建筑热环境控制中换热网络的优化分析

论文摘要

现有建筑节能是社会发展的重点，而建筑空调系统能耗是建筑节能的关键点，其热环境控制系统的换热网络存在输配系统、热泵系统、换热器面积的统一优化及周期性换热过程的换热本质等问题。基于此，本文从热量搬运角度重新审视建筑热环境营造系统，开展如下研究：首先，分析不同显热换热网络的优化准则：对于单热源、单热汇换热网络，性能最优满足等效热阻最小原则；得到串联换热器三股流体的最佳热容量流比公式，并且最佳面积分配为均匀分配，此时等效热阻均匀。对于理想制冷循环过程，系统性能最优满足最小火积增和最小熵产原则；当两侧流体热容量流相等时，最佳面积分配为均匀分配，此时等效热阻均匀。接着，分析换热网络的匹配特性，对于逆流换热器，两侧流体热容量流不匹配系数相当于等效热阻对对流换热热阻1/KA的放大倍数；当热容量流匹配时，系数为1。并且采用温差方法分析制约单级热管换热器性能的关键因素为制冷剂等温特性导致的热容量流不匹配；采用多级热管换热器可降低热管换热器的不匹配系数，降低等效热阻，提高换热效率。再者，给出输配系统和热泵系统的统一优化方法：先求出最佳热容量流比和面积比，再求最佳热容量流大小。对于制冷循环系统，最佳热容量流比的主要影响因素为两侧阻力系数的比值；当两侧阻力系数相等时，最佳热容量流比为1，面积均匀分配。提出最佳泵功曲线表达式，其与实际泵功曲线相交点，即为系统性能最佳热容量流值。针对换热器面积和输配系统统一优化，给出平衡二者投入的经济学方法：价格比值和边际效益比值方法。并且，提出蓄热式换热器的分析方法，认为周期性换热过程实质为等效热源（放热阶段流体平均温度）和等效热源（吸热阶段流体平均温度）非同时的间接换热过程，中间媒介起着换热载体的作用。并给出一维平板不同周期边界下换热量的表达式，采用热阻分析了方波边界下平板换热过程的主要影响因素。最后，以集中空调系统流量、面积设计方法、温湿度独立控制空调系统高温冷冻水温差、供水温度及典型蓄热过程为例，分析研究成果的应用效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 建筑热湿环境营造过程的本质
• 1.1.2 建筑热湿环境营造过程的基本问题
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 换热网络的优化准则
• 1.2.2 空调系统综合分析
• 1.2.3 周期性换热过程的性能分析
• 1.2.4 文献研究小结
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 研究内容及技术路线
• 1.3.2 拟解决的关键问题
• 1.3.3 论文研究框架
• 第2章 显热传递网络优化准则的分析
• 2.1 本章引论
• 2.2 热量传递过程的火积理论
• 2.2.1 火积及其火积耗散
• 2.2.2 最小等效热阻及传热优化
• 2.3 单热源、单热汇典型换热网络分析
• 2.3.1 逆流换热器
• 2.3.2 串联换热器
• 2.3.3 热管换热器
• 2.4 多热源、单（多）热汇换热网络分析
• 2.5 单个制冷循环过程
• 2.6 带有热回收的制冷循环流程
• 2.7 小结
• 第3章 换热网络的匹配特性及温差分析方法
• 3.1 本章引论
• 3.2 换热网络的匹配特性
• 3.2.1 逆流换热器不匹配系数
• 3.2.2 不匹配系数与无因次温差比 T2 / T 1关系
• 3.2.3 不匹配系数与换热面积弹性
• 3.2.4 串联换热器的等效热阻与不匹配系数
• 3.3 换热网络温差分析方法
• 3.3.1 热管换热器温差分析
• 3.3.2 水循环换热器温差分析
• 3.3.3 多级热管换热器分析
• 3.4 小结
• 第4章 热传递网络中输配和热泵系统的统一分析方法
• 4.1 本章引论
• 4.2 空调系统典型工程参数
• 4.2.1 典型输配系统阻力系数范围
• 4.2.2 不同冷媒输配系数对比
• 4.2.3 不同类型换热器经济性比较
• 4.2.4 现有压缩机热力学完善度范围
• 4.3 输配系统和热泵系统统一分析
• 4.3.1 理想制冷循环的最佳流量比和换热器面积比
• 4.3.2 实际制冷循环的最佳流量比和换热器面积比
• 4.3.3 理想制冷循环最佳热容量流和最佳热泵功耗关系
• 4.3.4 实际制冷循环最佳热容量流和最佳热泵功耗关系
• 4.4 换热网络中输配系统与换热器面积统一分析
• 4.4.1 单个逆流换热器
• 4.5 小结
• 第5章 周期性换热过程的蓄热式换热器分析方法
• 5.1 本章引论
• 5.2 蓄热式换热器分析方法
• 5.3 周期性换热过程一维平板单面换热量解析解
• 5.3.1 均匀温度平板模型
• 5.3.2 非均匀温度平板模型
• 5.4 等效热阻方法和按时间取平均温差计算热阻方法比较
• 5.4.1 均匀温度平板
• 5.4.2 非均匀温度平板
• 5.5 案例分析
• 5.6 小结
• 第6章 应用分析
• 6.1 本章引论
• 6.2 典型中央空调系统
• 6.2.1 不同设计方法空调系统效率比较
• 6.2.2 温湿度独立控制空调系统冷冻供回水温差和供水温度分析
• 6.3 典型蓄热换热过程
• 6.3.1 地板白天蓄热、夜间放热过程
• 6.3.2 夜间通风蓄冷
• 6.3.3 垂直地埋管换热
• 6.4 小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 两股热源、单股热汇换热网络准则证明
• 附录 B 相同阻力系数下理想制冷循环最佳热容量流比的证明
• 附录 C 理想制冷循环最佳泵功曲线表达式的求解
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文