某湖水源热泵系统供暖特性及节能性研究

论文摘要

伴随中国经济的快速发展,我国的能源形式已越显严峻。我国能源消费量大,能源需求呈快速增长趋势,能源的供需矛盾突出,而且能源浪费严重,能源利用效率低,加之我国的节能意识和节能管理薄弱,尚未形成有效的节能监管体系。面对我国能源的严峻形式,如何提高清洁能源,尤其是可再生能源的供给能力,降低对资源、生态与环境的压力,提高能源利用效率,推行有效的节能措施是解决我国能源问题的重要途径和关键方法。本文以重庆大学主教学楼节能改造工程为实例,以热源改造后的湖水源热泵系统为研究重点,对湖水源热泵系统的采暖特性和节能性进行研究。针对当前空调系统节能改造的项目较少,对重庆大学主教学楼空调系统节能改造设计进行了详细的介绍,着重描述了湖水源热泵系统的冷热源设计、取排水设计以及水处理设计等,为其他项目的空调系统节能改造提供了重要的参考意义。通过测试数据分析了改造后的水源热泵机组的冬季制热特性,得到了负荷率、取水温度和热水回水温度三个因素对机组制热能效的影响特点,为机组制热能效的预测、水泵的变频控制以及整个采暖系统节能效果的预测提供了理论依据。推导了五种不同联接形式下的水泵联合运行性能曲线方程,分析了工程实际采用的水泵联接形式,确定了两种运行方式下的水泵运行特征,定量分析了水泵的流量、能耗、效率等变化规律,并将变频调节与阀门调节方式进行了节能量的对比,确定了其在不同转速比下的节能率,说明了改造后水泵联接形式的运行特性和节能性,为其他节能改造设计的水泵联接形式提供了参考。通过实测和理论计算,分析了水源的水质、水量和水温条件,利用Fluent模拟软件对冬季冷排水引起的湖体温度变化进行了模拟。模拟建立了水源的物理模型和数学模型,确定了模拟计算的边界条件和初始条件,模拟了水温和水量两个因素对湖体温度场的影响,得出了有利于湖体水温恢复的冷排水方式,为湖水源热泵冬季的运行方式提供了参考。通过实测数据和理论分析,对改造后的水源热泵系统、改造前的电热锅炉系统以及风冷热泵系统和燃气锅炉系统四种方案进行了节能经济性对比。在测试工况和整个采暖季工况下,对各方案进行了系统能耗和系统能效的对比。两种工况下,水源热泵系统的节能量最大,节能率最高,系统制热能效最高,运行费用和二氧化碳排放量最少,说明改造后的湖水源热泵系统实现了节能改造的目的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题提出的背景和意义
• 1.1.1 我国能源形式及可持续发展
• 1.1.2 可再生冷热源的利用
• 1.1.3 水源热泵系统应用的意义
• 1.2 水源热泵技术的研究与应用现状
• 1.2.1 水源热泵技术在国外的发展及研究
• 1.2.2 水源热泵技术在国内的发展及研究
• 1.3 研究问题的提出
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 课题研究的意义
• 1.6 本章小结
• 2 湖水源热泵系统概述及工程节能改造设计介绍
• 2.1 水源热泵系统的原理和分类
• 2.1.1 水源热泵系统的工作原理
• 2.1.2 水源热泵的分类
• 2.2 湖水源热泵系统的常见形式和特点
• 2.3 湖水源热泵空调系统的组成
• 2.4 工程空调系统节能改造设计
• 2.4.1 工程概况
• 2.4.2 项目的负荷特点
• 2.4.3 冷热源设计
• 2.4.4 取排水设计
• 2.4.5 湖水水处理设计
• 2.4.6 其他改造设计
• 2.5 本章小结
• 3 水源热泵机组冬季制热特性分析
• 3.1 系统测试概况及测试数据整理方法
• 3.2 机组制热能效与负荷率的关系
• 3.2.1 所用测试数据及热平衡检查
• 3.2.2 负荷率与机组制热能效分析
• 3.3 机组制热能效与湖水取水温度的关系
• 3.3.1 湖水取水温度测试
• 3.3.2 取水温度与机组制热能效分析
• 3.4 机组制热能效与热水回水温度的关系
• 3.4.1 热水回水温度测试
• 3.4.2 热水回水温度与机组制热能效分析
• 3.5 空调末端的采暖效果分析
• 3.5.1 末端测试及数据处理方法
• 3.5.2 室外温度及相对湿度测试
• 3.5.3 室内采暖效果测试及分析
• 3.6 本章小结
• 4 湖水源热泵取水系统的水泵匹配特性
• 4.1 湖水源热泵系统的取水形式
• 4.2 开式取水系统水泵的特点和形式
• 4.3 水泵的运行特性及性能曲线
• 4.3.1 单台水泵定速运行工况的确定及性能曲线拟合
• 4.3.2 单台水泵变速运行工况的确定及性能曲线拟合
• 4.3.3 两台相同型号定速水泵的并联运行与性能曲线拟合
• 4.3.4 两台相同型号水泵同步变速并联运行的性能曲线拟合
• 4.3.5 两台相同型号定速水泵串联运行
• 4.3.6 两台非相同型号定速水泵串联运行
• 4.3.7 两台非相同型号水泵“一定一变”串联运行的拟合曲线方程
• 4.4 工程项目实例的水泵匹配特性分析
• 4.4.1 管网性能曲线确定
• 4.4.2 工程中单台水泵的性能曲线拟合
• 4.4.3 两台取水循环泵同步变频的性能曲线拟合
• 4.4.4 两种运行方式的运行特性分析
• 4.4.5 两种运行方式的节能性分析
• 4.4.6 结果分析及改进方法
• 4.5 本章小结
• 5 湖水源热泵冬季冷排水对湖体的影响分析
• 5.1 地表水源热泵系统对水体的影响
• 5.2 分析水体环境的常用方法
• 5.3 CFD 及其特点介绍
• 5.4 项目水源条件的分析
• 5.4.1 湖体的水质条件
• 5.4.2 湖体的水量条件
• 5.4.3 湖体的水温条件
• 5.5 项目冷排水影响的CFD 模拟
• 5.5.1 物理模型的建立
• 5.5.2 数学模型的建立
• 5.5.3 定解条件
• 5.5.4 模拟与分析
• 5.6 本章小结
• 6 湖水源热泵系统节能经济性分析
• 6.1 空调系统节能改造的意义和方式
• 6.2 比较方案的选择
• 6.2.1 方案一：电热锅炉采暖系统
• 6.2.2 方案二：风冷热泵采暖系统
• 6.2.3 方案三：湖水源热泵采暖系统
• 6.2.4 方案四：燃气锅炉采暖系统
• 6.3 测试工况下的节能经济性分析
• 6.3.1 系统能耗比较
• 6.3.2 系统制热能效比较
• 6.4 建筑采暖季的节能经济性分析
• 6.4.1 采暖季气象参数及湖体水温
• 6.4.2 采暖季的运行节能性分析
• 6.4.3 采暖季的运行费用经济性分析
• 6.4.4 采暖季的二氧化碳排放量分析
• 6.4.5 湖水源热泵系统的初投资增量成本分析
• 6.4.6 方案对比结果分析
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要成果总结
• 7.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录