的输人功率,kW。地表水能源总线系统中各设备的拥损失如表地表水能源总线系统总的炯损失为Ex:= mn(ψh-4n) +iss- mingyo + W. + Wa + Wwce(10)系统炯效率ηπ为系统的收益炯与代价炯之系统拥效率为比,该系统的拥效率表达式为7u =m(如-出)(11)抗(业一出)misys - rghsg +W. +Wea + wceW。+Ws+ Wa + Wae + mo(40 - y4) + imnz4hz2.3冷却塔 能源总线系统的炯分析(14)冷却塔能源总线系统的炯分析基于的假设条2.4单体建筑供冷 系统的炯分析件同地表水能源总线系统,不再赘述。冷却塔能源该单体建筑内供冷系统的冷却水与冷水系统总线系统中各设备的炯损失如表2所示。为定流量系统。该系统的热力分析边界仅至制冷表2_冷却塔能源总线系统各设备的拥损失机冷水侧。建筑内部冷水泵以及建筑内部系统在拥损失响(ψ - x) +m3(4p -ψ) + Wp此不涉及。单体建筑供冷系统与所比较的能源总冷却塔mno(ho -咖) +ni(驷-此) + Wes + rm1z42线系统应具有相同的热力边界。单体建筑供冷系-次冷却水泵亦(咖一灯)+ Wel统拥平衡方程式如表3所示。亦(帖-畅) + Wa表3_单体建筑供冷系统各设备的煳损失，集水器m咖二my二ng咖炯损失表2中响(4n -x) +m(lp -山n) +Wpm(4n-此) +m(山-4)+ n物+ Wsw。=_W(12)冷却水泵mhs(收一4)+We表3中式中η 为冷却塔风机效率, %。冷却塔能源总线系统总的炯损失为w_W(15)中国煤化工Ex, = m:(ψ4-ψn) +wp+Wa+ ww1+(13)式中n为MHCNM HGWea + riro(yoro一h) + rmnzhrz单体建筑大民不九心时项大力16暖通空调HV&AC 2013 年第43卷第1期专业论坛4.3冷却塔 能源总线供冷系统TRNSYS建模5.2碳分析冷却塔基于区域逐时冷负荷峰值来选型;二次从图8可看出,按照系统碳排放量排序,由高冷却水泵流量基于区域逐时冷负荷峰值,结合5 C会0.30r0.254的冷却水供回水温差来计算;二次冷却水泵台数为3 0.25-0.2158台。一次冷却水泵流量、台数与制冷机流量、台出0.151数相对应。0.10制冷机、冷却塔与- .次冷却水泵联锁运行,采州0.05-用负荷控制;二次冷却水泵采用冷却水流量控制。TSBCFOLCTCPN一次冷却水环路长度取为100 m,二次冷却水泵环系统形式路长度取为60 m。模拟假设条件同天然水源能源圉8能源总线系统与单体供冷系统碳排放量总线供冷系统。模型如图6所示。到低依次为3个单体供冷系统(TSB)、冷却塔能源冷却水泵总线系统(CTEBS)、天然水源能源总线系统气象数据.●●(NWEBS)。同单体建筑供冷系统相比，冷却塔能分水器源总线系统的碳排放量降低了15. 35% ,天然水源白能源总线系统碳排放量降低了25. 59% ;天然水源能源总线系统碳排放量比冷却塔能源总线系统降低了12. 09%。B1负荷导入6结论●运行时刻表2按单位冷量的烟损失排序,由高到低依次为单B2一次冷却水泵体建筑供冷、冷却塔能源总线系统、天然水源能源B2负荷导入。.’运行时刻表3总线系统,其值依次为0. 304,0. 266,0. 185 kW●B8- -次冷却水泵h/(kW●h)。从炯损失角度来看,冷却塔能源总线系统及天然水源能源总线系统优于单体建筑单独團6冷却塔能源总线系统模型供冷的系统形式,且天然水源能源总线系统优于冷5模拟结果分析却塔能源总线系统。5.1.炯损失 .按碳排放量排序,单体建筑供冷系统碳排放量从图7可看出,按照系统拥损失排序,由高到低最大,其次为冷却塔能源总线系统,最小的是天然依次为3个单体供冷系统(TSB)冷却塔能源总线水源能源总线系统形式，其值依次为0. 254,系统(CTEBS)以及天然水源能源总线系统0.215,0. 189 kg/(kW●h)。采用碳排放量指标评(NWEBS)。同3个单体供冷系统相比,冷却塔能源价,同单体建筑供冷系统相比,冷却水能源总线系总线系统的炯损失降低了12. 50% ,天然水源能源总统具有明显的优势。线系统的炯损失降低了39. 14% ;天然水源能源总线炯损失高,意味着拥效率低。综合碳排放量与系统拥损失比冷却塔能源总线系统降低了30. 45%。拥效率可见,3种系统形式中天然水源能源总线系统最优,冷却塔能源总线系统居中,单体建筑供冷会0.3最差。号0.30-:0.25-参考文献:3a.200.185[1]龙惟定,白玮 ,梁浩.低碳城市的能源系统[J].暖通K0.15-空调,2009,39(8):79- 84,1270.10-0.0[2] Bejan A. 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