海水源热泵系统热力学优化与动态运行能耗分析

论文摘要

本文以青岛国际帆船中心媒体中心所使用的开式间接式海水源热泵系统为研究对象,进行了海水源热泵系统热力学优化与动态运行能耗的研究。首先对媒体中心的海水源热泵系统进行了夏季制冷工况的测试,测试期间该系统的热泵机组EER和系统EER分别达到了4.22和3.15;测试中通过减少水泵的运行台数来改变系统的流量,结果表明在减少水泵的运行数量后,在系统制冷量降低1.7%的情况下,系统的EER提高了9.1%。为了进一步推广和应用海水源热泵系统,本文对开式间接式海水源热泵系统进行了(火用)分析与热经济学的分析,分别得到了海水源热泵系统的(火用)损失表达式和统一(火用)损模式下的热经济学分析方程。而后根据建立的(火用)损失表达式和热经济学分析方程,分别编制了海水源热泵系统纯热力学和热经济学的优化程序,从而在不同的海水温度下,分别得到了使系统(火用)损失最小或年生产成本最低的系统组成和运行参数。当海水温度为24℃时,热经济学优化结果比纯热力学优化结果在系统的(火用)损失方面增加了22.7%,热泵机组的能效比也减小了13.9%;但是系统的年生产成本却降低了29.1%,同时系统的初投资也减少了35.9%。在此过程中,参照Cleland模型并运用多项式函数拟合的方法对制冷剂R410A热力参数的计算方法进行了研究,并编制了相应的计算程序。海水温度是海水源热泵系统设计中的关键参数,并对海水源热泵系统能否正常运行起着决定性的作用。本文以二阶傅立叶级数的形式拟合了青岛市海水和大气温度的年变化曲线,结果表明青岛海域海水温度的变化相对于大气温度的变化在时间上存在一个月左右的延迟,同时在变化的强度上也有一定的衰减。由于大气温度同时对建筑物的空调负荷和海水的温度产生影响,而海水温度的变化又会导致海水源热泵系统的性能发生改变,因此本文在综合考虑大气和海水温度动态变化的情况下,对海水源热泵系统的运行能耗进行了模拟。本文将媒体中心海水源热泵系统作为实例,以DeST软件模拟得到的建筑物逐时空调负荷为基础,对该系统在海水温度动态变化情况下的运行能耗进行了模拟。结果表明在供冷季和供热季中,该海水源热泵系统的季节能效比分别达到了3.49和2.38。将海水源热泵系统与空气源热泵系统进行运行能耗的比较,结果表明海水源热泵系统在热泵机组能效比和系统能效比方面均高于空气源热泵系统。通过对海水源热泵系统水泵变频的节能潜力进行研究,得到了水泵在变频后全年的节电率为58.3%;同时研究结果还表明,在水泵变频运行后,系统在供冷季和供热季的季节能效比分别提高了20.1%和15.1%。通过对海水源热泵系统进行热力学优化和动态运行能耗分析,本文得到了海水源热泵系统的优化设计参数和运行能耗特性,对海水源热泵系统的设计及推广应用具有一定的理论价值和实践意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 能源、环境与可持续发展
• 1.1.2 海洋热能的利用
• 1.1.3 热泵的分类
• 1.2 海水源热泵系统的结构形式与特点
• 1.2.1 闭式海水源热泵系统
• 1.2.2 开式海水源热泵系统
• 1.3 海水源热泵的研究发展现状
• 1.3.1 国外海水源热泵的研究发展现状
• 1.3.2 国内海水源热泵的研究发展现状
• 1.4 （火用）分析与热经济学分析方法在热泵研究中的应用
• 1.4.1 （火用）分析方法在热泵研究中的应用
• 1.4.2 热经济学分析方法在热泵研究中的应用
• 1.5 课题的提出与研究的意义
• 1.5.1 课题的提出
• 1.5.2 课题研究的意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 海水源热泵系统运行特性的测试研究
• 2.1 工程实例概况
• 2.2 测试过程
• 2.3 测试内容与测试方法
• 2.4 数据处理与结果分析
• 2.4.1 数据处理方法
• 2.4.2 测试结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 海水源热泵系统（火用）分析与热经济学分析
• 3.1 （火用）的基本概念与（火用）分析的基本原理
• 3.1.1 （火用）与（火用）损失
• 3.1.2 （火用）的计算方法
• 3.2 海水源热泵系统的（火用）分析
• 3.2.1 热泵机组各部件（火用）分析
• 3.2.2 板式换热器（火用）分析
• 3.2.3 风机盘管（火用）分析
• 3.2.4 海水源热泵系统（火用）分析
• 3.3 海水源热泵系统的热经济学分析
• 3.3.1 热经济学分析的一般模型
• 3.3.2 统一（火用）损成本模式的海水源热泵系统热经济学分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 海水源热泵系统的热力学优化
• 4.1 热力学分析优化的三个层次
• 4.2 优化目标函数的建立
• 4.2.1 纯热力学优化目标函数
• 4.2.2 热经济学优化目标函数
• 4.3 优化的工况条件
• 4.4 制冷剂R410A热力性质的计算
• 4.4.1 制冷剂R410A的热力性质
• 4.4.2 制冷剂R410A热力性质的计算方法
• 4.4.3 制冷剂R410A热力性质计算程序的编制
• 4.5 优化约束条件的确定
• 4.5.1 等式约束条件
• 4.5.2 不等式约束条件
• 4.6 优化计算程序的编制
• 4.7 优化计算结果与分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 海水源热泵系统动态运行能耗的模拟与分析
• 5.1 海水温度变化规律的分析研究
• 5.1.1 海水温度的分布与变化
• 5.1.2 青岛海域海水温度的统计与分析
• 5.2 海水源热泵系统动态运行能耗模拟计算
• 5.2.1 建筑物逐时空调负荷的模拟计算
• 5.2.2 海水源热泵系统动态运行能耗的计算与结果分析
• 5.2.3 海水源热泵系统与空气源热泵系统的动态运行能耗比较
• 5.3 海水源热泵系统水泵变频运行的节能潜力分析
• 5.3.1 水泵变频调节的基本原理与节能分析
• 5.3.2 水泵变频运行能耗的计算方法
• 5.3.3 水泵变频运行能耗计算结果
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢