機(jī)器人筑砌磚墻專用泥漿泵設(shè)計-單作用泵【三維PROE】【7張cad圖紙+說明書完整資料】
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畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯學(xué) 院: 機(jī)械電子工程學(xué)院 專 業(yè): 熱能與動力工程 姓 名: 趙 龍 學(xué) 號: 080504110 外文出處: Applied Energy 35 (2011)3256-3264 附 件: 1.外文資料翻譯譯文;2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語: 簽名: 年 月 日附件1:外文資料翻譯譯文地源熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析及與其它熱力方式的比較Stuart J. Self *, Bale V. Reddy, Marc A. RosenFaculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4摘要 在很多地區(qū)供熱在生活中是必不可少的,且不斷增長的能源需求和污染物的排放使傳統(tǒng)的加熱技術(shù)受到挑戰(zhàn),包括地?zé)?。對地源熱泵系統(tǒng)的評估包括熱泵技術(shù)、接地情況、當(dāng)今世界上的地位和近期的發(fā)展。對地源熱泵和傳統(tǒng)加熱方式在成本、二氧化碳排放及其它參數(shù)方面進(jìn)行比較。當(dāng)電價較低的時候用地源熱泵是經(jīng)濟(jì)實惠的。當(dāng)電力生產(chǎn)利用能源率較高時選擇地源熱泵機(jī)組有著最低的污染排放量。關(guān)鍵詞 熱力 地?zé)崮?熱泵 蓄能 效率 經(jīng)濟(jì)1 引言全球的大部分能源供應(yīng)被用來發(fā)電和對特定空間的供熱,這些能源多數(shù)來自化石燃料?;剂系目偭坑邢薅宜娜紵龑Νh(huán)境是有害的:排放導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體和其它污染物。我們對能源的需求正在不斷增長而且完全可以預(yù)見到未來化石燃料的短缺1。Hammond2認(rèn)為伴隨化石燃料的燃燒產(chǎn)生的全球變暖和污染物排放對于構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)是一個不容忽視的因素。這種擔(dān)心對于降低整個社會對化石燃料的依賴有著積極的影響,它使人們有意識的降低對能源的需求并且努力尋找替代能源。尋找對環(huán)境更加友好且經(jīng)濟(jì)的能源來替代傳統(tǒng)化石燃料燃燒。除化石燃料以外,地球表面下儲存著豐富的熱能。由于污染物的排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的化石燃料燃燒能源系統(tǒng),所以說地?zé)崮茉聪到y(tǒng)是非常環(huán)保的3,4。地?zé)崮茉吹睦弥饕ㄟ^三種方法:發(fā)電、直接供熱、通過地源熱泵間接的供熱或制冷。這三種利用方法分別用到了地?zé)岬母摺⒅?、低三個不同溫度的資源。高溫和中溫的能源通常來源于由熔化的地殼產(chǎn)生的熱流體,從大面積的水或者熔漿中聚集。低溫能源接近周圍的環(huán)境溫度而且大多源于地表和周圍空氣對太陽能的吸收。高、中溫?zé)崃δ茉匆话愣荚诘厍蛏钐?,而由于鉆孔和其它開發(fā)方法在極深地方的費用會變得很高,所以深度對開發(fā)高、中溫?zé)崃δ茉吹慕?jīng)濟(jì)性有很大的影響。低溫地?zé)豳Y源豐富而且在全世界大多數(shù)地區(qū)都可以開發(fā)和利用。由于深度較小涉及問題少,提取這種能源相當(dāng)?shù)暮唵?。熱泵提高低溫?zé)嵩吹臏囟仁怪_(dá)到實際應(yīng)用的需求。地源熱泵可以使空間加熱變得環(huán)保和經(jīng)濟(jì),并且可以應(yīng)用于一定空間的制冷。本文審視地源熱泵系統(tǒng)并且把它和其它的熱力系統(tǒng)進(jìn)行比較,以提高對地源熱泵的認(rèn)識并且提高它在合適情況下的利用率。2 地源熱泵地源熱泵能夠經(jīng)濟(jì)高效的提供熱量,并且排放的污染物很少6。熱泵的概念自1800年被人所認(rèn)可,至今已經(jīng)商用約六十余年。類似于冰箱,熱泵將較低溫度熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到溫度較高的介質(zhì)中7。熱泵提供的熱量是可利用的,通常應(yīng)用于適宜的溫度環(huán)境下來保持一定空間的舒適性。熱泵最有吸引力的一個特點是,熱泵所傳輸?shù)臒崃繒嘤谶\行過程本身所需求的能量4,8。地源熱泵(GHPs),也被稱作土壤源熱泵、地?zé)崮芰肯到y(tǒng)、地下耦合熱泵、地面耦合熱泵9,10,是由三個主要系統(tǒng):l 地源熱泵:使熱量在地面和建筑間轉(zhuǎn)移并改變熱量的溫度11。l 接地系統(tǒng):通過換熱器促進(jìn)熱量從地面的吸收,供給地源熱泵11。l 室內(nèi)供熱系統(tǒng):調(diào)整和輸送適度的熱量到特定空間11,12。2.1 熱泵系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)以電為動力驅(qū)動壓縮機(jī),來保持工質(zhì)必要的濃度同時傳遞熱能4,8?;镜臒岜孟到y(tǒng)用于運行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內(nèi)的工質(zhì)通常是使用制冷劑,制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點和要求所決定6,13。地源熱泵系統(tǒng)通過控制工質(zhì)的壓縮和膨脹來改變其壓力和溫度,從而實現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞4,8,11。熱泵主要包括五個組件(圖1) 10,11,14:壓縮機(jī)、膨脹閥、換向閥、兩個熱交換器。當(dāng)然還有很多小型的組件和配件,例如:風(fēng)機(jī)、管道和輔助控制系統(tǒng)。圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局地源熱泵的加熱流程如下12:l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。l 熱泵機(jī)組內(nèi)制冷劑占主導(dǎo)地位的工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器,熱量從接地系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到工質(zhì)中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽;溫度略有增加。l 蒸發(fā)器中產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入電動壓縮機(jī),壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。l 高溫蒸汽進(jìn)入冷凝器。此時制冷劑高于外部空間,從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結(jié),成為高溫高壓液體。l 熱液體通過膨脹閥,壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進(jìn)入蒸發(fā)器,開始下一個循環(huán)包括制冷系統(tǒng)在內(nèi)的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉(zhuǎn)移釋放到土地中去。在制冷模式下,四通閥作用于流體,使工質(zhì)在循環(huán)中按照相反的方向流動。換熱器的功能反轉(zhuǎn),與地源相連的熱交換器成為冷凝器,建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器8,12。有一些系統(tǒng),包括減溫器(圖1),作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個熱水箱。減溫器安裝在壓縮機(jī)出口處,將壓縮氣體所產(chǎn)生的熱量通過熱水箱傳遞到水循環(huán)中,這樣一來能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。能源利用效率優(yōu)劣的評價,一般是用系統(tǒng)產(chǎn)出的能量比上運行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產(chǎn)出的熱量多于輸入熱泵的能量,也就是說,按照能效比的定義,熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬,定義系統(tǒng)所實現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長期性能系數(shù)(COP),以此評價熱泵性能9。地源熱泵的COPs通常在3到6之間,取值依賴于系統(tǒng)與地連接設(shè)置、系統(tǒng)大小、地源特點、安裝深度、當(dāng)?shù)貧夂虻忍攸c10,15。2.2 熱量輸送系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種:水-空氣傳熱與水液體傳熱。水空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉(zhuǎn)移到空氣,由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質(zhì),水液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質(zhì)的液體進(jìn)行換熱。在北美,最常見的地源熱泵系統(tǒng)是水空氣換熱的,熱泵的冷凝器加熱空氣線圈,熱空氣從其中通過。熱空氣通過空調(diào)管道和通風(fēng)口進(jìn)入建筑12,16。水液體加熱系統(tǒng)俗稱液體循環(huán)系統(tǒng),在此系統(tǒng)中,能量由接地線圈從地源吸收,接著被熱泵加熱并傳遞至水中,由水作為介質(zhì)傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅(qū)動環(huán)繞建筑轉(zhuǎn)動,將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的強(qiáng)制對流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內(nèi)溫度最高的空氣在加熱爐中被強(qiáng)迫向天花板上升,形成一個涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度,進(jìn)入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會很均勻,提供舒適的生活溫度需要的能量更低8, 15,16。也有混合的動力系統(tǒng),它結(jié)合了兩種系統(tǒng)的供熱方法,能夠更加有效靈活的控制空間溫度。2.3 接地系統(tǒng)空氣源熱泵使用周圍環(huán)境作為熱源,地源熱泵使用地面作為熱源。環(huán)境空氣溫度一年四季以及每天的差異相對地面都更加大17。淺于0.8米的地面每天的溫度會有波動,而更深的地方溫度基本沒有變化。地面溫度隨季節(jié)的變化比較明顯,每天的變化比較小。圖2顯示了地面溫度在一年內(nèi)加拿大渥太華的地表溫度一年內(nèi)的變化。隨著深度的增加,極端高溫和極端低溫開始大范圍出現(xiàn)。地面以下的溫度取決于很多因素,如太陽輻射、積雪、氣溫、降水和地面的熱性能。在加拿大每年持續(xù)觀察深于十米的水溫18。如圖3顯示了渥太華不同深度隨季節(jié)變化的溫度變化情況。地面下深度(m)圖1 加拿大渥太華,地面溫度與深度的變化關(guān)系。Ref修正12。地源熱泵利用了地面溫度相對恒定,而且在冬天溫度高于環(huán)境空氣溫度,在夏天低于環(huán)境空氣溫度17的特性。地面溫度仍然接近建筑環(huán)境所期望的溫度值。當(dāng)內(nèi)部和外部的溫度出現(xiàn)劇烈的變動時,空氣源熱泵如要提供相同程度的熱量需要做更多的工作,這會導(dǎo)致能效比的降低14。如果存溫差大小出現(xiàn)變化,熱泵系統(tǒng)不需要額外操作。接地系統(tǒng)或者接地環(huán)路熱交換器由使流體在熱泵系統(tǒng)和地面間傳輸?shù)囊皇苈方M成。兩種主要的回路設(shè)計方法是:雙回路和單回路構(gòu)造。溫度(C)圖3 加拿大渥太華一年內(nèi)不同時期地表溫度變化。Ref修正12。2.3.1 雙回路構(gòu)造雙回路配置是最常見的系統(tǒng)配置,包含一個獨立于熱泵系統(tǒng)之外的接地系統(tǒng)。熱泵機(jī)組由地面獲取的熱量通過熱交換器由水或水/防凍劑混合物轉(zhuǎn)移到制冷劑。目前標(biāo)準(zhǔn)管道規(guī)格是由聚乙烯或聚丙烯制造,內(nèi)徑19mm(3/4英寸),作為中小型規(guī)模應(yīng)用。有兩種雙回路構(gòu)造:閉環(huán)式和開放式。2.3.1.1 閉環(huán)式系統(tǒng)閉環(huán)式系統(tǒng)的應(yīng)用很常見,其中傳熱流體存在于循環(huán)線圈中,不與地面產(chǎn)生直接接觸;熱量在地面和管道之間進(jìn)行傳遞20。閉環(huán)系統(tǒng)分作四類:縱向、橫向、螺旋等。垂直閉環(huán)系統(tǒng)由垂直方向的熱交換管道組成。有一個深入地面的孔道,一般深度在4575m,面積較大的建筑和工業(yè)使用可能會超過150m。建筑底部有一個U形連接器,與兩個管道連接接入孔中(圖4)21。為了強(qiáng)化傳熱,管道和井壁之間充滿了一種可用泵吸收的漿狀材料20,22。為了確保在多重多樣的鉆孔中流動順利進(jìn)行,需要采用歧管系統(tǒng),這種系統(tǒng)可以安置在系統(tǒng)內(nèi)部或者循環(huán)區(qū)域內(nèi)部。垂直循環(huán)的一個優(yōu)勢是降低了安裝面積,使它更適用于土地面積有限的情況。另一個促進(jìn)它使用的因素是它不會破壞周圍環(huán)境,因為鉆孔相對挖溝來說影響較小17,23。此外,由于地下深處的溫度一年四季接近恒定,將管道定位在那里使地源熱泵有著穩(wěn)定的熱性能并能降低整個回路的長度20,23。使用這種系統(tǒng)最大的缺點是安裝成本較高,因為鉆孔比挖溝要昂貴的多。因此,垂直閉環(huán)系統(tǒng)更多應(yīng)用于大規(guī)模工程9。在地面面積充足的地方常見的是水平閉環(huán)系統(tǒng),接地回路鋪于溝中后埋入地下。根據(jù)傳熱要求和土地情況,循環(huán)的安排方式可能有所差別。三種最常見的布局形式是基本回路(圖5)、連續(xù)回路(圖6)、并行回路(圖7)。相對于連續(xù)式和并列式回路,基本回路布局通常需要占用較大的面積。連續(xù)回路降低了對面積的要求而且簡單易安裝,所以也很常見9。連續(xù)回路和并列回路可以結(jié)合使用,能夠提高安裝使用的靈活性。對于住宅設(shè)施來說,水平式比垂直式更加具有經(jīng)濟(jì)性,因為挖溝的成本遠(yuǎn)小于鉆孔9。放置管道的溝深度一般不超過幾米,但在會出現(xiàn)霜凍的地區(qū),應(yīng)當(dāng)在凍土層以下。隨著深度降低,土壤和周圍環(huán)境的相互作用增強(qiáng),這將導(dǎo)致不同時間段和不同季節(jié)地面溫度出現(xiàn)變化,進(jìn)而影響傳熱和系統(tǒng)性能。影響傳熱的其它因素包括雨水、降雪、植被情況和陰影等9。這些因素都會導(dǎo)致水平系統(tǒng)比垂直系統(tǒng)需要安排更多的管路。水平系統(tǒng)需要水/防凍液混合,作為寒冷氣候下的防凍保護(hù)9。圖4 垂直閉環(huán)熱交換的地?zé)釤岜孟到y(tǒng)圖5 地源熱泵水平閉環(huán)基本回路圖6 地源熱泵水平閉環(huán)連續(xù)回路圖7 地源熱泵水平閉環(huán)并列回路閉式螺旋循環(huán)的排布類似傳統(tǒng)的水平循環(huán),因為它也是水平的放置于淺溝內(nèi)。但是,螺旋循環(huán)的管道在溝內(nèi)是圓形放置的,每個螺旋有管道直接通向熱泵9,24。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)占用的面積較小,而且對溝的要求也更低,但對于固定的負(fù)載它需要更長的管路。有的螺旋循環(huán)是將管道放置于垂直的窄溝中。這種垂直排布的主要優(yōu)勢是降低了對水平面積的需求,也允許了很多種類挖溝設(shè)備的使用,有時有利于降低成本17。需要注意的是,在挖溝花費構(gòu)成地源熱泵系統(tǒng)的主要成本時,螺旋循環(huán)能夠降低初始成本,在材料花費更大時是不會提高經(jīng)濟(jì)性的21。螺旋循環(huán)相對于水平循環(huán)的其它缺點包括:更低的傳熱量和更大的傳熱面積需求。由于螺旋循環(huán)管道長度增加,因此相對于其它水平排布循環(huán)對泵有著更大的需求,這就降低了系統(tǒng)COP。閉環(huán)式池塘循環(huán)是閉式循環(huán)中最少見的熱交換系統(tǒng),基本上是淹沒在水體中的螺旋式閉環(huán)系統(tǒng)。盤繞的管道接入框架并用混凝土固定。框架通常在池塘底部以上2348cm,以便管道周圍流體形成對流21。循環(huán)管道位置一般要超過1.8m深,這對于保證水質(zhì)環(huán)境較低情況下,熱質(zhì)的穩(wěn)定是必不可少的,并且能夠確保在寒冷的季節(jié)管道周圍水溫不會低于水的冰點。由于河流的水文情況不是很穩(wěn)定,因此不適合應(yīng)用此系統(tǒng),例如洪水或碎石可能會使管道損壞9,24。池塘循環(huán)正在日益普及,部分原因是因為相比于其它系統(tǒng)需要更少的管道,而且有著優(yōu)越的傳熱特性,既不需要鉆井也不需要挖溝。這個系統(tǒng)的主要缺點是需要一個足夠到的水體,而且對水體有著諸多限制,例如禁止劃船。2.3.1.2 開環(huán)式系統(tǒng)開放式熱交換系統(tǒng)直接與地面進(jìn)行熱交換。這些系統(tǒng)都使用當(dāng)?shù)氐牡叵滤虻乇硭?,如湖泊、池塘,作為直接傳熱媒介。水抽出后流過熱泵熱交換器,之后流回地下或者用于灌溉9。目前,對廢棄礦井中豐富水源的利用越來越廣泛,因為充滿熱水的廢礦井可以使地源熱泵技術(shù)的應(yīng)用變得非常廉價。開放式系統(tǒng)更加傾向應(yīng)用于大型熱泵系統(tǒng)。目前應(yīng)用開環(huán)系統(tǒng)的最大的地源熱泵系統(tǒng),為賓館和辦公樓提供10MW的熱量9。常見的開環(huán)式系統(tǒng)有三種:提取井、回灌井和地表水系統(tǒng)(圖8)。水從一個達(dá)到地下水位的生產(chǎn)井抽取,之后流經(jīng)熱泵熱交換器,之后流回距離生產(chǎn)井有一段距離的地下,這段距離足以讓熱量由地表傳遞到水中9?;毓嗫梢耘懦?;開放引流價格便宜,但需要有豐富的水源供應(yīng)熱泵,有一個切實夠大的容量以備長期使用14。熱泵機(jī)組水流量一般在5.711.4L/m。圖8 開放式熱泵換熱系統(tǒng)及地源熱泵生產(chǎn)井和注水井。開環(huán)系統(tǒng)的好處是水源溫度基本保持不變。因為避免了地源熱泵系統(tǒng)額外的與地連接的熱交換器,這就提高了COP18。由于不同的抽取方法,開環(huán)式系統(tǒng)可以承擔(dān)很高的載荷而且有著很高的COPs,并能降低成本9。此外,開環(huán)式系統(tǒng)相對于閉環(huán)式垂直系統(tǒng)需要的鉆孔較少,有著簡單的對地鏈接設(shè)計,并能降低運行成本。地源熱泵需要抽取一定量的水,這有可能受到當(dāng)?shù)厮Y源保護(hù)法則的限制。開環(huán)式系統(tǒng)的主要缺點是需要保護(hù)水質(zhì),由于通常使用干凈的地下水或地表水,開環(huán)式系統(tǒng)有時是被禁止的18。開環(huán)系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)之間的熱交換器很容易受到腐蝕、污染和結(jié)垢,因此水應(yīng)該處于中性并且含有一些微量礦物質(zhì),例如鐵24。如果水的化學(xué)性質(zhì)不接近于中性,那么使用者的維修次數(shù)可能會大大提高9。2.3.2 單回路配置單回路配置也被稱作直接交換系統(tǒng),熱泵工作流體流經(jīng)地面換熱器,從而避免了接地環(huán)路對熱交換器的需要。在供熱過程中,接地環(huán)路基本上成為熱泵蒸發(fā)器。單回路配置還排除了接地環(huán)路循環(huán)泵,而不是依靠增大壓縮機(jī)。這些措施都增加了地源熱泵的COP18。由于銅管優(yōu)越的傳熱性能,經(jīng)常應(yīng)用于這些系統(tǒng)中以減少需要的排布面積。直接換熱的壓力較大,需要良好的施工以避免因管道破裂對系統(tǒng)運行的影響。如果管道破裂,整個系統(tǒng)可能需要挖出來進(jìn)行維修。另一個缺點是涉及增加接地回路容納制冷劑的體積,這會增加系統(tǒng)成本9。盡管如此,由于具有較高的COPs,單回路配置系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普及,而且一些國家(法國和奧地利)正在研究與蒸發(fā)器直接換熱加上一些設(shè)施直接冷凝來進(jìn)行地板式供熱9。2.4 全球地位地源熱泵的主要優(yōu)勢是能夠利用溫度在5-30的土壤和地下水,而這個溫度范圍在全世界各地的一定深度都會存在15。如,在2004年約30個使用地源熱泵系統(tǒng)的國家,領(lǐng)先的國家有美國、瑞典、德國、瑞士、加拿大和奧地利等。表1列出了有安裝地源熱泵能力的幾個國家。截止2004年全球安裝的地源熱泵熱能力12萬千瓦左右,每年的能源使用需求在20億千瓦時。該技術(shù)在法國、荷蘭、中國、日本、俄羅斯、英國、挪威、丹麥、愛爾蘭、澳大利亞、波蘭、羅馬尼亞、土耳其、韓國、意大利、阿根廷、智利、伊朗、英國和挪威15逐漸興起。自1994年以來的年均增長率一直在10左右,目前大約是170萬的應(yīng)用12。美國和歐洲的領(lǐng)導(dǎo)人,目前也出于經(jīng)濟(jì)增長考慮發(fā)展該技術(shù)。表1 2004年熱泵技術(shù)使用領(lǐng)先的國家國家熱裝機(jī)容量(MW)每年能源使用(GWh)地源熱泵安裝數(shù)量美國瑞典德國瑞士加拿大澳大利亞630020005604404352756300800084066030037060000020000040000250003600023000地源熱泵技術(shù)的增長一直比其他可再生能源與常規(guī)能源技術(shù)慢一些。增長受限可以歸因于諸多因素,包括非標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)設(shè)計、相對于其它系統(tǒng)較高的成本、人們對于GHPs安裝知識有限、政府政策的限制、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的限制6,18。盡管有這些問題存在,但是卻正在不斷的被解決,提高了人們對該技術(shù)的接受程度15。3 近期發(fā)展近期有很多關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)各個方面發(fā)展的報告。3.1 輔助冷卻組件由于壓縮機(jī)和泵都不是100%的效率,它們運行過程中產(chǎn)生的熱量直接被釋放浪費掉。壓縮機(jī)和泵產(chǎn)生的廢熱可用于預(yù)熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個密封的外殼,覆蓋于泵和壓縮機(jī)外面,由它們的電動機(jī)驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)將熱量傳遞出去。預(yù)熱能夠提高組件性能,提高整個地源熱泵系統(tǒng)的COP,以及降低接地回路換熱器的熱負(fù)荷8。3.2 地面霜凍循環(huán)在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結(jié)構(gòu)的完整性。通過安裝一個緊鄰地基的地面循環(huán),凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取,以確保建筑不會大幅度影響當(dāng)?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補(bǔ)充建筑所需的熱量,通常占建筑所需總熱量的2050%。該系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)使地面凍結(jié)的時間超過自然周期內(nèi)凍結(jié)的時間,不應(yīng)當(dāng)擾亂當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應(yīng)當(dāng)時安全可靠的,以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性12。3.3 單井回灌熱交換系統(tǒng)單井回灌某些方面結(jié)合開放式和封閉式水熱交換系統(tǒng)。它們本質(zhì)上是地下水源熱泵系統(tǒng),使用來自于半開放式循環(huán)安排的井水。在這樣的系統(tǒng)中,一個垂直鉆孔深入來自深巖井底部溫水中,用潛水泵抽取供給熱泵機(jī)組。冷水被引止抽水井口附近。冷水深入地下過程中吸取土壤中的熱量,從而避免了單獨建造一個注水井。單井回灌系統(tǒng)最近越來越被人所接受,因為在合適的地區(qū)它們有著良好的整體性能。該系統(tǒng)被安裝在地表有4560m石床的地點。國內(nèi)作為飲用水源的井很容易被改造應(yīng)用于該系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于充滿水的礦井和隧道9。4 供熱系統(tǒng)的分析比較在以下供暖系統(tǒng)間進(jìn)行比較:地源熱泵、空氣源熱泵、電動基板、熱水器、天然氣爐(中、高效率)。加拿大三個省份(阿爾伯塔省、安大略省和新斯科舍省)進(jìn)行效率、成本和排放量評估。結(jié)果列于表2、3。在歐洲的發(fā)展也進(jìn)行了探討。4.1 效率地源熱泵具有高效率,反映在他們的COPs。典型的等效于COP的系統(tǒng)有以下這些:地源熱泵:3-5、空氣源熱泵:2.3-3.5 、踢腳線電熱水器:1、中間效率天然氣爐: 0.78-0.82、高效率天然氣爐:0.88-0.97 。4.2 經(jīng)濟(jì)性相比于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng),地源熱泵系統(tǒng)初始成本大幅提高,主要因為地源熱泵機(jī)組和接地裝置(包括鉆井和挖溝的成本)等資金的投入。但是,地源熱泵能夠高效的降低運行成本。4.2.1 在加拿大的經(jīng)濟(jì)性趨勢對于在加拿大的情況分析是,假設(shè)所有條件相同的情況下初始投資成本的評估。在天然氣特定的省份,每年供熱成本為基礎(chǔ)的電力成本。假設(shè)20年的壽命和平均COP 4的地?zé)嵯到y(tǒng)。典型地?zé)岜糜?0-25年的保證,但存在有超過30年運行的系統(tǒng)。假定系統(tǒng)安裝不需要新的管道安裝。表2總結(jié)了評估成本。結(jié)果表明地?zé)釤岜玫慕?jīng)濟(jì)可行性很大程度上取決于位置。電力、天然氣的價格和其他取暖燃料價格具有區(qū)域性。在阿爾伯塔省和新斯科舍地源熱泵是最經(jīng)濟(jì)競爭力的選擇。在安大略省的空氣源熱泵有決心20年后極大降低成本。艾伯塔省和新斯科舍省比安大略省有較高的電力價格,直接影響到了這一調(diào)查結(jié)果。高電價促進(jìn)了空氣源熱泵和電動地板的推廣使用。研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)天然氣的價格較低時,使用天然氣和地源熱泵供暖花費之間的差距縮小。當(dāng)天然氣或其它燃料價格較低時,使用地源熱泵可能并非最經(jīng)濟(jì)的選擇18。在特定的地區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)出漸增的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,因為地源熱泵在反向工作時使它們能夠從建筑中吸收能量傳遞至地面。而傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)需要一個單獨的空間制冷空調(diào),地源熱泵系統(tǒng)避免這種初始成本24。地源熱泵系統(tǒng)的投資回收期通常是6至20年之間,根據(jù)資金成本、能源價格和能源價格不斷上漲18。另一個沒在研究中量化的優(yōu)勢是,設(shè)備本身的價值。GHPs傾向于增加屬性值,能夠?qū)崿F(xiàn)建設(shè)和土地投資的高回報,并促進(jìn)更理想的抵押貸款評估18。請注意,地源熱泵系統(tǒng)是最具成本效益的,如果安裝在建筑施工中,或者當(dāng)一個老的供暖系統(tǒng)需要更換時。購買和安裝地源熱泵,作為一個工作系統(tǒng)的選擇,很少是值得從能源和經(jīng)濟(jì)的角度考慮的14。4.2.2 在歐洲的經(jīng)濟(jì)性趨勢表4說明了歐盟各國家的天然氣和電力價格。該分析假設(shè)所有國家具有穩(wěn)定的熱負(fù)荷且系統(tǒng)有20年的壽命。比較空氣源熱泵、電加熱器、天然氣爐(中、高效率)的成本(包括初始成本)。為簡單起見,初始成本假設(shè)為與加拿大的比較中使用的相同。歐洲的天然氣和電力成本較高,但是高于加拿大的投資花費看起來是相對的。在大多數(shù)歐盟國家看來,地源熱泵系統(tǒng)想對于傳統(tǒng)供熱方式更具經(jīng)濟(jì)性,而安裝成本的增高相對于20年的使用壽命來說是微不足道的。在德國、愛爾蘭、盧森堡、西班牙和英國發(fā)現(xiàn),使用高效率的天然氣爐更加經(jīng)濟(jì),這是由于電力的價格要高于可燃?xì)怏w。表2在幾個地點的各種供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)參數(shù)比較供熱系統(tǒng)投資成本($)阿爾伯塔安大略省新斯科舍省年花費($)現(xiàn)值($)年花費($)現(xiàn)值($)年花費($)現(xiàn)值($)地源熱泵空氣源熱泵電熱板天然氣爐a天然氣爐b90004900155015001900601813225712761109210202116046690270202408032844412312344104915560137802617048380228806498772432188516532723027940501904475040460單位為2009年加元。現(xiàn)值指一個20年期間。a代表中間效率。b代表高效率。表3 在幾個地點各種供熱系統(tǒng)的二氧化碳排放量比較供熱系統(tǒng)每年燃料使用(kWh)阿爾伯塔安大略省新斯科舍省排放強(qiáng)度排量排放強(qiáng)度排量排放強(qiáng)度排量地源熱泵空氣源熱泵電熱板天然氣爐a天然氣爐b608082142228028475246551.121.121.120.1900.1906826922225015541046840.1880.1880.1880.1900.190114315444188541046841.041.041.040.1900.190634685732325554104684排放強(qiáng)度單位為(kgCO2/kWh)。排量單位為(kg)。表4歐盟幾個國家天然氣、電力價格,以及與電力相關(guān)的二氧化碳排放量27,28。國家天然氣價格($/kWh)電力價格($/kWh)排放強(qiáng)度國家天然氣價格($/kWh)電力價格($/kWh)排放強(qiáng)度澳洲0.080.270.239拉脫維亞0.050.150.443比利時0.080.280.311立陶宛0.060.170.307賽福斯N/A0.270.974盧森堡0.070.250.307捷克0.070.190.922荷蘭0.100.250.419丹麥0.150.390.680挪威N/AN/A0.015愛沙尼0.050.141.015波蘭0.070.201.108芬蘭N/A0.200.403葡萄牙0.090.240.630法國0.080.180.108斯洛伐克0.060.230.382德國0.080.350.626斯洛尼亞0.090.200.392希臘N/A0.170.882西班牙0.070.260.493匈牙利0.070.220.695瑞典0.120.260.076愛爾蘭0.020.270.706瑞士N/AN/A0.041意大利0.100.270.565英國0.060.210.558歐盟0.080.230.486該研究提供了一個在歐洲國家地源熱泵實施的一般概述。不同的國家之間,熱負(fù)荷有所差別,這項研究中引入了不同的表達(dá)詞匯。在對供熱要求較低的地區(qū)引入地源熱泵可能不夠經(jīng)濟(jì),因為地源熱泵機(jī)組的初始投入是較大的。此外,在氣候較溫暖的地區(qū),通過降低設(shè)備大小能使安裝地源熱泵的初始成本降低。地源熱泵設(shè)備的細(xì)節(jié)問題,要在深入研究分析歐洲特定國家的氣候情況下決定。4.3 二氧化碳排放該評估比較了不同供暖系統(tǒng)的二氧化碳排放量。盡管其它污染物的排放也是不可忽視的,但此處集中考慮二氧化碳的排放,因為它是最常見的溫室氣體而且被認(rèn)為是影響氣候變化的重要因素18。地源熱泵不直接排放二氧化碳,排放源于生產(chǎn)電力的發(fā)電廠。當(dāng)電力生產(chǎn)過程中二氧化碳的排放較高時,地源熱泵系統(tǒng)排放的二氧化碳也相應(yīng)的增高。地源熱泵是否環(huán)保取決于地源熱泵所使用的電力生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳,它的COP和其它供暖系統(tǒng)的效率25。4.3.1 加拿大二氧化碳排放趨勢加拿大地區(qū)二氧化碳排放情況的確定,考慮了設(shè)備消耗的電量或者天然氣的量和燃料排放強(qiáng)度(每kWh電力生產(chǎn)所產(chǎn)生的二氧化碳)。再次審視前面提到的三個省。假設(shè)天然氣成分是相同的阿爾伯塔省,安大略省和新斯科舍省,每單位氣體消耗時的排放量是固定的。每個省的平均排放強(qiáng)度使用碳監(jiān)測行動(CARMA)在線數(shù)據(jù)庫。不同省份,各種供暖系統(tǒng)的二氧化碳?xì)怏w排放量列于表3。由于安大略省具有新一代低排放設(shè)備,超過50%的電力生產(chǎn)來源于核能,其余部分來源于火力發(fā)電廠和水力發(fā)電廠,應(yīng)用地源熱泵有利于環(huán)保。在阿爾伯塔省和新斯科舍省超過80%的電力生產(chǎn)來自化石燃料,包括煤、天然氣發(fā)電廠16。相對高效率(95%)的天然氣鍋爐,當(dāng)生產(chǎn)每kWh電力的排放強(qiáng)度小于0.76kg時,使用地源熱泵能夠降低二氧化碳排放18。一般情況下,如果地源熱泵使用的電力來源于環(huán)保的生產(chǎn)方式,地源熱泵相對于傳統(tǒng)的電加熱設(shè)備和天然氣燃燒設(shè)備能夠最大程度的降低排放。在電力生產(chǎn)時排放的二氧化碳較多的地區(qū),使用度源熱泵系統(tǒng)所能帶來的減排有限。當(dāng)應(yīng)用可再生能源進(jìn)行發(fā)電時,地源熱泵所產(chǎn)生的二氧化碳排放僅僅來源于運行過程,排量很小甚至接近于零??傮w而言,地源熱泵通常提供最大(或近乎最大)的排放量的減少。4.3.2 歐洲二氧化碳排放趨勢表4列出了歐盟不同國家電力生產(chǎn)過程中的二氧化碳排放強(qiáng)度。使用與電力生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施的碳排放門檻,由Dowlatabadi和Hanova確定18為0.76kg/kWh,由表可以看出,所列出的大多數(shù)國家使用地源熱泵取代傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)都能夠取得降低排放的效果。在一個國家內(nèi)使用地源熱泵機(jī)組能顯著減少國家整體的二氧化碳排放量。例如,耦合地面地源熱泵連接當(dāng)前英國電網(wǎng),考慮到英國電網(wǎng)目前的發(fā)電組合,使用地源熱泵系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)能夠降低超過50%的二氧化碳排放15。5 結(jié)論地源熱泵是一種高效的供熱技術(shù),能夠減少二氧化碳的排放量,潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。對于加熱特定的建筑空間,相對于其它供熱方式,地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化,地源熱泵系統(tǒng)可以進(jìn)行許多變化,而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時,考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的,如效率、排放量、經(jīng)濟(jì)性等方面。參考文獻(xiàn)(見原文)附件2:外文原文The importance of axial effects for borehole design of geothermalheat-pump systemsD. Marcottea,b,c,*, P. Pasquiera, F. Sheriffb, M. BerniercaGolder Associates, 9200 lAcadie, Montreal, (Qc), H4N 2T2 CanadabCANMET Energy Technology Centre-Varennes, 1615 Lionel-Boulet Blvd., P.O. Box 4800, Varennes, (QC), J3X 1S6 CanadacDe partement des ge nies civil, Ge ologique et des mines, Ecole Polytechnique de Montre al, C.P. 6079 Succ. Centre-ville, Montre al, (Qc), H3C 3A7 Canadaa r t i c l e i n f oArticle history:Received 13 May 2008Accepted 18 September 2009Available online 23 October 2009Keywords:Infinite line sourceFinite line sourceGround loop heat exchangersHybrid systemsUnderground water freezinga b s t r a c tThis paper studies the effects of axial heat conduction in boreholes used in geothermal heat pumpsystems. The axial effects are examined by comparing the results obtained using the finite and infiniteline source methods. Using various practical design problems, it is shown that axial effects are relativelyimportant. Unsurprisingly, short boreholes and unbalanced yearly ground loads lead to stronger axialeffects. In one example considered, it is shown that the borehole length is 15% shorter when axialconduction effects are considered. In another example dealing with underground water freezing, theamount of energy that has to be removed to freeze the ground is three times higher when axial effectsare considered.? 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.1. IntroductionGeothermal systems using ground-coupled closed-loop heatexchangers (GLHE) are becoming increasingly popular due togrowing energy costs. Such a system is presented in Fig. 1.The operation of the system is relatively simple: a pump circu-lates a heat transfer fluid in a closed circuit from the GLHE to a heatpump (or a series of heat pumps). Typically, GLHE consistsof boreholes that are 100150 m deep and have a diameter of1015 cm. The number of boreholes in the borefield can range fromone, for a residence, to several dozens, in commercial applications.Furthermore, several borehole configurations (square, rectangular,L-shaped) are possible. Typically, a borehole consists of two pipesforming a U-tube (Fig.1). The volume between these pipes and theborehole wall is usually filled with grout to enhance heat transferfrom the fluid to the ground. In some situations it is advantageousto design so-called hybrid systems in which a supplementary heatrejecter or extractor is used at peak conditions to reduce the lengthof the ground heat exchanger.Given the relatively high cost of GLHE, it is important to designthem properly. Among the number of parameters that can bevaried, the length and configuration of the borefield are important.There are basically two ways to design a borefield. The first methodinvolves using successive thermal pulses (typically 10-years1month6 h) to determine the length based on a given configura-tion and minimum/maximum heat pump entering water temper-ature 8,3. There are design software programs that perform thesecalculations. Some use the concept of the g-functions developed byEskilson 5. The g-functions are derived from a numerical modelthat, by construction, includes the axial effects. The other approachis to perform hourly simulation. This last approach is essential fordesign of hybrid systems in which supplemental heat rejection/injection is used. There are several software packages that canperform hourly borehole simulations. For example, TRNSYS 9 andEnergyPlus 4 use the DST 6 and the short-time step model 5,respectively. Even though these packages account for axial effects,they necessitate a high level of expertise. Furthermore, it is noteasily possible to obtain ground temperature distributions like theones shown later in this paper. In this paper hourly simulations areperformed using the so-called finite and infinite line sourceapproximations where the borehole is approximated by a line witha constant heat transfer rate per unit length. These approximationspresent, in a convenient analytical form, the solution to the tran-sient 2-D heat conduction problem. Despite their advantages,hourly simulations based on the line source approximation are* Corresponding author. De partement des ge nies civil, ge ologique et des mines,Ecole Polytechnique de Montre al, C.P. 6079 Succ. Centre-ville, Montre al, (Qc),H3C 3A7 Canada. Tel.: 1 514 340 4711x4620; fax: 1 514 340 3970.E-mail address: denis.marcottepolymtl.ca (D. Marcotte).Contents lists available at ScienceDirectRenewable Energyjournal homepage: see front matter ? 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.doi:10.1016/j.renene.2009.09.015Renewable Energy 35 (2010) 763770rarely used in routine design due to the perceived computationalburden.The major difference between the finite and infinite line sourcelies in the treatment of axial conduction (at the bottom and top ofthe borehole) which is only accounted for in the former. Thetheoretical basis of the finite line source, although more involvedthan for the infinite line source, was first established by Ingersollet al. 7. It has been rediscovered recently by Zeng et al. 15 whoimproved the model by imposing a constant temperature at theground surface. Lamarche and Beauchamp 11 have made a usefulcontribution to speed up the computation of Zengs model. Finally,Sheriff 13 extended Zengs model by permitting the borehole topto be located at some distance below the ground surface. She alsodid a detailed comparison of the finite and infinite line sourceresponses, but did not examine the repercussion on borefielddesign.At first glance, the axial heat-diffusion is likely to decrease(increase) the borehole wall temperature in cooling (heating)modes respectively. Therefore, designing without consideringaxial effects appears to provide a safety factor for the design. But,is it really always the case? Moreover, are the borehole designsincorporating axial effects significantly different from thoseneglecting it? Under which circumstances are we expected tohave significant design differences? These are the main questionswe seek to answer. The main contribution of this research is todescribe, using synthetic case studies, the impact of consideringaxial effects on the GLHE design. Our main finding is that formany realistic circumstances the axial effects cannot be neglec-ted. Therefore, design practices should be revised accordingly toinclude the axial effects.We first review briefly the theory for infinite and finite linesource models. Then, we present three different design situations.The first two situations involve the sizing of geothermal systemswith and without the hybrid option, under three different hourlyground load scenarios. The last design problem examines theenergy required and ground temperature evolution in the contextof ground freezing for environmental purposes.2. Theoretical backgroundThe basic building block of both infinite and finite line sourcemodels is the change in temperature felt at a given location andtime due to the effect of a constant point source releasing q0units ofheat per second 7:DTr;t q04pksrerfc?r2ffiffiffiffiffiatp?(1)where erfc is the complementary error function, r the distance tothe point heat source, andais the ground thermal diffusivity.The line is then represented as a series of points equally spaced.In the limit, when the distance between point sources goes to zero,Fig. 1. Sketch of a GLHE system.NomenclatureaThermal diffusivity (m2s?1)A, B, C, D Synthetic load model parameters (kW)br/HCsGround volumetric heat capacity (Jm?3K?1)erfc (x)Complementary error function(erfcx 12ffiffiffippRNxe?t2dtEWTTemperature of fluid entering the heat pump (K or?C)FoFourier number, Foat/r2ksVolumetric ground thermal conductivity (Wm?1K?1)HBorehole length (m)HPHeat Pumpq0Radial heat transfer rate (W)qRadial heat transfer rate per unit length (Wm?1)SBorehole spacing (m)rDistance to borehole (m)rbBorehole radius (m)RbBorehole effective thermal resistance (KmW?1)tTimeDT (r, t)Ground temperature variation at time t and distance rfrom the borehole (K or?C)TfFluid temperature (K or?C)TgUndisturbed ground temperature (K or?C)TwTemperature at borehole wall (K or?C)uH2ffiffiffiffiatpx, ySpatial coordinates (m)zElevation (m)D. Marcotte et al. / Renewable Energy 35 (2010) 763770764the combined effect felt at distance r from the source is obtained byintegration along the line.2.1. Infinite line sourceIn an infinite medium, the line-integration gives the so-called(infinite) line source model 7:DTr;t q4pksZNr2=4ate?uudu(2)2.2. Finite line sourceIn the case of a finite line source, the upper boundary isconsidered at constant temperature, taken as the undisturbedground temperature 15. This condition is represented by addinga mirror image finite line source with the same load, but oppositesign, as the real finite line. Then, integrating between the limits ofthe real and image line, one obtains 15,13:DTr;t;z q4pksZH00erfc?du2ffiffiffiffiatp?du?erfc?d0u2ffiffiffiffiatp?d0u1Adu(3)where du ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffir2 z ? u2qand d0u ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffir2 z u2q, z is theelevation of the point where the computation is done. The left partof the integrand in Equation (3) represents the contribution by thereal finite line, the right part, the contribution of the image line.Fig. 2 shows the vertical temperature profile obtained withEquation (3) at radial distance r2 m, after 200 days, and atr1 m, after 2000 days of heat injection. The correspondinginfinite lines-source temperature is indicated as a reference. In thisexample, the borehole is 50 m long, the groundthermal parametersare ks2.1 Wm?1K?1and Cs2e06 Jm?3K?1. The ground is inti-tially at 10oC. The applied load is 60 W per m for a total heatingpower of 3000 W. As expected, the importance of axial effects andthe discrepancy between infinite and finite models increases withthe Fourier number (at/r24.54 and 181.4 for these two cases).In hourly simulations, the fluid temperature (Tfin Fig. 1) isrequired. This necessitates knowledge of the borehole thermalresistance Rb(i.e. from the fluid to the borehole wall), and of theborehole wall temperature (Twin Fig. 1) 2. The average boreholewall temperature it obtained by integrating Equation (3) along z.However, this is computationally intensive due to the doubleintegration. Lamarche and Beauchamp 11 have shown, using anappropriate change of variables, how to simplify Equation (3) toa single integration. Accounting for small typos in 11 and 15 asnoted by Sheriff 13, the average temperature difference, betweena point located at distance r from the borehole and the undisturbedground temperature, is given by:DTr;t q2pks0BBBZffiffiffiffiffiffiffiffiffib21pberfcuzffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiz2?b2qdz ? DA?Zffiffiffiffiffiffiffiffiffib24pffiffiffiffiffiffiffiffiffib21perfcuzffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiz2?b2qdz ? DB1CCCA(4)wherebr/H, r is the radial distance from the borehole center,uH2ffiffiffiffiatpand DA, and DBare given by:DAffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffib2 1qerfc?uffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffib2 1q?berfcub? e?u2b21? e?u2b2uffiffiffipp!andDBffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffib2 1qerfc?uffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffib2 1q? 0:5?berfcubffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffib2 4qerfc?uffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffib2 4q? e?u2?b21? 0:5?e?u2b2 e?u2?b24?uffiffiffipp!10121416182022240102030405060Temperature ( oC)Depth (m)Vertical temperature profile Infline, r=2, t=200 dFline, r=2, t=200 dFline average, r=2, t=200 dInfline, r=1, t=2000 dFline, r=1, t=2000 dFline average, r=1, t=2000 dFig. 2. Vertical ground temperature profile at radial distances r1 m and r2 m afterrespectively 2000 days and 200 days, Fo(r 1, t2000)181.4 and Fo(r 2,t200)4.54.Constantheatinjectionof3000 W.Thermalparameters:ks2.1 Wm?1K?1,Cs 2e06 Jm?3K?1.010002000300040005000024681012Days T (oC) InfiniteFiniteFEMFig. 3. Comparison of Finite and Infinite line source model with finite element model(FEM) for a 30 m borehole. Average temperature variation computed at 0.5 m from theborehole axis, over the borehole length. Constant heat transfer rate of 1000 W.Thermal parameters: ks2.1 Wm?1K?1, Cs2e06 Jm?3K?1.D. Marcotte et al. / Renewable Energy 35 (2010) 763770765The particular case rrbin Equation (4) gives the borehole walltemperature.2.3. Numerical validationFig. 3 compares the variation in temperature over timecomputed with finite and infinite line source to the numericalresults of a finite element model (FEM) constructed withinCOMSOL?. The finite element model is 2-D with axial symmetryaround the borehole axis. The ground is represented bya 50 m longand 50 m radius cylinder. The borehole is represented by a 30 mlong and 0.075 m radius cylinder delivering 1000 W. The axis ofrevolution is located at the borehole center and constitutesa thermal insulation boundary whereas all external boundaries areset to the undisturbed ground temperature. Over 6000 triangularelements equipped with quadratic interpolating functions are usedto discretize the model. The agreement between the FEM modeland the finite line source is almost perfect, the maximum absolutedifference in temperature over the 5000 days period being only0.019oC.Fig. 4 compares the temperature obtained with the infiniteand finite line source models, at r 1 m and r 0.075 m (atypical value for rb), with the thermal parameters specifiedabove. A 1oC temperature difference between the infinite andfinite models is obtained after 2.5 y and 2 y, at 1 m and 0.075 mrespectively. Note that the temperature reaches a plateau for thefinite line source model indicating that a steady-state conditionhas been reached. In contrast, the infinite line source modelexhibits a linear behavior.Fig. 5 shows the ground temperature, computed at a distance of1 m from the borehole, for increasing values of the borehole length.As expected, the finite line source solution reaches the infinite linesource solution for long boreholes.0.001 0.01 0.111010010001020304050607080r=0.075 mr=1 mGround temperatureTime (y)Temperature (oC)Fig. 4. Comparison of Finite (solid) and Infinite (broken) line source model, computedat distance 1 m and 0.075 m from the borehole. Constant heat transfer rate per unitlength of 100 W/m. Thermal parameters: ks2.1 Wm?1K?1, Cs2e06 Jm?3K?1.010020030040050060070080090010001212.51313.5Borehole length (m)Temperature (oC)Average temperature vs borehole length Infinite linesourceFinite linesourceFig. 5. Infinite vs finite line source average temperature along a vertical profile. The loadis 20 W/m, thermal parameters: ks2.1 Wm?1K?1, Cs2e06 Jm?3K?1. Temperaturecomputed after one year at r1 m from the borehole.1234561000100Cooling (+) Heating () load Time (h)Load (kw)1234562001000100Load decompositionLoad (kw)Fig. 6. Principle of temporal superposition for variable loads.0510152025303533.544.555.566.577.5COP vs EWTEWTCOP CoolingHeatingFig. 7. COP as a function of EWT.D. Marcotte et al. / Renewable Energy 35 (2010) 7637707663. Design of complete geothermal systemsIn this section we compare the design length of borefieldsobtained with the finite and infinite line source models for givenhourly ground load scenarios. These calculations imply that singleborehole solutions will need to be superimposed spatially. We havealready seen an instance of this principle of superposition whilecomputing the line source solution from a series of constant pointsources along a line 7, see Equations (1 and 2). The additivity ofeffects (variation in temperature) stems from the linear relationbetween q andDT, and the fact that energy is an extensive andadditive variable. The temporal superposition also follows the samegeneral principle of addition of effects as described by Yavuzturkand Spitler 14 and illustrated by Fig. 6. When the load is varyinghourly, a new pulse is applied each hour. It is simply the differencebetween the load for two consecutive hours. More formally, for theinfinite line source as an example, with a single borehole, we have:DTr;t Xi; ti?tq?i4pkZNr2=4at?tie?uudu(5)where: q*1q1, and q*iqi?qi?1, i2.I, tI?t, is the incrementalload between two successive hours. With multiple boreholes,DTx0;t Xnj1Xi; ti?tq0i4pkZNkxj?x0k2=4at?tie?uudu(6)where: n is the number of boreholes, xjand x0are the coordinatevectors of borehole j and point where temperature is computed,respectively. Note that for long simulation periods, the computa-tional burden becomes important.In the test cases that follow we assume that all of the buildingheating and cooling loads are to be provided by the GLHE system,i.e. there is no supplementary heat rejection/injection. Syntheticbuilding loads are used to enhance the reproducibility of ourresults. These building loads are simulated using:Qt A ? B cos?t87602p? C cos?t242p? D cos?t242p?cos?2t87602p?(7)In Equation (7), t is in hours, A controls the annual loadunbalance, B the half-amplitude of annual load variation, C and D4030201001020304040302010010203040 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225Borehole location and priority numberCoord. x (m)Coord. y (m)Fig. 8. Borehole grid and priority number. Number indicates order of inclusion in the design when required.Table 1Number of boreholes required, complete geothermal system. Constant T assumesa constant ground surface temperature of 10oC, Periodic T assumes a periodicground surface temperature with an amplitude of ?20oC in phase with the heatload.ScenarioBorehole length Infinite line Finite lineConstant T Periodic TBalanced (A?17)100 m333334Balanced50 m767480Cooling dominant (A17) 100 m393637Cooling dominant50 m937981Heating dominant(A?30)100 m575356Heating dominant50 m134115124Table 2Number of boreholes required, hybrid system. HP capacity represents 40% ofmaximum building load. The last two column represent the percentage of thebuilding load supplied by the HP for each mode.ScenarioBoreholelengthNumber ofboreholes% EnergyInfiniteFiniteCooling Inf.(Fin.)Heating Inf.(Fin.)Balanced100 m191969 (69)77 (78)Balanced50 m373767 (67)72 (73)Cooling dominant100 m242469 (69)86 (86)Cooling dominant50 m413970 (69)90 (88)Heating dominant100 m373767 (67)83 (86)Heating dominant50 m555372 (70)70 (73)D. Marcotte et al. / Renewable Energy 35 (2010) 763770767the half-amplitude of daily load fluctuations. D/C controls therelative importance of the damped component used to simulatelarger daily fluctuations in winter and summer. Coefficients A to Dare in kW.We consider three different load scenarios, each with B100,C50, and D25. One is approximately balanced (A?17), one isa cooling dominated load (A17) and the other is a heating domi-natedload(A?30).Conversionofbuildingloadstogroundloadsisdone with: qgroundqbuilding(1?1/COP). The heat pump COP variesas a function of entering water temperature as depicted in Fig. 7.For all scenarios, we consider a unique set of possible locationsfor the boreholes. The locations are at the nodes of a regular grid ofmesh S6 m. The boreholes are assigned a priority number (lowernumber / highest priority), moving excentrically from the gridcenter to the fringes (see Fig. 8).
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