建筑中的一个结合螺杆式冷水机组与地源热泵的混合制冷系统的性能评测和建模.docx
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建筑中的一个结合螺杆式冷水机组与地源热泵的混合制冷系统的性能评测和建模
建筑中的一个结合螺杆式冷水机组与地源
热泵的混合制冷系统的性能评测和建模
JongugJeon,SunilLee,DaehieHong,YongchanKim*
摘要:
基于各种制冷负荷的测量和分析的出了一个结合螺杆式冷水机组与地源
热泵的混合制冷系统的性能。
此外,在建筑中的混合制冷系统熟练使用EnergyPlus来建模并用测量数据来验证。
监控建筑中的地源热泵的性能系数比传统的冷却装置小得多,但混合制冷系统在高负荷条件下稳定提供制冷能力。
在该建筑的预计冷负荷下,平均偏移误差和标准的root-mean的平方误差分别为_8%和12.4%。
混合制冷系统模拟改变这四种参数:
操作计划、水冷温度(TCW)、干球温度(TDB)和进水温度(TEW)。
确定的水冷温度是混合制冷系统中最易有效控制的参数。
关键词:
地源热泵(GSHP),螺杆式冷水机组,暖通空调系统,建模
一、引言
一般来说,冷水机按序操作来满足建筑的制冷负荷。
在商业以及住宅建筑种,地源热泵(GSHP)越来越多地被用于加热和冷却。
结合制冷和地源热泵的混合冷却系统,可以应用于提高建筑物的系统性能。
冷水机组的性能受散热介质,压缩机效率,负荷的影响。
然而,对于一个混合冷却系统,为了最佳的操作系统,必须考虑一些额外的工作参数(例如地源热量环境和散热效率)。
测评一个混合冷却系统如何在各种负荷下,通过优化作业的方式来提高性能是十分值得的。
此外,在建筑中,它是通过利用模拟程序的方式,能实现的最佳节能战略。
符号说明
COP性能系数
Cp恒压情况下的比热容,kJkg_1K_1
Cv(RMSE)root-mean方误差的变异误差,%
EIR能量输入率(COP的倒转)
GSHP地源热泵
GHE地换热器
M质量流率,kgs-1
MBE平均偏移误差,%
Q制冷能力,kw
SWC螺旋式水冷机组
T温度,℃
V容积流率,m3s-1
W能量功率,kw
希腊符号
α,β,γ公式(8)~(10)的系数
ε,φ公式(11)~(12)的系数
ΦSWC的冷却能力的校正因子
ΛSWC的开关循环比
ΠSWC的EIR的校正因子
Ψ部分符合状态下的SWC的校正因子
脚注
AHU空气处理单元
avail可调整机组容量
c冷却方式
cap能力
CW冷水
cool冷负荷
DB干球式
EW进水
in入口
L负荷侧
out出口
ref参比条件
S源头
在地源热泵系统中,已经进行了各种试验和分析研究。
Hepbasli进行了地源热泵系统的热力学分析,该分析的目的是提高能源利用效率。
Ozgener和Hepbasli评估了两个混合冷却系统的性能和他们的基本系统部件(例如压缩机,冷凝器,蒸发器,膨胀阀和泵)。
张等人用数据调查了在大型地源热泵系统中地暖的恢复特性。
sankaranarayanan模拟了一个使用了辅助散热装置和接地电路的混合式地源热泵系统。
SalsburyandDiamond使用了一个模拟模型验证了一个加热,通风,空掉系统的性能。
Songetal.[6]运用ESP-r程序模拟了一个多室的模型中室内空气的流动和污染物浓度。
Zhouetal.[7,8]为了比较多联机系统和2个常规空调系统的能源消耗,模拟了一个制冷剂流(多联机系统)。
他们的报告称多联式系统在部分负荷条件下,具有能大的节能潜力。
YuandChan指出根据不同的负荷条件和室外温度,循环冷却机组的效率能提高40%以上。
YuandChan还用trnsys程序研究了负荷两个冷水机组合系统的最佳策略。
Ohetal.[14]采用混合整数规划的方式研究了了一个带有发电装置的混合系统的最佳运行方式。
迄今为止,已经有很多研究人员试图建立一个与多台冷水机组结合的系统模型。
然和,在如今的文献中,关于这种结合传统地源热泵机组的混合制冷装置的建模与性能评估资料十分有限。
这个研究运用ENERGYPLES技术,在部分负荷条件下模拟了一个结合了螺旋杆冷水机组合与地源热泵的混合式冷却装置。
另外,这个混合式冷却装置在韩国济州岛的一个建筑物中得到了测试,并且与预测模型进行了比较。
此外,运用目前的模拟模型的数据参数,分析了该混合制冷装置的性能特点。
二、实验装置和数据采集
从2007年7月至2007年10月,在一个总面积484平方米的建筑物内,记录了该混合制冷系统的测试数据。
Fig1是这种混合自冷装置的示意图。
在建筑物内,该混合制冷装置是这样的:
一个螺杆式水机组结合了一个地源热泵,两个制冷睡相连接着一个单独的水塔。
一个空气处理单元供应着整个建筑的冷气。
螺杆式水机组和地源热泵的额定制冷量分别为105kW(358,200Btu/h)和34kW(115,920Btu/h)。
表1是该实验中螺杆式水机组和地源热泵的规格。
地源热泵的热交换器垂直于地面,由4个钻孔,一个直径3.175cm深度150m的管道,一个单U型管结构,每个间隔4米的环路组成。
间隔30秒,以下参数就被监控一次,平均半小时用误差为0.5%的电力表显示读数:
GSHP和SWC的热量消耗,两处设施冷却水的供应和水温,地源热泵出口和入口处的冷却水水温,每个工作流体的流量,冷却机组和地源热泵的能量消耗。
冷却水的流量被一个误差为0.5%的涡轮流量计监测着。
一个误差为0.1%的T-type(copper-constantan)热电偶监测着该流体进出口水的水温。
如公式1所示:
该建筑的冷却负荷由空调机组的监测变量决定。
根据公式2,螺杆式水机组的冷却能力可以根据流量率,螺杆式水机组上升温度,冷却水的比热来预测。
根据公式3,螺杆式水机组的性能系数可以被预测:
它的定义是:
冷却机组的冷却能力与总功率的比。
如公式4和5所示,一个类似的数据类似的数据压缩程序可以运用与地源热泵。
螺杆式水机组的容量和性能测试误差分别为3.26%和3.3%。
图1建筑物内的空调系统的原理图
表1螺旋式冷水机组和地源热泵的各种规格表2系统性能方程式的系数
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
3、模式的发展和验证
3.1建立热量增益模型和暖通空调系统
该建筑物的热能源消耗是基于以下假设:
(1)建筑有四个热区;
(2)空气处理系统由一个采用变风量(VAV)的导管和加热线圈组成
(3)渗透物被认为是与排气扇相关的;
(4)强制通风率固定在空气处理单元总流动率的20%。
照明、电插头,用汽设备插头负载,建筑物荷载Wm2分别调整到5.2,19.7Wm2,and16.5Wm2。
图2模拟混合冷却系统的原理图
图3测量的冷负荷和预测数据的比较
图2是一个建模的混合冷却系统的示意图。
系统由仿制的4种流循环组成。
建筑的冷却水箱由两个热混合罐组成,连接环的热特性#1、#2。
为了螺旋式水冷机组和地源热泵的混合操作,建筑的冷却负荷应该用混合水箱合理分布#1、#2。
冷负荷的分布可以通过调节冷却水在每个循环的流量率或是每个混合水箱的传热效果的合理分布来达到。
在这项研究中,混合水箱#1、#2,回路#3中的传热效率分别被设定为0.96和0.85,允许合理分配复合冷负荷运行。
大楼的散热可以通过螺杆式水机组或是混合冷却操作来实现。
螺杆式水机组是主要系统,地源热泵是次要系统。
当螺杆式水机组不能覆盖整个建筑的冷却回路时,混合冷却系统开始发挥作用。
操作计划和模拟的实测数据是匹配的。
表3目前的模型与EnergyPlus模型的比较
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
3.2螺旋式水冷机组,地源热泵,地换热器的建模
螺旋式水机组的建模采用usersupplied性能数据。
螺旋式水机组的能源消耗和冷却性能分别使用公式(6)和(7)来计算。
在上面,Λ代表SWC的开关循环比。
Φ代表SWC的EIR的校正因子。
Ψ代表部分符合状态下的SWC的校正因。
water-to-water热泵使用了由唐【16】提出的曲线拟合买模型。
因为唐[16]突出的曲线拟合模型比Jin[17]and和Jin,Spitler[18]突出的参数估计模式更能取得很好的预计。
在ater-to-water热泵的冷去模式中,热泵的性能和能量消耗分别可以被公式(11)和(12)来评价。
参考温度、Tref,被固定在283K。
公式(8)-(12)根据本研究中的测定数据用多元回归分析的方式来分析。
表格2是公式(8)-(12)的系数。
Murugappan[19]为了测试GHE的反应提出了G-函数。
在这个研究中,G-函数使用GLHEPRO4.0来评估(根据专控设计条件)。
热回收率对于地源热本的性能来说是很重要的。
根据现有的数据地源热与玄武岩热回收的速率是相同的,
3.3模型验证
两个统计指标体系,平均偏置误差((MBE)和变异系数均方误差(Cv(RMSE),是指导方针M&V3.0为验证该模型提出的。
M&V3.0指南idelines较冷负荷进行预测期间的监控,即8月16-29,2007年。
本模型的预言是产生符合测量与英帝国勋章和冷负荷履历(RMSE)分别为8%和12.4%。
M&V指南3.0[21]建议MBE和Cv(RMSE),每小时负荷分别为10%和30%。
此外,被正确预测区温度保持在25.8摄氏度范围为23.5^温度设定为25摄氏度,显示出良好的模拟建筑物的冷负荷。
目前的表现的预测和地源热泵与含水量的使用能源消耗预测模型。
能源消耗提供的性能曲线和一个地源热泵机组为160。
在这项研究中,一个纽约公司生产的含水量(称为“纽约YS”)被选定为参考,因为它表明这样的表现相比而言,目前的含水量。
见表3、能源消耗预测模型产生的
他们必须符合esured功率消耗和机组的含水量与MBEs分别为4.71%和4.68%。
然而,能源消耗模型预测TCW显著的预测和COP在含水量的地源热泵反对当前的数据。
本模型的预测,取得了令人满意的性能和地源热泵相比含水量目前资料在各种各样的载入条件下。
图4冷水温度下螺旋式冷水机组的冷负荷和COP的变化
图5干球温度下螺旋式冷水机组的冷负荷和COP的变化
图6冷负荷状况下混合水冷系统的COP的变化
图7冷负荷状况下冷水流动率的变化
4、结果和讨论
4.1实验结果
当输入能量和输出TCW保持常量时,输入的TCW能够直接影响SWC的COP。
图4显示出在楼宇内的SWC在上午时间段内的变化。
SWC的COP和制冷载荷随着TCW的上升而上升。
但是,随着TCW上升到9.3℃以上,SWC的COP因为SWC的制冷载荷的降低而快速下降。
所以,当TCW超过9.3℃时,有必要使用复合制冷系统(SWC+GSHP)来调节制冷量。
图5显示出COP变化量随着SWC的功率损耗和TDB变化的趋势。
在整个TDB中,功率损耗大约维持在25kW左右。
SWC的COP随着TDB的增加而增加,但是当TDB超过29℃时开始下降,因为在GSHP开始调节制冷量时两者的共同作用的结果。
TDB达到29℃反映了TCW的9.3℃的极限值。
超过这一上限之后,SWC的COP下降,因为SWC的部分载荷的作用。
除此以外,制冷载荷随着TDB做线性变化。
图6显示出了混合制冷系统的COP和制冷负载之间的变化关系。
在图中,主要有两组关于SWC的COP的数据,彼此显示出相互平行的趋势——体现在相同的制冷载荷的增加速度。
上部的曲线显示出采集到的常见的SWC的工作数据,而下部曲线显示出GSHP和SWC混合制冷系统中SWC的工作数据。
对于混合制冷方式,相同的制冷载荷下,因为部分载荷在混合制冷方式中的作用效果的不同,SWC的COP明显小于常见的SWC方式。
但是,GSHP的COP并不随制冷载荷的增加而增加。
GHE附近的底层温度对GSHP的COP有很大的影响。
因为GSHP间歇地工作,所以有一定的时间来克服底层温度因为接收不到GHE而造成温度下降的问题。
因为工作时间安排的不同,图中有两条GSHP的COP的水平线。
下部的线表示在GSHP停歇段前的COP变化情况,而上部曲线则表示停歇段后的COP变化情况。
对于带有GSHP的混合制冷系统,停歇段时的底层热量,在GHE附近的恢复,应该被充分考虑。
图7表示了流过冷却圈的水的流量。
随着制冷载荷的增加,水的流速也在增加。
在本研究中,在循环系统中使用的四号泵为常流量泵。
因此,穿过四号泵的水的总流速因为冷却圈上水的压强的降低而降低。
对于每个制冷载荷的峰值,因为使用了常流量泵而产生了制冷量和制冷载荷的不吻合。
为了实现对制冷量的精确控制,有必要使用变流量泵。
本文利用四种控制参数模拟了混合制冷系统:
操作表、TCW、TDB、TEW。
表4每种情况下地源热泵的模拟条件表5每种情况下该混合系统的能量功耗和接通时间率
图8操作逻辑下混合水冷系统的COP率的变化和最大冷却水温度
4.2混合制冷系统的仿真结果
图4显示出每个案例中的GSHP的工作情况。
案例1的控制基于对GSHP的操作表。
对于案例1的步骤1,GSHP打开2小时,然后关闭1小时。
案例2到4则基于根据TCW/TDB/TEW的温度极值进行控制。
对于案例2的步骤2,GSHP在SWC的TCW达到9℃时打开,在TCW低于8℃时关闭。
图8显示出了COP的比率以及混合制冷系统的最大TCW。
本文中,为了能够达到楼宇内的舒适温度,TCW的小时平均数最大值被设定为9.5℃。
COP比率被定义为混合制冷系统的期望COP和参考值之间的比率。
COP通过总制冷量和混合制冷系统的能量损耗的比值进行估计。
在案例1的所有步骤中,COP比率近似为1左右的常数,而TCW的最大值小于9.5℃的极值。
在案例2的步骤3中,COP比率大约在1.15,所有案例均符合TCW最大值的舒适性要求。
因此,为了满足TCW的约束,TDB的工作极限值应该被降低,这就可以使混合制冷系统的COP比率降低。
在案例4中,对于所有步骤,混合制冷系统的TCW都高于TCW的9.5℃的极限值。
在所有案例中,TEW应该升高以满足TCW的极限值,这样就可以降低混合制冷系统的COP比率。
因此,案例2可以视为混合制冷系统最佳的优化控制方案。
表5表示每个案例的仿真中的功率消耗和混合制冷系统的实时比率。
实时比率表示GSHP参与工作的时间占GSHP和SWC混合制冷系统工作总时间的比例。
从2007年7月15日到当年的8月31日,总的运行时间是1152小时。
案例4的步骤1和案例3的步骤4显示出分别消耗了35982千瓦时和36467千瓦时的电力。
但是这些案例不能被选择为最优控制方法,因为TCW的最大值大于9.5℃的极限值。
案例2的步骤3可以被视为最优控制方案,因为较少的能量消耗,以及可接受的最大TCW。
在GSHP系统开关的过程中,可能会出现循环损失。
案例2的步骤2因为实时性较差,导致循环损失大,故为最差控制方案。
案例2步骤3比之大楼内的测量数据,能够减小13%的能量消耗。
对于楼宇内的能量消耗量,温度舒适性以及循环损失,TCW是最有效的控制参数。
在案例1中,即使其实时比率和步骤1、3、4相同,因为在休眠状态中地面热量的恢复,GSHP的能量消耗依然不同于其他步骤。
休眠状态的地面热量恢复不仅要考虑实时比率,也要考虑合适的时间间隔。
5、结论
在这项研究中,结合一个螺杆式冷水机组与一个地源热泵的混合冷却系统的性能是在不同冷却负荷下进行测量和分析得出的。
地源热泵COP的低于在监测的建筑里的一个常规水冷机组,但混合冷却系统有助于稳定提供高负荷的情况下所需的冷却能力。
对于混合式的冷却系统,地下情况下热回收的恢复时间应认真考虑来维护设计系统的性能。
休息期间后,地源热泵机组的系统效率提高了17%。
此外,修改的EnergyPlus老练的模拟了该建筑。
基于现有的数据库修改了螺旋水冷机组和地源热泵的性能模型。
G函数值为打倒,继而将其用于生成能源消耗。
建筑物内的MBE和Cv(RMSE)冷负荷的预测荷载分别为8%和12.4%。
基于目前模型,混合冷却系统性能进行模拟,通过计算得到不同操作参数如操作时间表,TCW,经验丰富,图。
确定了TCW作为复合冷却系统的最有效的控制参数。
适当的控制TCW,建筑可以降低13%能耗,保持舒适温度。
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