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熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析
李念平,張鼎,成劍林,賀志明,陳琦
湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,長沙410082
摘要:介紹熱源塔結(jié)構(gòu)組成及熱泵工作原理,分析熱源塔熱泵的運(yùn)行特點(diǎn).以其辦公建筑為工程模型,利用建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包(designer's simulation toolkit,DeST)軟件建立建筑模型,設(shè)置建構(gòu)物參數(shù)和室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù),模擬計(jì)算建筑全年逐時(shí)負(fù)荷,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)選擇熱源塔熱泵和空氣源熱泵冷、熱源方案的主要設(shè)備,計(jì)算不同方案全年能耗,對比分析對應(yīng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用.研究表明,熱源塔熱泵的冷熱源技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、初投資低、年綜合運(yùn)行費(fèi)用低以及能源綜合利用效率高等優(yōu)勢,適于在冬季低溫高濕地區(qū)推廣.
關(guān)鍵詞:建筑設(shè)備;熱源塔;設(shè)計(jì)模擬工具包;全年能耗;冷熱源;初投資;運(yùn)行費(fèi)用
Received: 2015-02-12; Accepted: 2015-05-26
Foundation: National Science&Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period(2011BAJ03B05-6) ; Changsha City Science and Technology Project(K1104101-11)
目前,中國使用的大中型空調(diào)系統(tǒng)中,主要的冷熱源技術(shù)方案有:冷水機(jī)組供冷+輔助供熱(鍋爐供熱或熱電站供熱)、熱泵機(jī)組供冷供熱(空氣源熱泵、地源熱泵或水源熱泵)以及天然冷熱源供冷、供熱[1].對于冷水機(jī)組+輔助供熱方案,冷水機(jī)組配備水循環(huán)冷卻置換熱效果顯著的冷卻塔,在夏季工況下,有效降低了機(jī)組的冷凝溫度,從而使主機(jī)在較高的制冷性能系數(shù)(energy efficiency ratio,EER)狀態(tài)下運(yùn)行.該方案具有技術(shù)成熟、EER高、無污染和初投資少等優(yōu)點(diǎn)[2-4],但在采用鍋爐等輔助熱源進(jìn)行冬季供暖時(shí),往往采用的是燃煤、燃?xì)饣蛘呷加湾仩t,此類鍋爐供熱效率低,同時(shí)向周圍環(huán)境排放大量污染物,目前正逐步被淘汰和整改.地源熱泵方案具有節(jié)能環(huán)保和能源利用率高等優(yōu)勢,但其效率受土壤環(huán)境和土質(zhì)等問題約束[5],且初投資較高.空氣源熱泵方案以運(yùn)行穩(wěn)定、安裝操作簡單、能源利用率高、占地面積少和環(huán)保等優(yōu)勢受到廣泛應(yīng)用,但地源熱泵方案運(yùn)行工況受室外空氣狀態(tài)參數(shù)影響大,冬季制熱結(jié)霜嚴(yán)重等問題不容忽視[6].熱源塔熱泵則是針對以上問題研發(fā)出來的,夏季熱源塔可當(dāng)作冷卻塔使用,利用水的蒸發(fā)散熱,系統(tǒng)制熱能效比(coefficient of performance,COP)可達(dá)5.0以上,冬季則利用冰點(diǎn)低于0℃的制冷媒介,從濕度相對較高的低溫環(huán)境中吸取低品位熱能進(jìn)行供熱,實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的供冷和供熱[7].
本研究以長江中下游某辦公建筑為研究對象,采用閉式熱源塔冷、熱源熱泵空調(diào)系統(tǒng),從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性角度出發(fā),分析熱源塔熱泵方案與空氣源熱泵方案的初投資和運(yùn)行費(fèi)用.
1.1熱源塔結(jié)構(gòu)
熱源塔主要由塔體結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)、換熱系統(tǒng)、汽液分離裝置、凝結(jié)水控制系統(tǒng)和低溫防霜裝置等組成.其中,換熱系統(tǒng)由塔體內(nèi)的寬帶換熱肋片、換熱管及進(jìn)出液口組成;寬帶換熱器上方設(shè)有由分離器組成的汽液分離裝置,下方設(shè)有由接水盤、凝結(jié)水控制閥和溶液控制閥等組成的凝結(jié)水分離系統(tǒng);還設(shè)有由溶液濃縮裝置及噴淋裝置等構(gòu)成的防霜系統(tǒng)[8].當(dāng)空氣流經(jīng)寬帶換熱器表面時(shí),與換熱管內(nèi)溶劑形成強(qiáng)制對流換熱進(jìn)行顯熱和潛熱的交換,獲得低于室外溫度2~3℃[8]的熱泵低品位熱源溶液.1.2熱源塔熱泵工作原理
在夏季制冷工況下,熱源塔接冷卻水配水管,冷卻水在熱源塔盤管內(nèi)流動,空氣在盤管外強(qiáng)制對流,噴淋器噴射水在盤管表面,同時(shí)開啟旋流風(fēng)機(jī)加強(qiáng)內(nèi)部氣流擾動,提高對流換熱系數(shù),強(qiáng)化傳熱傳質(zhì),提高換熱效果,制備符合要求的冷卻水用于熱泵循環(huán),同時(shí)通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和冷卻水流量從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的控制.從熱力學(xué)角度看,在制冷工況下,熱源塔熱泵系統(tǒng)與單冷機(jī)+冷卻塔的工作過程和原理相同,此時(shí),熱源塔當(dāng)作閉式冷卻塔使用[9].
在冬季制熱工況下,冰點(diǎn)低于0℃的防凍溶液在熱泵蒸發(fā)器與熱源塔低溫寬帶換熱器之間進(jìn)行循環(huán)流動換熱,由旋流風(fēng)機(jī)擾動環(huán)境中的低溫高濕空氣從熱源塔底部進(jìn)入,逆向流過換熱器肋片表面,形成換熱器表面與空氣的顯熱和潛熱交換,進(jìn)而對換熱器盤內(nèi)的低溫防凍液加熱,獲得低于環(huán)境溫度2~3℃的溶液作為熱泵的低品位熱源,再經(jīng)管道輸送至熱泵機(jī)組蒸發(fā)器,釋放出低位顯熱,為熱泵機(jī)組運(yùn)行提供穩(wěn)定的熱源.為防止肋片表面溫度低于0℃時(shí)空氣冷凝水在換熱器外表面結(jié)霜,降低傳熱傳質(zhì)效果,防霜裝置啟動并根據(jù)設(shè)定的溫度由噴淋器噴射溶液,降低換熱表面冰點(diǎn),確保熱泵機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行[9].同時(shí)對被稀釋后的噴射溶液進(jìn)行濃縮,一般情況下,噴淋溶液與防凍溶液采用相同的介質(zhì),工程應(yīng)用較多的是氯化鈉或氯化鈣等鹽溶液,以及甲醇、乙醇、甘油或乙二醇等有機(jī)物的水溶液等[10].熱泵系統(tǒng)現(xiàn)場系統(tǒng)如圖1.
圖1 熱泵系統(tǒng)工程實(shí)景圖Fig.1(Color online) Photos of a heat-source tower and its heat pump system
2.1工程概況
本研究選取某辦公建筑為研究對象,建筑地處亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),氣候溫和濕潤,常年空氣濕度較大.夏季日平均氣溫為29.5℃,冬季平均氣溫4.8℃,全年平均相對濕度達(dá)78%[11].
該建筑本身南北通風(fēng),地上3層,地下1層,建筑總面積約693.85 m2.
2.2設(shè)備投入使用情況
該項(xiàng)目于2014年2月1日調(diào)整后開機(jī).視液鏡液位中檔,蒸發(fā)效果好,2月當(dāng)?shù)靥鞖庖呀?jīng)進(jìn)入下雪結(jié)冰的狀態(tài),溫度較低,濕度較大,但熱源塔機(jī)組運(yùn)行較好,在冬季工況下,室外溫度低于2℃的天數(shù)有19.9 d,濕度高于85%的天數(shù)有48 d,在相同溫度下,相對濕度越高的空氣所含水蒸氣量越大,故水蒸氣凝結(jié)時(shí)釋放的凝結(jié)熱量也越大.現(xiàn)場部分測試數(shù)據(jù)如圖2.
圖2 設(shè)備測試結(jié)果Fig.2(Color online) Test results of the equipments throughtout the year
2.3建筑負(fù)荷計(jì)算
以清華大學(xué)研發(fā)的建筑熱環(huán)境設(shè)計(jì)模擬工具包(designer's simulation toolkit,DeST)軟件為工具,模擬計(jì)算該建筑全年的逐時(shí)負(fù)荷變化情況和室內(nèi)負(fù)荷的分布情況,實(shí)時(shí)計(jì)算建筑物冷熱負(fù)荷,并將根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測氣象數(shù)據(jù)生成的典型氣象年氣象參數(shù)導(dǎo)入模擬軟件系統(tǒng)中.
建筑門窗位置、大小和結(jié)構(gòu)材料均按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置,建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置:外墻0.564 W/(m2·K),內(nèi)墻1.500 W/(m2·K),屋頂0.810 W/(m2·K),樓板3.000 W/(m2·K)以及外窗3.500 W/(m2·K).
建筑物采用集中空調(diào)供冷供熱,可將換氣次數(shù)設(shè)置為1次/h,室內(nèi)設(shè)計(jì)狀態(tài)參數(shù)如表1.
表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Indoor design parameters
該建筑各房間為辦公場所,各部門人員不相同,設(shè)計(jì)部和市場營銷部人數(shù)偏多,設(shè)計(jì)部駐室內(nèi)人員也較多,且每人都配置筆記本電腦等設(shè)備,因此辦公室人均新風(fēng)量設(shè)置為30 m3/(h·人)[12],燈光負(fù)荷由于采用節(jié)能燈,設(shè)置為10 W/m2,設(shè)備負(fù)荷設(shè)置為20 W/m2.根據(jù)氣候特征設(shè)置的采暖制冷
時(shí)間[12]如表2.
表2 全年制冷和采暖時(shí)間設(shè)置Table 2 Time schedule of refrigerating and heating
根據(jù)以上數(shù)據(jù)設(shè)置及辦公作息時(shí)間,利用DeST對建筑的空間建模和擬合計(jì)算,得出建筑物冷熱負(fù)荷結(jié)果:全年最大熱負(fù)荷83.18 kW,全年最大冷負(fù)荷111.18 kW,全年累計(jì)熱負(fù)荷31 695.82 kW,全年累計(jì)冷負(fù)荷98 930.92 kW;全年最大熱負(fù)荷指標(biāo)為119.89 W/m2,全年最大冷負(fù)荷指標(biāo)為160.23 W/m2,全年累計(jì)熱負(fù)荷指標(biāo)為45.68 kW·h/m2,全年累計(jì)冷負(fù)荷指標(biāo)為142.58 kW·h/m2,其中,采暖季熱負(fù)荷指標(biāo)為74.29 W/m2,制冷季冷負(fù)荷指標(biāo)為128.76 W/m2.
DeST模擬計(jì)算的建筑物全年逐時(shí)冷熱負(fù)荷數(shù)據(jù)分布見圖3.
圖3 2014全年逐時(shí)負(fù)荷分布Fig.3(Color online) Year-round hourly load distributions in the building in 2014
由模擬計(jì)算結(jié)果可見,該建筑全年最大冷負(fù)荷為111.18 kW,最大熱負(fù)荷為83.18 kW;單位建筑面積全年最大冷負(fù)荷為160.23 W/m2,單位建筑面積全年最大熱負(fù)荷為119.89 W/m2;年逐時(shí)冷負(fù)荷最大值為111.18 kW,出現(xiàn)在7月11日,年逐時(shí)熱負(fù)荷最大值為83.18 kW,出現(xiàn)在1月21日.
根據(jù)以上冷熱負(fù)荷模擬計(jì)算分析,該建筑冷熱負(fù)荷量偏小,選用小型冷熱源熱泵設(shè)備比較經(jīng)濟(jì)合理,考慮到地源熱泵受土壤環(huán)境及地質(zhì)等條件約束,且初始投資較高,暫不列入選擇方案之中.此處只分析空氣源熱泵和熱源塔熱泵兩種方案,并對費(fèi)用進(jìn)行對比分析.
3.1熱源塔熱泵冷熱源方案
3.1.1熱源塔方案選擇
該建筑全年最大熱負(fù)荷為83.18 kW,考慮到熱源塔制熱工況下?lián)Q熱量約占空調(diào)系統(tǒng)總熱量80%[13],同時(shí)考慮設(shè)備安全系數(shù)約為15%,因此熱源塔的容量配置為
冬季制熱運(yùn)行時(shí),熱源塔需要從低溫高濕空氣中換熱不少于76.53 kW的低品位熱量.此處可以選擇閉式熱源塔額定量為80 kW/臺.
3.1.2熱源塔熱泵方案選擇
建筑物全年最大冷負(fù)荷為111.18 kW,可以選擇額定制冷量為115 kW的壓縮式熱泵機(jī)組1臺,配置單臺壓縮機(jī)即可,機(jī)組夏季總制冷量為115 kW,冬季制熱量為123 kW,滿足設(shè)計(jì)方案要求.
3.1.3方案初投資與運(yùn)行費(fèi)用
初始投資考慮到設(shè)備的購置費(fèi)、運(yùn)輸安裝費(fèi)、調(diào)試費(fèi)、人工和材料(主要是制冷劑、防凍溶液及噴淋溶液)費(fèi)用,此處折合為單位制冷、熱量的綜合單價(jià).熱源塔綜合單價(jià)折合約0.065萬元/kW,熱源塔熱泵的綜合單價(jià)約為0.085萬元/kW,因此方案初投資費(fèi)用為
熱源塔熱泵的日常運(yùn)行費(fèi)用,結(jié)合建筑制冷時(shí)間、采暖時(shí)間和全年逐時(shí)冷、熱負(fù)荷計(jì)算.該建筑全年各月冷、熱負(fù)荷見表3.
表3 建筑全年逐月負(fù)荷Table 3 Building monthly loads
考慮到熱源塔熱泵機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷依據(jù)建筑物實(shí)際負(fù)荷變化,要準(zhǔn)確地測量計(jì)算各月平均機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷較困難,在滿足建筑冷熱負(fù)荷的要求下,利用系數(shù)相關(guān)法來求機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷,此處負(fù)荷系數(shù)取1.25,因此機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為
機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷=建筑負(fù)荷×1.25(3)
熱源塔熱泵各設(shè)備逐月性能比參數(shù)見表4.
表4 熱泵各設(shè)備運(yùn)行性能比參數(shù)Table 4 Parameters of operating performance ratio of heat pump equipments
由表4數(shù)據(jù)計(jì)算的全年系統(tǒng)能耗結(jié)果如表5.
表5 系統(tǒng)設(shè)備全年能耗Table 5 Annual energy consumption of heat pump equipments kW·h
熱源塔熱泵系統(tǒng)方案全年運(yùn)行能耗為45 021 kW·h,該地區(qū)居民用電價(jià)格0.888元/(kW·h),得出該方案總的運(yùn)行費(fèi)用為45 021 kW·h×0.888元/(kW·h) = 39 978.65元.
3.2空氣源熱泵冷熱源方案
3.2.1空氣源熱泵的原理
空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是基于逆卡諾循環(huán)的原理,以少量的電能來吸收大氣中的低溫?zé)崮?,然后通過壓縮機(jī)獲取高溫?zé)崮苓_(dá)到制熱效果的空調(diào)系統(tǒng).在冬季工況運(yùn)行時(shí),以制冷劑作為熱媒,在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收空氣中的熱能,經(jīng)壓縮機(jī)將低溫位的熱能提高為高溫位熱能,在冷凝器中加熱系統(tǒng)循環(huán)水,為室內(nèi)提供高溫?zé)嵩?在夏季工況運(yùn)行時(shí),以制冷劑作為冷媒,在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸收系統(tǒng)循環(huán)水從室內(nèi)帶來的熱量,經(jīng)壓縮機(jī)提升為高溫位熱能后,在冷凝器中向空氣釋放熱量,從而達(dá)到降低室內(nèi)溫度的作用.空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)如此循環(huán)往復(fù)的工作.
3.2.2空氣源熱泵方案選擇
根據(jù)所研究建筑的全年最大熱負(fù)荷83.18 kW,選擇空氣源熱泵設(shè)備.在夏季制冷工況下,空氣源熱泵的制冷效率EER直接受室外空氣干、濕球溫度影響,機(jī)組消耗的功率隨室外空氣溫度的升高而增大,同時(shí)機(jī)組制冷效率EER隨之降低[14].室外空氣溫度為35℃,出水溫度為7℃時(shí),機(jī)組運(yùn)行效率EER約為2.5左右.在冬季制冷工況下,空氣源熱泵所在室外空氣溫度為5℃以下,濕度為70%以上時(shí),熱泵系統(tǒng)結(jié)霜較嚴(yán)重,此時(shí)化霜程序系統(tǒng)開始工作,化霜期間,機(jī)組運(yùn)行性能下降,供熱能力減少約20%以上[15-16].根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,室外溫度低于5℃、濕度高于80%的時(shí)間達(dá)57 d,此時(shí)機(jī)組的實(shí)際供熱能力為標(biāo)準(zhǔn)工況下70%.因此,機(jī)組實(shí)際供熱能力=83.18 kW/70% =118.828 kW.選用標(biāo)準(zhǔn)供熱能力為120 kW的滿液式活塞熱泵機(jī)組1臺,可以滿足冬季工況下的設(shè)計(jì)要求.
3.2.3方案初投資與運(yùn)行費(fèi)用
該方案初始投資同樣用綜合單價(jià)計(jì)算,綜合單價(jià)為0.138 1萬元/kW,初投資費(fèi)用為
初投資費(fèi)用=120 kW×0.138 1萬元/kW
空氣源熱泵運(yùn)行費(fèi)用依照上述計(jì)算方法計(jì)算,各設(shè)備運(yùn)行性能比參數(shù)如表6.
表6 空氣源熱泵各設(shè)備運(yùn)行性能比參數(shù)Table 6 Parameters of operating performance ratio of equipments for air-source heat pump system
空氣源熱泵系統(tǒng)全年能耗計(jì)算結(jié)果如表7.
表7 空氣源熱泵設(shè)備全年能耗Table 7 Annual energy consumption of equipments with air-source heat pump system kW·h
空氣源熱泵系統(tǒng)方案全年運(yùn)行能耗為53 366 kW·h,該地區(qū)居民用電價(jià)格0.888元/(kW·h),得出該方案的運(yùn)行總費(fèi)用為53 366 kW·h×0.888元/(kW·h) = 47 389元.
3.3方案系統(tǒng)對比分析
在冬季運(yùn)行工況下,熱源塔熱泵機(jī)組實(shí)測數(shù)據(jù)及性能系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表8.
在相同運(yùn)行工況下,根據(jù)空氣源熱泵機(jī)組季節(jié)性COP經(jīng)驗(yàn)公式[17]其中,tt、ta、tw和td分別為水溫、環(huán)境溫度、濕球溫度以及露點(diǎn)溫度.計(jì)算得到相同時(shí)段工況內(nèi)空氣源熱泵的COP為2.24、2.81、2.93、2.86和2.57.由此可知,根據(jù)表8熱源塔熱泵SEER計(jì)算結(jié)果,與上述空氣源熱泵經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果相比,相同工況下,熱源塔熱泵的性能系數(shù)要比空氣源熱泵分別高0.117、0.032、0.065、0.164和0.046.
對比分析以上兩個(gè)系統(tǒng)方案計(jì)算結(jié)果可見,熱源塔熱泵冷熱源方案初投資(14.975萬元)比空氣源熱泵冷熱方案初投資(16.572萬元)約減少1.597萬元;全年運(yùn)行能耗總費(fèi)用約減少47 389元-39 978.65元=7 860.35元.
表8 熱源塔熱泵機(jī)組測試數(shù)據(jù)及結(jié)果Table 8 Test data and results of heat-source tower with heat pump
本研究針對熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用工程,在冬季低溫高濕時(shí)段現(xiàn)場測試其冷凝側(cè)數(shù)據(jù).利用DeST建立模型,模擬計(jì)算該建筑全年冷熱負(fù)荷,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)選擇不同的冷熱源方案,確定主要設(shè)備參數(shù),計(jì)算全年能耗,并根據(jù)能耗值計(jì)算相應(yīng)全年運(yùn)行費(fèi)用.對比分析不同冷熱源方案的初投資、全年運(yùn)行費(fèi)用及全年能耗,得出熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有冬季運(yùn)行穩(wěn)定,初投資和運(yùn)行費(fèi)用低、年運(yùn)行綜合能耗低的優(yōu)點(diǎn).由此可知熱源塔熱泵是一種具有節(jié)能效應(yīng)和環(huán)保效益的新型空調(diào)方式,符合可持續(xù)發(fā)展,適于南方冬季低溫高濕地區(qū)推廣使用.
引文:李念平,張鼎,成劍林,等.熱源塔熱泵空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版,2015,32(4) : 404-410.
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【中文責(zé)編:晨兮;英文責(zé)編:新谷】
【光電工程/Optoelectronic Engineering】
Corresponding author: Professor Li Nianping.E-mail: linianping@ hnu.edu.cn
Citation: Li Nianping,Zhang Ding,Cheng Jianlin,et al.Economic analysis of heat pump air conditioning system of heat-source tower[J].Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2015,32(4) : 404-410.(in Chinese)
Economic analysis of heat pump air conditioning system of heat-source tower
Li Nianping,Zhang Ding,Cheng Jianlin,He Zhiming,and Chen Qi
College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,P.R.China
Abstract:We introduce the heat-source tower structure and its working principle and analyze its heat pump characteristics.By using DeST(designer's simulation toolkit) to simulate the year-round hourly cooling and heating loads of a building,we get the indoor parameters.According to these parameters,we select the main equipments of cooling and heating sources for air-conditioning systems of both heat-source tower heat pump and air source heat pump.By calculating the annual energy consumption,initial investment and annual operating cost,we find that the heat-source tower,with more stable operation,lower initial investment and annual operating cost is suitable for popularization in cold winters and in areas with low temperature and high humidity.
Key words:building implements; heat-source tower; designer's simulation toolkit(DeST) ; annual energy consumption; cooling and heating sources; initial investment; operating cost
作者簡介:李念平(1962—),男(漢族),湖南省長沙市人,湖南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師.E-mail: linianping@ hnu.edu.cn
基金項(xiàng)目:國家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ03 B05-6) ;長沙市科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(K1104101-11)
中圖分類號:TU 831
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi:10.3724/SP.J.1249.2015.04404