城市地下空间热能综合利用系统研究

论文摘要

开发利用地下空间是医治―城市综合症‖和解决城市人口、资源、环境三大难题的有效途径,同时也是践行科学发展观和建设两型社会的重要方面。通风空调系统作为营造保障地下空间人工环境、进而实现其可持续发展的一个主要手段,应在保证室内空气品质的前提下尽可能地实现节能环保。针对常规系统在资（能）源和环境两大方面存在的问题,本文遵循能和热的梯级合理利用原则,提出了统筹考虑多种用热、以热泵为主要设备的热能综合利用系统新理念。而且,还统筹考虑城市地下空间密集区域内的各类建筑,进一步得到了一种以水环路为主要特点的系统应用形式,实现了热能在空间上的转移和回用。此外,还提出了一种置于排风井内的水-空气-制冷剂三流体复合换热器,以之作为系统排热和补热设备。依此理念,对热能综合利用系统所涉及的通风空调系统、卫生热水系统、复合换热器及空气源热泵机组和系统整体进行了数学建模,以研究系统水环路及与之相连的主要设备的热力特性。其中,空调机组空气处理过程主要基于-NTU法;冷水机组制冷过程按照压缩机理论循环耗功计算和基于测试数据的热损失拟合两部分叠加考虑;卫生热水蓄热水箱基于考虑了热水分层效应的多节点模型;复合换热器中的空气直接冷却仍采用-NTU法,间接蒸发冷却则基于各传热阶段的热平衡;对于热能综合利用系统整体,对其立体环网的各个管段采用质点法,重点考虑其热量平衡和质量平衡。运用所得数学模型,将一个基于现实区域的系统应用案例分别置于哈尔滨、北京、西安、上海、重庆和广州的典型年气候条件下进行了基于逐时热平衡的准动态模拟。通过从终端效果、热能需求、热源消耗、水环路性能和主要设备运行等方面对模拟结果的不同季节典型日逐时值、各自然月度平均值和年度统计值进行考察,认为系统能够在不同地区不同气候条件下实现正常运转,但其电耗整体呈现出南方高于北方、夏季高于冬季的总趋势;同时,也发现复合换热器虽能完成排热任务,但其水侧进出口温差小,致使系统水环路水温震荡、水泵功耗过高,工作效能还有待改善。为评价前述案例模拟所得运行数据,建立了包括效能评价和节能评价两大方面的热能综合利用系统能量性能评价指标体系。在效能评价方面,从系统整体的能量总输出/输入比、室内余热的有效利用量与总发生量之比、有效回收热量与热回收设备电耗之比、水环路承载热量与水泵电耗之比等角度分别提出了综合能效比、热能综合利用率、热回收效能、水环路效能等指标,还结合了通风空调系统能效比、单位温差能耗、单位人均新风量能耗及卫生热水系统能效比等。在节能评价方面,则从热能综合利用系统能耗相对于常规系统能耗的当量热量、等效电量、等价发电煤耗等不同方面的节能率/量指标来进行评价。此外,还基于案例评价内容,分析了热能综合利用系统的地区适用性。最后,还提出了针对热能综合利用系统整体和通风空调系统自身的多类优化策略,并以前述案例印证了优化效果。本文也探讨了以能源管理模式对热能综合利用系统进行运作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地下空间通风空调的特殊性
• 1.2.2 地下空间通风空调节能技术
• 1.2.3 空调系统热回收和废热利用
• 1.2.4 城市/区域尺度下的热能系统
• 1.2.5 建筑能量系统评价
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 热能综合利用系统及其案例
• 2.1 系统理念
• 2.1.1 常规系统的问题
• 2.1.2 热能综合利用的提出
• 2.1.3 对常规系统的改良
• 2.2 应用形式
• 2.2.1 水环路在系统中的应用
• 2.2.2 技术难点及解决措施
• 2.3 关键设备
• 2.3.1 技术需求及可行性论证
• 2.3.2 排风井内三流体复合换热器
• 2.3.3 风亭格栅式换热器
• 2.4 案例引入
• 2.4.1 引入目的
• 2.4.2 案例概况
• 2.4.3 相关基础资料
• 2.5 案例设计
• 2.5.1 设计标准
• 2.5.2 地下建筑通风空调系统
• 2.5.3 宾馆酒店卫生热水系统
• 2.5.4 热能综合利用系统
• 2.6 本章小结
• 第3章 热能综合利用系统的数学建模
• 3.1 原则和方法
• 3.1.1 模拟仿真
• 3.1.2 程序设计
• 3.2 通风空调系统
• 3.2.1 建筑空调通风负荷
• 3.2.2 运行模式和空气状态点
• 3.2.3 空调机组
• 3.2.4 冷水机组
• 3.2.5 冷水泵
• 3.3 卫生热水系统
• 3.3.1 热水负荷
• 3.3.2 蓄热水箱
• 3.3.3 中高温水源热泵机组
• 3.3.4 热水泵
• 3.4 复合换热器及空气源热泵机组
• 3.4.1 空气直接冷却装置
• 3.4.2 间接蒸发冷却装置
• 3.4.3 空气源热泵机组
• 3.5 热能综合利用系统
• 3.5.1 模型原型
• 3.5.2 案例建模和求解
• 3.6 本章小结
• 第4章 热能综合利用系统的运行特性
• 4.1 考察内容和周期
• 4.1.1 考察内容
• 4.1.2 考察周期
• 4.2 终端效果
• 4.2.1 室内温湿度
• 4.2.2 室内换气和新风
• 4.2.3 卫生热水温度
• 4.3 热能需求
• 4.3.1 通风空调负荷
• 4.3.2 建筑供暖/供冷度时数
• 4.3.3 卫生热水负荷
• 4.4 能源消耗
• 4.4.1 通风空调系统
• 4.4.2 卫生热水系统
• 4.4.3 空气源热泵
• 4.4.4 热能综合利用系统
• 4.5 水环路特性
• 4.5.1 水量
• 4.5.2 水温
• 4.5.3 热量
• 4.6 主要设备运行
• 4.6.1 冷水机组
• 4.6.2 空调机组
• 4.6.3 水源热泵机组
• 4.6.4 复合换热器
• 4.6.5 空气源热泵机组
• 4.6.6 环路主水泵
• 4.7 本章小结
• 第5章 热能综合利用系统的能效评价
• 5.1 评价指标及体系
• 5.1.1 效能评价指标
• 5.1.2 节能评价指标
• 5.1.3 能量性能评价指标体系
• 5.2 通风空调系统效能
• 5.2.1 能效比
• 5.2.2 单位温差能耗
• 5.2.3 单位人均新风量能耗
• 5.3 卫生热水系统效能
• 5.4 热能综合利用系统效能
• 5.4.1 综合能效比
• 5.4.2 热能综合利用率
• 5.4.3 热回收效能
• 5.4.4 水环路效能
• 5.5 总体节能效果
• 5.5.1 常规系统用能
• 5.5.2 能耗统一表述
• 5.5.3 节能量和节能率
• 5.6 适用性分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 热能综合利用系统的优化策略
• 6.1 热能综合利用系统
• 6.1.1 排/补热手段
• 6.1.2 季节性蓄热
• 6.1.3 水环路流量控制
• 6.1.4 系统热用户
• 6.1.5 稳定性和安全性
• 6.2 地下建筑通风空调系统
• 6.2.1 免费利用自然资源
• 6.2.2 充分利用已有资源
• 6.3 宾馆酒店卫生热水系统
• 6.4 系统能源管理
• 6.4.1 管理模式
• 6.4.2 投资收益与风险
• 6.4.3 成本核算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历