利用地热能和太阳能的热能建筑的能量分析外文翻译资料

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利用地热能和太阳能的热能建筑的能量分析

Ana I. Palmero-Marreroa,, Filipa Gomesb, Joatilde;o Sousab, Armando C. Oliveira

摘要

建筑业正在快速增长，已成为仅次于工业和交通运输业的第三大化石能源消费行业。为了实现建筑能源消耗的显著减少，以可持续发展为目标，被动方法是不够的:可再生能源技术应该与被动建筑的概念和系统相结合，以提高能源效率。可再生能源(RES)在很大程度上被用作绿色能源的生产者，在减少电力消耗的同时最大限度地减少温室气体排放。这些可再生能源来源于大自然中。

本研究提供了这类能源的应用案例研究，在葡萄牙内部现有的热能建筑中使用地热和太阳能，使用可再生技术来满足电力和热能负荷。

通过使用TRACE 700软件进行动态热模拟，可以得到非常接近实测结果的数据，也可以评估一些合理化措施的实施情况，以减少能源消耗和提高建筑能源效率。

关键词：建筑节能;动态模拟;地热热泵;可再生能源

1. 介绍

有效地利用现有的可再生能源是减少传统能源消耗的一种方法。在所谓的战略能源技术(SET)计划下，欧盟委员会已经组织了研发工作，以加速部署具有成本效益的低碳技术。通过欧洲技术与创新平台(ETIP)地热板，地热能已被纳入SET-Plan用于可再生能源供暖和制冷。目的是为部门制定战略研究重点以及实施路线图^[1]。

地热的字面意思指的是“地球的热量”。地热能来源于地球内部产生并储存的热能。地热资源是可再生的，因为地球内部储存的巨大热量源源不断地向地表和大气输送，而水则通过降雨和地壳内的循环得到补充^[2]。地热能是当地的一种新能源，生态环保且具有高效，能够获得更高水平的能源可持续性，并降低建筑物能耗最终降低用户成本。使这种类型的新能源脱颖而出的一个强大的优势是它的独立于外部条件(太阳辐射，风，或潮汐)特性，这使它每天24小时都可用^[3]。此外，它还可以与太阳能等其他新能源系统一起工作，构成一种利用多种新能源技术的节能建筑物，表明自己是提高工业竞争力的一个重要因素，并在中长期内对创造就业机会和经济发展产生积极影响。

目前，地热能开发主要分为三种技术:取热发电技术、取热直接利用技术和通过地源热泵(或地热热泵- GHP)从浅层地热能中取热技术^[2]。

地热泵系统可以利用地球地面几乎恒定的温度在冬季为建筑供暖，而在夏季将热量提取并传输回相对较冷的地面，提供空调和热水供应^[2]。

本文对一个利用地热能资源的热力建筑进行了能量分析。此建筑物位于葡萄牙地区(北纬40.7°西经6.9°)，由治疗区(浴室疗法)、健身房、桑拿浴、土耳其浴、按摩室、医疗区和行政区域组成，使用面积为2247平方米，装机功率为25千瓦。当地的平均环境温度在冬季6.7℃和夏季22.3℃之间变化。地热资源(30℃的地下水，被认为是低焓的地热资源)主要用于热疗，不用于建筑空调。研究了利用地热水资源的地热热泵(GHP)在热力建筑空调系统中的应用。本研究考虑和研究了气候系统和发电的几种情况，并提出了两种最佳的解决方案。解决方案A包括放置一个地热制冷器/热泵(GHP)，利用冷凝器排出的热量为建筑物供暖。解决方案B还考虑使用光伏太阳能系统(PV)，避免电网过度消耗电力。在这种情况下(解决方案B)，两个可再生系统同时应用，即“混合”地热/太阳能耦合集成系统(GHP PV)，这是建筑节能最有效的解决方案。可以有效减少建筑物能耗。达到建筑节能的目的。

1. 方法

2.1热动态仿真软件

为了确定建筑内的热负荷，有必要对建筑进行热动态模拟。利用TRACE 700软件——Trane空调经济——可以通过热负荷计算和经济能源分析来模拟建筑的能量，从而实现系统优化。该软件可以创建多达四种不同的模型，便于它们之间的比较，并帮助选择最佳结果。该程序由五个基本计算阶段组成，可以对研究负荷、设计、系统仿真、设备仿真和经济分析进行完整的建筑能源和经济分析，如图1所示^[4]。

最初，模拟模型经历了场地的气候特征，这是分析能源性能的基本要素。之后，引入了建筑的不同空间模型，以及气候系统和发电厂。为此，有必要对大楼内的所有现有设备进行彻底调查。通过对各种形式的常规能源(电网电力和天然气)征收关税，也可以完成一项经济分析。

图1 TRACE 700的职能组织

2.2.建筑能量表征(现有解决方案)

热建筑模型考虑了所有的区域和安装的设备，目的是计算能源消耗和使用可再生系统改善整体能源平衡。主要能源设备部件有:90kw制冷量的风冷冷水机组，EER值2.7。

两个空气锅炉(采暖及生活热水dhw锅炉)，容积为310kw，效率为0.9，空气处理机组(AHU)用于游泳池区域的空气调节和循环，包括风机盘管及除湿机组。此外，方案还考虑了照明因素和其他小型设备，通过模拟计算年能耗。热工建筑年能耗分解如下:采暖(空气采暖、DHW及环境处理、水改造及水池处理)503 MWh/年;制冷64MWh/年，照明45MWh/年，通风36MWh/年，其他设备41MWh/年，泵15MWh/年。

图2给出了模拟得到的热建筑物最终使用的年能耗百分比。

模拟得到的年总能耗为704 MWh/年(电力216 MWhel /年，天然气488 MWhgas/年)。与实测数据比较，误差小于10%。根据ASHRAE标准209P得出的结论是，所获得的数值确实令人满意^[5]。

从图2可以看出个体消费的概念。其中游泳池的能耗最为突出，占全年能耗的44%(13% 31%)。暖通空调系统(加热、冷却、风扇和泵)的消耗也很大，主要是在加热方面。在此基础上，结合目前的解决方案，研究了两种可能的解决方案，以提高建筑物的能源效率。下一节将解释这两种解决方案。

图2 按最终用途(现有解决方案)分配热力建筑年能耗

2.3提出的提高能源效率的解决方案

解决方案A -冷水机组/可逆热泵(地热热泵- GHP)，供热和制冷两种循环模式的热量回收。

地热能泵比传统的暖通空调系统更节能，由于其高效率^[6]，可以帮助减轻电网负荷，减少碳排放。为了提高建筑的能源性能，方案A中评估了一台地热泵，能够同时满足建筑的供热和制冷需求。热回收对降低能耗有显著效果。

为了正确选择热工设备，考虑了建筑的实际能源使用情况。设备有两种工作模式:

• 采暖方式，当冷水机组/热泵优先满足采暖需求时;冷却，需要存在时，将是可以满足的，剩余将与地热能循环交换。
• 冷却模式，当冷水机/热泵将首先满足冷却需要，工作在与加热模式相反的情况下。

可逆热泵工作时制热210kw，制冷量140kw，制热时COP为2.2，制冷时COP为3.5。GHP的使用确保了近99%的建筑年度供暖需求得到满足。

解决方案B - GHP和太阳能光伏系统(PV)

使用太阳能光伏系统可以有效地满足部分建筑电力需求。该系统由组合成阵列的光伏板组成，可以安装在建筑物上或附近。功率逆变器将系统产生的直流电(DC)转换为交流电(AC)^[7]。

在这种情况下，我们考虑了一个利用光伏太阳能的系统。该系统安装的峰值功率约为25千瓦时。

在自耗机制下，所有产生的电能都注入到建筑中。剩余的可以提供给分销网络。这种类型的系统，尽管投资高，但是它生态清洁，寿命长(光伏板的寿命至少为20年)，不需要大量维护。

系统由88块最大功率为280wp的光伏板组成，如式(1)所示，分为4串(每串22块板)，总面积为147.5 m²。

面板数量=(光伏功率[Wp]) /(面板功率[Wp]) = (24 600)/280 = 88 （1）

为了模拟光伏系统，将相关数据引入PVsyst软件，可以逐月计算产生的电能。结果如图3所示，图中显示了使用GHP(解决方案A)与光伏系统的发电量相比，该建筑的年用电量。

根据得到的结果，光伏(PV)太阳能系统产生的总电能估计为44兆瓦时/年。这意味着每年节省5990 欧(考虑到葡萄牙的常规电价为0.14 欧/kWh)^[8]。当使用地源热泵系统时，电力消耗达到362MWH/年。从光伏系统获得的电力有助于减少电网的电力消耗。

图3 使用GHP的年电力消耗与光伏系统产生的电能

1. 结果和讨论

方案A的采暖能耗降至151 MWh/年，冷却能耗降至38 MWh/年。在现有情况下，这些消耗分别为502 MWh/年和64 MWh/年。图4显示了现有解决方案(当前解决方案)和建议的替代方案的暖通空调消耗。

图4 现有解决方案和拟议替代方案的能源消耗

可以看到，解决方案A显著降低了供暖能耗，减少了70%。与现有的解决方案相比，与冷却相关的消耗也减少了(约41%)。建筑的总能耗减少了约一半(43%)，如图4所示。随着光伏太阳能系统(解决方案B)的实施，效果更佳，能源消耗降低了51%。尽管初始成本较高，但该解决方案每年可以节省的成本更高，如表1所示。

表1 比较参数:总能耗和每个实施的解决方案的各自成本

1. 结论

建筑的动态能量模拟充分再现了能耗的实测值。地热能和光伏资源的利用关系到内生资源的推广，可以减少二氧化碳的排放和减少建筑的总能源消耗。在建筑中使用地热能和太阳能这两种类型的可再生能源使能源消耗减少了51%，使能源节约了大概36800 欧/年，可以看出此方案投资回报很大。

本研究旨在突出利用这些能源形式的潜力，以及在一个基本上由安装成本较低的传统解决方案主导的市场中，分析有利于减少能耗的新型方案。

贡献表

Ana I. Palmero-Marrero负责研究，形式分析，验证，写作-阐述初稿。Filipa Gomes负责研究，形式分析，图表创作。Jo ~ ao Sousa负责指导使用模拟软件，监督获得的数据。Armando C. Oliveira负责写作-审查和编辑，项目管理，资金获取。

致谢

作者要感谢欧盟委员会对这项工作的财政支持。也感谢这个项目的合作伙伴提供的有关建筑物的数据。

参考文献

[1] European Geothermal Energ

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资料编号：[257670]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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