地表水热泵系统对环境的影响_翻译.docx

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1、地表水热泵系统对环境的影响摘要本调查是针对地表水热泵(SWHP)系统对环境的影响。地表水热泵系统是一个把能量存贮在水中用来给建筑物供热和制冷的高效能源系统。关于SWHP系统和传统的居住空间的空调系统对大环境和局部环境影响的不同进行了探讨。地表水热泵系统和常规的系统相比的结果是能源的明显的节约。导致当地发电厂排放物排放量减少例如二氧化碳，二氧化硫，氮氧化物和汞(Hg)oSWHP系统对当地环境的影响，包括潜在的水温和水位变化和额定制冷量的降低都优于常规系统。这降低了臭氧层消耗和全球性制冷剂泄漏的风险，SWHP系统无毒防冻液的使用对环境和健康的风险也进行了研究。简介空调和供暖系统约占美国住宅建筑能耗

2、的46%o空调也是单一的电力需求高峰的主要原因。减少空调系统的能源使用可以降低年发电量以及峰值容量的需求。减少空间空调系统的能源使用有显著的环境和社会利益。降低能源消耗可以转化为发电厂排放物的减少和电力生产量的减少导致整体空气较清洁。对不可再生资源的依赖，如化石燃料，也将减少对能源的需求的下降。提高空调和供热系统的能源效率，以及开发新的技术，是减少空间空调系统对能源需求的要点。地表水热泵系统是一个具有高效能源利用技术的空间空调系统。地表水热泵系统系统使用存储在大型机构水中的能量，如湖泊和海湾储存的能量，来给附近的建筑物供热和制冷。目前有两种地表水热泵系统，闭式循环系统和开式系统。封闭式循环系统

3、由淹没在水中的管道线圈组成和水空气或者水水热泵有关联。管道线圈通常是由一个较大的头管把一系列松散的，高密度聚乙烯线圈连接起来。热量被交换通常发生在循环水或者水和冷冻剂的混合物通过淹没的管道线圈的过程中。目前使用的一个闭式循环系统的例子是在大江医学中心的西伯灵顿，爱荷华州。该医疗中心从37000平方米扩大到65000。第一年的能源数据显示，该医院综合能耗和以前的37000平方米相比降低了近30%o一个典型的开放式系统的构造，水被泵从水体底部抽出通过热交换器后回到湖中。为了防止对热泵的损害，水不是直接和水空气热泵进行热交换。相反热交换器和建筑内的水空气热泵相连。依附于从湖中得来水的管道末端的屏障将

4、最大限度的减少热交换器的堵塞风险。另外的步骤可以被运用以减少对湖底环境的打断。包括利用灯光阻止一些生物例如鱼和小型生物临近屏障。热泵系统在开放式制热模式下运行时入水必须高于6,以防止液体到制冷剂的盘管结霜。水离开线圈通常为3到6低于进入温度。线圈表面温度必须更低目的是吸收热量,因为在制热时线圈是蒸发器。康奈尔大学目前使用一个开放的系统为它的校园和附近的高中制冷，减少校园近80%的能源使用。开放系统的另外一个应用是深湖水冷却多伦多工程，它用安大略湖的水为多伦多市中心的办公建筑提供空调工程。市中心的建筑物的空气调节系统的能源使用预计可减少高达90%。当入水温度低于10地表水热泵系统可以直接用来制冷

5、.当水温在I(TC和16C之间时，一些直接冷却是可能通过热泵的补充冷却实现的。图1是一个典型的水与空气热泵原理用在地表水热泵系统的一个可选的直接/预冷线圈。当潜在负荷是照明时，水盘管是冷却的第一步。压缩机启动了第二阶段的恒湿冷却。和热泵单独工作时徽不足道的输入功率相比，这种经营模式扩展了系统30%至70%的容量。Figure1Vertica1water-to-airheatpumpwithwaterprecoo1ingcoi1(KavanaughandRaffertv1997).能源和排放物分析增加地表水热泵系统的使用会对环境和能源产生显著的效益。地表水热泵系统比传统空调系统更高效的能源利用，

6、因此具有比常规系统更低的能源需求。对环境的好处包括能源用量少的地表水热泵系统的运用导致电厂的排放量的减少。发展前景这个研究分析是关于闭式循环热泵系统在住宅中的安装使用和在阿拉巴马州中部地区，塔斯卡卢萨湖周围住宅应用的常规的系统相比导致能源的用量和电厂的排放量减少。由于湖的深度和温度的变化，对地表水热泵系统在深水和浅水进行了分析。图2是从2003年8月到2004年8月塔斯卡卢萨湖的温度简介，这是在湖边完成指定期限一年的热温度曲线的调查结果。假设湖畔房间每平方尺的热负荷和冷负荷，一个二层的280平米的房子按这个分析来选择的话负荷总共是17KW0表格一是房子冷热负荷的简表。由于日射得热的影响，房子白

7、天比晚上需要较高的冷负荷和较低的热负荷。结果证明，典型的温暖的地区居住大约需要190zn2kWo1akeTusca1oosa110正在研究的是两种居住空间的空调系统，一个是传统的住宅供暖和制冷系统，另一个是闭式循环地表水热泵系统。常规的系统是电动空气源热泵系统。用正在研究的是两种居住空间的空调系统，一个是传统的住宅供暖和制冷系统，另一个是闭式循环地表水热泵系统。常规的系统是电动空气源热泵系统。用于这个分析的水源热泵是105千瓦的高效率地热单位，其能效比为15,空调标准330的制冷系数3.2。按这个分析，浅的地表水热泵系统被定义为深度在20英尺的系统。深的地表水热泵系统是深度超过70英尺的系统。

8、对于深的地表水热泵系统，热泵需要补充预冷线圈，像表1一样，因为湖水温维持在16下的一个常数。在特殊情况下，通过损失预冷线圈的一点水头压力来增加自由容量使预冷线圈的能效比增加到29.60研究用的热泵是季节能效比为13的高效率热泵。在制冷和制热模式下。每个小时的满负荷被等效列在表2。表2的数值是通过一种分析法法获得的。Tab1o1.EstimatedHeatingandCoo1ing1oadsOccupiedPeriod(daytime8ajn.-pm.)InoccupicdPeriod(ni)bttineXpun.TaunJBtHoor2ndF1ooristF1oor2ndF1oorC1iIjo

9、ad24MBtuh7kW)30MB1Ub83kW)12MBtuh(3.5kUrj15MBtu4.5kU,)Heating1oad25.5MBtuh(7.5kr)153MBtu%H5kW)30MBtuIt(OkW)IBMBIUh5.3kW)为了比较整个塔斯卡卢萨湖的两个系统的能源利用和发电厂的排放量，湖边缘的房子需要一个近似的数字。这个近似是在测量斯卡卢萨湖285Km海岸线和沿湖海岸线长据估计大约60m的基础上做出的。假设沿湖的3500个住房有75%的入住率，房子的数字仅是一个近似的，它是用来展示在塔斯卡卢萨湖畔的住房应用闭式循环热泵系统比常规系统潜在的能源节约和电厂排放量减少。湖的热容量被要求

10、为了确定在没有明显的温度升高和水位变化的影响下湖可以支持的闭式循环热泵的数量。除了当地的天气状况，几个因素导致了湖水温度的升高这几个因素包括房子的冷热负荷，供热和制冷时的等效小时满负荷，热泵效率，在热泵和循环泵中风机的额定功率和使用的湖体积。对于异常的湖的体积，我们可以根据近似应用的平均值来计算或选取。塔斯卡卢萨湖占地约2400公顷,可以容纳约150亿升水。热泵系统在制冷模式下，热量从系统中转移到水中。相反，系统在制热模式下，热量从水中转移到系统中。减去从湖中获得的或者传到湖中的热量可以确定湖的整体温度的升高。在制冷模式下进入湖中的热量可以用公式1确定%”(Btuh)=1oadc(Btuh)3

11、.412*(Btu/W-h；*v(W)+%兀0叨(W)%(W)=Ioadc(W)WW(W)+s玩川ZnP(W)(1)whereqin=heatgoingintothe1ake1oadc=coo1ing1oadofthehousewcv.pump=powerofthecircu1atorpumpw10jit=powerofthewater-to-airheatpumpdeterminedbyEquation2(ASHRAE2001)qIUiiieC/(Ba/h)_C(W)Wunit=EERCOPu)wherecIunitcoo1=coo1ingcapacityofthewater-to-airh

12、eatpumpqunit,hea=heatingcapacityofthewater-to-airheatpumpEER=energyefficiencyratioofthewater-to-airheatpumpinBtu/W-hCOP=coefficientofperformanceofthewater-to-airheatpump从湖中获得热量可以用公式3确定%H”(Btuh)=odBtuh)-3.412*(BtuW-h)*h/W)+WCircPU甲(W)IW)1ocdjj(W)-吗?(W)-w&,.cwp(W)(3)whereqout=heatextractedfromthe1akeI

13、oadh=heating1oadofthehouse传到湖中或来自湖中的总热量。,可以通过从进入湖中的热量减去从湖中获得的热量来确定，再乘以对应的综合等效小时负荷值。Or=%JEF1H%JEF1H力塔斯卡卢萨湖每个房子温度的升高可以用公式5确定QtAf=舁(5)whereV=vo1umeofthe1akecp=averagespecificheatofthe1akep=averagedensityofthe1akeTab1e2.Equiva1entFu11-1oadHours1stF1oor2ndF1oorSWHP-C1ingmode13101615sha11ow1oopHeatingmode

14、782494SWHP-Coo1ingmode9311145deep1oopHeatingmode782494ASHPC1ingmode13001589Heatingmode892521用公式5,塔斯卡卢萨湖每年的温升近似为潜水热泵系统每个房子0.OOO1oC和深水热泵系统每个房子0.000067。因此，如果3500个位于塔斯卡卢萨湖的住房安装SWHP系统，一半浅水，一半深水。在假设蒸发率不变的情况下，湖每年的温度变化近似为0.3。这没有超过ADEM水库标准2.8。然而，这是最极端的例子，只考虑湖水温度略有上升影响了湖水的蒸发率。为了更准确的评价和分析，以确定湖谁水在六，七，八月的蒸发率，这时的

15、平均气温和制冷负荷是最高的。湖面蒸发率的增加导致湖水温度升高的减少和湖泊水位下降。因此，迭代的目的是发现湖水温度升高和蒸发率之间的平衡。这个迭代的结果是湖水温度在每年增加的基础上增长了0.28C,假设在这3个月期间没有降雨，由于SWHP系统热量加成造成湖泊水位下降约O.3厘米，。假设最坏的情况下，此分析仅适用于夏季，不包括在年度基础上影响温度和湖泊水位的其他因素。关于水平面的问题，第一次降雨将否定在水平面上小幅减少的影响，造成在坝址的溢流。防止湖水的温度一年一年的增加的其它因素是制热模式下热加成，较冷的空气温度，辐射反射，地下地表水流入湖中。几种方案在能源的使用和各种空间空调系统产生的电厂排放物这两方面的比较下被选定。第一，50%的ASHP系统和50%的SWHP系统；第二，100%的SWHP系统；第三，100%的ASHP系统。各种方案的比较提供了一份关于家用空调系统的整体能源使用以及由此产生的更广泛的电厂排放领域，如塔斯卡卢萨湖在这项研究中的使用。方法为了研究进行的能源使用的比较通过一些方法被执行，能源利用计算的必须数据是从ASHRAE获得，用于每四小时的增量。这个方法最常见的是单户使用。为了简化空间空调系统的计算方法，电子表格问世了。在假定理想情境下，