采集凝固热热泵系统的形式与工况分析

论文摘要

面对日益严峻的能源与环境问题,世界各国正积极推进各类热泵技术的应用与发展。江河、湖泊等地表水和城市污水是两类数量巨大、极引人注目的水源热泵冷热源。然而,在接触这些水源过程中,经常遇到地表水冬季水温过低或者建筑物附近污水干渠水量不足等状况,本文根据推广热泵技术、深入挖掘环境低位能源与实现节能减排的实际需要,提出了采集环境水的凝固热为建筑物供热的采集凝固热热泵系统,对这一新思路与新系统的研究兼有理论和实用价值。采集凝固热热泵系统的关键设备是凝固换热器。本文开发了两种螺旋刮削式凝固换热器,即螺旋绞龙型与螺旋钢刷型凝固换热器,阐述了凝固换热器的除冰原理与系统的安全排冰的参数条件。进行了紊流条件下的地表水和层流条件下的城市污水在凝固换热器中发生全管长凝固时的换热理论分析研究并模拟得出了相应拟合公式。通过搭建实验台、制造螺旋钢刷型凝固换热器试件,并对该试件进行实验研究,验证了凝固换热装置的有效性与凝固换热理论计算的准确性。地表水源采集凝固热热泵系统的重要参数是地表水的水温。论文通过对水温经验公式作气象参数敏感性分析,建立了江河类和湖泊类两类地表水的夏季简化水温模型。根据冬季水温变化趋势,结合实测手段提出了供热期分时段地表水温模型。根据定性分析,采用供冷设计日水温逐时预测方法对湖泊水冷热源取、排水口位置进行了设计与预测。采集凝固热热泵系统的形式是系统安全供热与高效运行的前提。根据不同水源种类、水源特点的差异,本文提出了三种采集凝固热热泵系统:清洁地表水源采集凝固热热泵系统,非清洁地表水源采集凝固热热泵系统以及城市污水源采集凝固热热泵系统。文中建立了各系统的设计优化方法,预测了系统的全年运行特性,综合考察了系统的经济、节能、环保性能。算例表明:各类系统节能与环保优势突出;清洁地表水源采集凝固热热泵系统经济优势良好,系统初投资合理;非清洁地表水源采集凝固热热泵系统有一定优势,但系统初投资偏高;城市污水源采集凝固热热泵系统具有明显优势,系统初投资稍高。总之,虽然采集凝固热时热泵机组的制热性能系数COPh值较低,但供热期机组大部分时间处在部分负荷下运行,且在寒冷地区多数采用采集凝固热热泵系统的场合,地表水冬季水温虽低,但水量通常充足,而城市污水水量虽少,但水温较高。由算例的优化设计与供热运行工况分析可知,供热期热泵机组COPh平均值仍能达到3.54.0;经济效益方面,与热网+冷水机组系统比较,初投资为后者的115150%,运行费为后者的6080%。考虑到节能减排可带来巨大的社会效益与各地区不同的财政补贴,因而该系统值得大力推广。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 能源环境与热泵技术
• 1.1.2 作为冷热源的环境水状况
• 1.1.3 采集凝固热的热泵技术
• 1.2 课题相关研究现状
• 1.2.1 环境水冷热源相关研究
• 1.2.2 凝固热利用相关研究
• 1.3 研究内容
• 第2章 凝固换热器的开发与换热特性研究
• 2.1 除冰与排冰
• 2.1.1 螺旋刮削式凝固换热器
• 2.1.2 系统的安全排冰条件
• 2.2 凝固换热
• 2.2.1 数学模型
• 2.2.2 层流时的凝固换热
• 2.2.3 紊流时的凝固换热
• 2.2.4 层、紊流凝固换热规律比较
• 2.3 凝固换热器的性能
• 2.3.1 全管长凝固的条件
• 2.3.2 凝固当量换热系数
• 2.3.3 换热量
• 2.3.4 换热性能的拟合公式
• 2.4 实验
• 2.4.1 试件及主要设备
• 2.4.2 紊流地表水实验
• 2.4.3 层流城市污水实验
• 2.5 本章小结
• 第3章 热泵系统冷热源用地表水的温度模型
• 3.1 夏季地表水温模型
• 3.1.1 经验公式
• 3.1.2 简化模型
• 3.2 冬季地表水温模型
• 3.2.1 变化趋势
• 3.2.2 水温模型
• 3.3 湖水冷热源取、排水口位置设计
• 3.3.1 冷、热排水的影响
• 3.3.2 取、排对水温分布的影响
• 3.3.3 算例分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 清洁地表水源采集凝固热热泵系统的形式及工况分析
• 4.1 系统形式
• 4.2 系统设计
• 4.2.1 目标函数
• 4.2.2 独立变量
• 4.2.3 约束条件与设计程序
• 4.2.4 算例分析
• 4.3 工况分析
• 4.3.1 湖泊水温与系统负荷的变化
• 4.3.2 供冷工况
• 4.3.3 供热工况
• 4.4 效果评价
• 4.4.1 经济性
• 4.4.2 节能性
• 4.4.3 环保性
• 4.5 直接式清洁地表水源采集凝固热热泵系统展望
• 4.6 本章小结
• 第5章 非清洁地表水源采集凝固热热泵系统的形式及工况分析
• 5.1 系统形式
• 5.2 系统设计
• 5.2.1 优化分析
• 5.2.2 算例分析
• 5.3 工况分析
• 5.3.1 供冷工况
• 5.3.2 供热工况
• 5.4 效果评价
• 5.5 直接式非清洁地表水源采集凝固热热泵系统展望
• 5.6 本章小结
• 第6章 城市污水源采集凝固热热泵系统的形式及工况分析
• 6.1 系统形式
• 6.1.1 单机组系统
• 6.1.2 双机组系统
• 6.2 污水小流量时系统的适用性
• 6.3 城市污水的流动与换热
• 6.3.1 经验公式
• 6.3.2 污水换热器中流速选择
• 6.4 系统设计
• 6.4.1 目标函数与约束条件
• 6.4.2 算例分析
• 6.5 工况分析
• 6.5.1 供冷工况
• 6.5.2 供热工况
• 6.6 效果评价
• 6.6.1 经济性
• 6.6.2 节能性
• 6.6.3 环保性
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历