水源热泵系统冷凝热应用研究

论文摘要

水源热泵作为一种可再生能源技术,节能环保,高效可靠,可缓解能源短缺问题。但现阶段能源问题还体现在能源利用率低。冷凝热利用技术可以对废热进行利用,提高能源的利用率。若将这两种技术结合起来,就能从“量”和“质”的角度实现能源的高效利用。本研究针对冷凝热在水源热泵供冷过热系统中的应用中的一些关键问题进行了分析。首先对比了现阶段常用的冷凝热回收方式和冷凝热利用种类,并分析了影响冷凝热大小的因素,利用A.C.Cleland公式建立冷凝热利用热力学分析数学模型,并开发了相应的计算软件。对影响冷凝热利用的关键因素:冷凝温度、热水温度和空调负荷进行了分析,并论证了它们是如何影响冷凝热利用的。同时,针对各项关键因素,提出了提高水源热泵冷凝热利用效率的技术措施,主要体现在热水温度控制、热回收系统控制和蓄热控制上。对实际工程中运用冷凝热提出优化设计方法,即基于工程对热水的需求和机组供热能力之间的最佳匹配,确定最佳热水流量和热水温度,并以某工程实例为对象,分析冷凝热利用最优方案。同时,还分析了冷凝热利用的经济效益和节能环保效益。对水源热泵冷凝热利用进行了实验研究,分析了机组运行参数和热水温度的变化特性,以及机组能效和系统综合能效。并提出了通过优化机组运行参数,提高机组能效的方法。针对各个部件建立了火用分析方程,对比了单一制冷模式和带冷凝热利用模式的火用损失和火用效率。研究结果表明:直接式双冷凝器型部分热回收方式投资少,对机组稳定性影响小,适于水源热泵冷凝热回收利用。蒸发温度和冷凝温度与冷凝热负荷呈反比关系,而过冷度和过热度对冷凝热负荷影响不大。冷凝温度的提高、空调负荷的提高均有利于冷凝热利用,但是冷凝温度和热水温度过高不利于机组能效。从降低冷凝温度考虑,热水回水温度控制比热水供水温度控制更优,以能效为评判标准确定了热水出水温度的范围,以某机组为例,计算得到热水出水温度控制范围为50℃--54℃。通过对比不同的热回收系统控制方案,从能效及热水需求量综合考量,优先满足热回收量的机组控制方案下,能满足热水需求且机组能效较高,故该方案最优。针对可利用的冷凝热与热水需求的不匹配性,提出了蓄热装置的设计方案。对某工程实例的冷凝热利用优化分析后,得到最佳热水温度为57.8℃,最佳流量为1.24kg/s。火用分析的结果表明:在水源热泵系统中,压缩机和冷凝器的火用损失最大,是以后改善能源利用率的主要方向。冷凝热利用可以减小冷凝器火用损失,提高系统火用效率,在有冷凝热利用下的系统火用效率由38.1%上升到43.5%。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 水源热泵的应用意义
• 1.1.2 冷凝热回收的应用意义
• 1.2 冷凝热回收技术的发展现状
• 1.2.1 冷凝热回收技术的国外发展现状
• 1.2.2 冷凝热回收技术的国内发展现状
• 1.3 本课题的研究内容
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 拟解决的问题
• 1.4 本章小结
• 2 水源热泵冷凝热利用形式及热力学分析
• 2.1 冷凝热回收的原理及类型
• 2.1.1 热回收系统形式及原理
• 2.1.2 热回收分类及特点
• 2.1.3 水源热泵冷凝热回收利用方式的确定
• 2.2 冷凝热回收的热力学分析
• 2.2.1 冷凝热负荷
• 2.2.2 影响冷凝热的因素分析
• 2.3 冷凝热利用计算软件
• 2.3.1 数学模型选择和建立
• 2.3.2 假定条件
• 2.3.3 程序设计和说明
• 2.4 本章小结
• 3 水源热泵冷凝热利用效率研究
• 3.1 水源热泵冷凝热利用的关键因素分析
• 3.1.1 热水温度
• 3.1.2 冷凝温度
• 3.1.3 空调负荷
• 3.2 提高水源热泵冷凝热利用效率的技术措施
• 3.2.1 热水温度控制
• 3.2.2 热回收系统控制
• 3.3 本章小结
• 4 冷凝热利用优化设计及实例分析
• 4.1 冷凝热利用优化设计
• 4.1.1 机组供热能力分析
• 4.1.2 冷凝热利用优化模型
• 4.1.3 优化模型计算
• 4.2 实例分析
• 4.2.1 工程概况
• 4.2.2 机组供热能力分析
• 4.2.3 热水温度和流量的确定
• 4.3 冷凝热利用方案
• 4.3.1 机组运行方案
• 4.3.2 热回收设备选型
• 4.4 冷凝热利用效益分析
• 4.4.1 经济效益
• 4.4.2 节能减排效益
• 4.5 本章小结
• 5 水源热泵冷凝热利用的实验研究
• 5.1 实验系统
• 5.1.1 测试系统概况
• 5.1.2 测试目的及测试仪器
• 5.1.3 测试系统设计
• 5.2 测试结果分析
• 5.2.1 冷凝热利用运行特性分析
• 5.2.2 冷凝热利用对能效的影响分析
• 5.3 优化分析
• 5.3.1 运行参数优化
• 5.3.2 系统运行优化
• 5.4 本章小结
• 6 火用分析
• 6.1 基本概念
• 6.1.1 火用形式
• 6.1.2 火用方程
• 6.1.3 火用效率和火用损失系数
• 6.2 带冷凝热回收水源热泵系统火用分析
• 6.2.1 系统火用模型
• 6.2.2 压缩机火用分析
• 6.2.3 冷凝器火用分析
• 6.2.4 节流阀火用分析
• 6.2.5 蒸发器火用分析
• 6.2.6 热回收装置火用分析
• 6.3 水源热泵冷凝热利用系统火用评价
• 6.3.1 火用损失分析
• 6.3.2 火用效率对比
• 6.4 本章小结
• 7 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 冷凝热利用计算程序部分代码
• B. 冷凝热利用优化计算程序代码
• C. 水源热泵冷凝热利用系统实测数据
• D. 火用分析计算相关参数
• E. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录及科研项目