青岛地区海水源热泵应用规划的关键问题研究（可编辑）

青岛地区海水源热泵应用规划的关键问题研究 青岛理工大学硕士学位论文青岛地区海水源热泵应用规划的关键问题研究姓名:王婧倩申请学位级别:硕士专业:供热、供燃气、通风与空调工程指导教师:胡松涛201012青岛理工大学硕士学位论文摘要海水源热泵空调系统由于其节能环保的明显优势,在今天受到了国内外政府部门和相关研究人员的普遍关注,并在沿海地区越来越多的应用于工程实践。本文在住房和城乡建设部建筑节能与科技司项目?沿海地区海水源热泵技术应用规划研究的支持下,对青岛地区海水源热泵系统应用规划过程中,影响系统性能的因素进行探讨及优化,并将海水源热泵系统与传统空调系统相比,从价值工程角度探讨海水源热泵系统的优势及影响其系统性能的经济性敏感因素。首先,对我国海域和青岛所处海域的温度分布特点和规律进行归纳总结。以二阶傅立叶级数的形式拟合青岛海域表面海水温度和大气温度的年变化曲线,并对垂直方向上海水温度冬、夏季的变化规律进行具体分析。然后,建立系统各部件的动态数学模型,包括压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、板式换热器和水泵,运用模型对制冷剂热力参数进行计算,进而以软件为平台编制系统性能的计算程序。之后,根据实验测量值对系统模型的计算值进行校验。在系统模拟可靠的基础上,根据数学模型和编制的计算程序,分析不同取水深度、不同取水管线比摩阻时系统性能的变化规律。同时,从经济性角度出发,以费用年值最小为评价指标,采用微分法,建立取水管线经济比摩阻的目标函数,对取水管线的经济比摩阻、经济管径和经济流速进行优化。最后,运用价值工程理论,针对海水源热泵系统和其它两种传统常用系统,在分别分析其初投资和运行费用的基础上,对三种系统的功能重要性进行比较,计算其功能系数、寿命周期成本系数和价值系数,以价值系数最小的方案为最优。以费用年值为指标,分析初投资、电价和社会折现率三种经济性敏感因素对海水源热泵系统的影响程度。关键词海水源热泵系统;温度分布规律;性能分析;优化;价值工程一本文受到住房和城乡建设部建筑节能与科技司项目的支持,特此感谢锄,锄 .,.册 ,. .哪,谢。 .,. , ,. 丽母 ,. , 衄 ,.锕。,仃 ,趾 ,向 伍, , . ,.;:; ,.青岛理工大学硕上学位论文主要符号表主要符号及含义物理含义 单位字母符号么 面积 定压比热杉频率,竹质量堙质量流量,咒刀区域数压力输入功率 换热量 形时间丁 温度体积 。体积流量比容口传热系数,.,效率密度青岛理工大学硕士学位论文主要注脚符及含义含义全称字母缩写饱和口冷凝器蒸发器膨胀阀 冷凝,排出吸入“ 变频压缩机如/输入输出等熵液体蒸汽制冷剂过冷冷却水冷冻水 过冷水输气管壁加甲娜,厂韶船耐青岛理工大学硕士学位论文第章绪论.课题研究的背景.我国建筑能耗的现状在能源消耗结构中,建筑能耗占有相当大的比重,这一比例在发达国家能够达到/左右。而随着经济社会的迅速发展,我国建筑能耗的比重已经从年的%增长到年的.%【】,接近发达国家的水平。我国处于北半球的中低纬度地区,地域广阔,南北跨越严寒、寒冷、夏热冬冷、温和及夏热冬暖多个气候带。国内大部分地区属于东亚季风气候,同时带有很强的大陆性气候特征,冬季气温低于世界上同纬度地区,十分寒冷;夏季气温高于世界上同纬度地区约,十分炎热;冬夏季持续时间较长是我国气候的一个重要特点,也是造成我国建筑能耗较复杂的主要原因之一【。此外我国房屋建筑面积数量巨大,近几年每年新建各类建筑亿,截止到年底,全国房屋总面积【】已经超过亿,其中城镇房屋建筑面积为.亿其中城镇住宅建筑面积.亿,公共建筑和工业建筑面积.亿。巨大的建筑面积数量势必造成我国城镇中采暖与空调能耗的巨大消耗。由于气候复杂、既有建筑物数量庞大和新增建筑物增长迅速,建筑能耗中大部分用于终端消耗。根据建设部统计数据【】:截止到年,建筑能耗已占到全国能源消耗总量的.%。按照我国全面建设小康社会的经济发展战略部署,建设部提出了小康社会的住房标准:到年实现“户均一套房、人均一间房、功能配套、设备齐全。按照此项标准预测【出入均住宅建筑面积约,到年我国城市化水平将达到.%,城镇居住面积将达到亿,并在绝对数量上超过农村住宅,成为住宅建筑的主体。此外国际能源署、中国工程院、国家发改委能源研究所及清华大学等多个科研机构均对我国未来能源需求进行预沏】,结果表明,虽然基准年和预测方法有所不同,青岛理大学硕十学位论文但基本的结论都认为在年能源需求总量将超过亿吨标准煤。根据发达国家的经验,建筑能耗在社会总能耗中的比例基本都在%以上。随着我国人民生活水平的提高和产业结果的调整,建筑能耗比重会进一步向发达国家的水平靠拢。按照目前能源总需求量的预测数据,如果年建筑能耗达到总能耗的%,将消耗亿吨标准煤。以我国目前的能源消费模式来看,我国常规能源资源的供应将无法满足未来能源消费快速增长的需求,因此我国已将节约能源作为基本国策进行贯彻,并且大力加强对新型能源的开发和利用。.新能源的利用 ,新能源主要指在新技术的基础上系统开发利用的可再生能源,着重强调未来世界持久的能源系统。目前“新能源”意义下的可再生能源在发达国家和一些发展中国家发展迅速,大约占现代能源消费结构的.%,主要包括小水电、生物质能、风能、太阳能、地热能和海洋能等。青岛利用作为沿海城市的优势,海洋能成为其一项可利用的丰富资源。海洋能是指蕴藏在蓝色大海中的可再生能源,它包括潮汐能、波浪能、潮流能、海流能、海水温度差能和海水盐度差能等不同的能源形态。海洋通过各种物理过程接收、储存和散发能量,这些能量以潮汐、波浪、温度差、海流等多种形式存在于海洋之中。在海洋能的利用方面,与人们的日常生活关系最紧密的就是在空调系统的应用。目前海洋热能在暖通空调上的应用主要有两种形式,一种为海水源热泵系统,另一种为深水冷源系统。海水源热泵系统的工作原理是在夏季热泵用作制冷机,海水作为冷却水使用,这样可以省去冷却塔,同时由于海水的温度低于大气温度,从而可使得热泵机组的能效比得到提高;冬季,热泵机组提取海水中的热量供给建筑物使用。这种系统把海水作为冷热源使用,可以部分甚至全部取代传统供热空调系统中的锅炉和制冷机。然而,空调系统在给人们带来适宜的生活环境的同时,也消耗了大量的能源,因此各国都在积极推进新能源在空调系统中的应用。海水作为空调系统优质的冷热源已越来越被人们认可,因此一些海水资源丰富的国家,如瑞典、挪威等国,已经大规模的使用海水作为冷热源为建筑提供空调冷热水供应。我国海域辽阔,海洋热能资源也青岛理大学硕士学位论文十分丰富,因此将海水作为空调系统的冷热源在我国有着广阔的应用前景。.热泵技术的应用“热泵这一术语是借鉴“水泵一词得来的。在自然界中,水从高处自发流向低处,水泵可将水从低处泵送到高处利用。同样,热量可自发从高温热源传向低温热源,而热泵可将低温热源的热量“泵送交换传递到高温热源加以利用,所以热泵实质上是一种热量提升装置。我国暖通空调术语标准。对“热泵”的解释是“能实现蒸发器和冷凝器功能转换的制冷机”,新国际制冷词典对“热泵的解释是“以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统”【。热泵技术在世界各国有大量的应用方式和实例。例如:以热泵作为住宅的供冷、供热机组,用于大型建筑物或建筑群的供冷、供热,热泵在室内或室外露天游泳池中的应用,热泵用于余热排风废热回收与利用,采用热泵回收和应用制冷装置的冷凝废热利用,人工冰场和游泳池相结合的热泵系统,热泵技术用于木材和生物制品的干燥,热泵技术对工农业生产中低品位能量的回收和高效利用等。推进热泵技术的发展是能源工程综合利用的需要,能源危机和矿物能燃烧过程对生态环境的污染均是对现代人类生存的严重挑战。热泵技术正是开发和强化高质能源利用率的重要手段,是获取可再生能源及维护生态平衡的有效途径之一。近年来,随着国民经济的发展,空调热泵机组成为我国制冷行业开始重视开发的新产品,它不仅提供夏季制冷,而且可提供冬天采暖,可省去锅炉系统,大大减少了工程投资。它以电作为动力,采用热泵原理吸收室外空气中的热量,可节省数倍于输入电能的热量。与传统的锅炉供热系统相比,它不仅节省能源,还能提高能源利用率,而且不会污染环境,是一种高效智能型产品。热泵的开发应用研究主要集中在民用空调领域。房间采暖热量一般只需较低的温度。这种热量可以借助于热泵来供给。此时只要消耗少量的高品位能量,便可得到足以满足房间采暖需求的温度。因此,在满足房间采暖耗热方面,热泵可以做出重要的贡献【】。青岛理大学硕十学位论文.海水源热泵系统的分类.按照热泵机组设置集中程度分类海水源热泵系统可以从多个角度进行分类,根据海水热泵机组的设置集中程度不同,可以分成集中式海水源热泵空调系统,分散式海水源热泵空调系统和双级耦合式海水源热泵空调系统。下面分别对这三种系统形式进行分析引。.集中式海水源热泵空调系统所谓集中式海水源热泵系统,就是将所有热泵机组集中放置于统一的热泵机房内,机房的位置可选取在海边或用户区域附近,用户需要的冷热水通过小区外网输送,因此也可称为海水源热泵集中供冷供热系统。其原理图如图.所示。?一图集中式海水源热泵空调系统原理图.海水取水口.海水泵站.热泵站.管网.用户末端系统该系统的优点是:.由于选用大型热泵机组,集中式海水源热泵系统的值比小型机组要高,从而提高了能量利用率;.由于各用户不在同一时刻达到峰值负荷,集中系统充分利用各用户负荷分布多样性特点,减少设备的总装机容量,降低初投资;.无需设置各用户内的冷热源机房和室外冷却塔,既减少了建筑面积又降低了结构施工成本,美化建筑外观;.热泵机组的集中布置,为运行管理和维修带来方便,提高了供热和供冷的可靠性;青岛理工大学硕上学位论文.由于一年大部分时间都在较高的值下运行,集中系统具有明显的节能优势。但同时,集中系统的灵活性相比分散式系统较差些,系统运行中的调节也相对复杂。.分散式海水源热泵空调系统所谓分散式海水源热泵空调系统,是指将海水或与海水换热后的水输送到用户和小区,在各用户或小区分别配置热泵机组,以满足供冷供热需求。其原理图如图.所示。二图.分散式海水源热泵空调系统原理图、意义同图.热泵机组与集中式海水源热泵空调系统相比,其特点是:.热泵机组分散,初投资相应增加;.机组容量相对较小,值比集中系统略低;.各用户仍然需要冷热源机房;.由于热泵机组相对独立,增加了用户的灵活性。.双级耦合式海水源热泵空调系统该系统的特点就是既有集中热泵站,又有分散至各用户或小区的热泵机组,因此也称为联合式海水源热泵空调系统。这种设计直接导致系统的初投资有所提高,但它的明显优势在于,当冬季海水温度过低时,无需辅助热源仍可以完全由此系统为各用户供热,真正实现单独由海水源热泵系统为建筑提供冷热源。青岛理大学硕士学位论文.按照海水利用方式分类海水源热泵系统根据在源侧海水与工质换热方式的不同分为开式系统和闭式系统。开式系统又根据海水是否进入热泵机组又分为开式直接式系统和开式间接式系统。.闭式系统闭式系统是指在源侧采用闭环的水系统,常用聚乙烯管或聚丁烯管作为换热器放于海水中,热泵机组中的载冷或载热介质通过塑料盘管换热器与海水换热,从而带走海水的冷热量实现能量的转移。其原理图如图.所示。置塑料换热盘管图.闭式海水源热泵系统该系统的优点是:.由于闭式系统中进行换热的工质是水或防冻液,不是海水,因此对海水水质无需特殊处理,不需要增设过滤和杀菌祛藻等装置,而工质与海水换热后直接进入热泵机组,同样无需增设其他换热设备,初投资和运行成本比开式系统较小,同时机组的换热器内不易结垢,降低了机组的维修费用;.由于不需要克服取水口至热泵机组的静水高度,因此源侧的循环水泵耗电量较开式系统要小;.海水与热泵机组不直接接触,因此热泵机组的换热设备如蒸发器和冷凝器无需进行特殊处理,扩大了热泵机组的选择范围,降低了投资成本。但闭式系统由于采用塑料盘管换热器,水下换热温差较小,因此换热效率比较低。.开式系统青岛理工大学硕士学位论文.开式直接式系统在开式直接式海水源热泵系统中,海水由水泵提升,直接进入热泵机组的蒸发器或冷凝器中,与工质换热,在热泵机组内循环后再通过排水管道输送回大海。其原理图如图?所示。排置图开式直接式海水源热泵系统该系统的优点是:.热泵机组的工质直接与海水进行换热,能降低传热温差,换热效率较高,可用于大型冷用户或热用户供冷或供热;.海水外网取水点可设置在深海中,但排水点可在近海,因此经过热泵机组换热后的海水对取水点处区域海水温度的影响较小,可保证取水区域海水温度的稳定。然而,由于海水直接作为换热介质,对换热设备的腐蚀较大,因此对汲水管路、水泵、换热设备等应采取安全可靠的防腐措施,并且要定期清洗检修,维护费用较高。.开式间接式系统在开式间接式系统中,海水经水泵提升后,经输送管道先进入换热器,在换热器内与热泵机组的回水换热,将冷热量传递给水环系统的载冷或载热介质,再通过介质循环将冷热量传递给蒸发器或冷凝器,放出冷热量的海水则通过排水管道输送回大海。其原理图如图.所示。青岛理工大学硕士学位论文。一莎砥叫忆一薹匕?电广?”?埒忆、;?巾叫二排入 海 ?置末端空调絮畸恩县水泵图.开式间接式海水源热泵系统开式间接式系统除了具有开式直接式系统的优点外,还由于与海水直接接触的设备只有换热器,当换热器受到腐蚀或管路堵塞时,只需对换热器进行更换或清洗。对于开式系统,应注意将海水取水口与排水口相隔一定距离,而且取水外网的布置不应影响该区域的海洋景观或船只等的航线。.海水源热泵的应用与研究.国外海水源热泵的应用与研究作为海水源热泵应用较多的国家,瑞典在利用海水源热泵为城市提供区域供热供冷的技术方面处于世界领先水平。世纪年代,瑞典斯德哥尔摩市建成了世界上最大的海水源热泵站用于城市的区域供热,其总供热能力为,由台供热能力为/台的.热泵机组组成,占整个城市中心管网输送量的% 。挪威于年在位于北极圈内的波多空军基地北纬.。设计安装了海水源热泵供热系统,该系统设计热负荷为,为该基地内的营房、工厂、飞机库及其它约四十处建筑供热。其中热泵设计容量为,其余热负荷由电锅炉及燃油锅炉承担。集中供热站距海岸,海水取自海洋深处,全年水温,降温至后排至海洋深处【】。等人对长崎市一栋商业建筑所日本九州大学的. 和采用的开式间接式海水源热泵系统进行了测试与研究,测试结果表明该海水源热泵系统夏季制冷工况下热泵机组和系统的能效比分别达到了.和. ;同时将该空调系统与冷水机组带冷却塔系统、空气源热泵系统以及开式直接式海水源热泵系青岛理工大学硕士学位论文。统进行了初投资、运行能耗以及维护费用等方面的分析比较【对某一水族馆中应用的带蓄冷装置的海水源热泵空在文献】中调系统进行了介绍,并指出海水源热泵系统不仅在运行成本上要低于空气源热泵和燃油锅炉系统,而且其所造成的排放量也要低于传统的空调系统。对开式海水源热泵的间接式系统和直接式系统进行了模拟计算与分析,结果表明两种系统在运行电耗方面几乎相等,而间接式系统的系统维护费用要明显低于直接式系统【】。.国内海水源热泵的应用与研究在国内的沿海城市中,将海水用于工业冷却已经有一定的历史,但是将海水作为空调系统的冷热源使用只是近些年才发展起来的。在海水源热泵的使用与研究方面,国内一些沿海较发达的城市,如青岛、大连、天津以及香港等地做了较多的工作,在建或已建成的海水源热泵系统工程也多集中在这些地区。青岛理工大学的于立强教授于年针对青岛东部开发区万建筑的冷热源。选择进行了建设大型海水源热泵站的可行性分析【大连理工大学的端木琳、李震、蒋爽等人对海水源热泵在我国的应用与发展前景、工程设计、经济与环境评价、海水热扩散以及泄放海水指标控制等问题进行了相关的研究陬。天津科技大学的陈东、乔木和苏立娟等人对以海水作为冷热源为城市集中供热供冷、海水源热泵装置的节能分析与材料优选、海水换热方案以及间接式海水热泵系统特性等问题进行了相关的研究。由于气候条件的关系,香港地区的空调系统以供冷为主,因此其相关的研究多集中在海水冷却的方面。香港城市大学的.对于在香港滨海地区利用海水冷却的方式进行区域供冷进行了可行性分析【,香港理工大学的王盛卫针对开式间接式海水源热泵系统,提出了海水循环泵变速控制的优化策略【。我国近几年在海水源热泵系统的工程利用方面也取得了很大的进展。年,我国第一个海水源热泵空调系统在青岛发电厂建成并投入使用,该系统在承担该厂职工食堂空调冷热负荷的同时,还可为职工浴室提供生活热水;年,目前国内最大的海水源热泵空调系统?建筑面积万的大连星海假日酒店开工建设;年,作为年北京奥运会比赛场馆之一的青岛国际帆船中心媒体中心建成,该工程建筑青岛理二大学硕士学位论文面积 ,由海水源热泵系统提供空调冷热水。.价值工程在工程设计中的应用在实际工程的方案选取时,关注点不同最终选择的最优方案也会有所不同。在综合考虑多目标因素时,价值工程提供了从多目标因素综合评价方案优劣的方法。要使实际工程在应用过程中的价值得以大幅度提高,以获得较高的经济效益,必须首先在工程设计阶段应用价值工程,使实际工程的功能与成本合理匹配。也就是说,在工程设计中应用价值工程的原理和方法,在保证工程功能不变或提高的情况下,力求节约成本,以设计出更加符合用户要求的成果。在设计阶段运用价值工程可降低成本?%【,这是在工程活动其他阶段应用价值工程难以达到的效果,值得充分重视。对每一工程设计来说,它都应当符合两条原则,即,一是要满足技术性能要求功能,二是整个寿命周期费用要尽可能最小。这两条原则是判别设计是否成功的标准,只有同时满足了这两条原则的设计成果才能充分满足社会的需要。而价值工程给工程设计达到达一目标提供了必要的手段。作为经济、技术、管理等学科的边缘学科的价值工程,其理论基础是建立在对产品的功能分析之上的,它所要研究解决的恰恰就是如何以最低的产品寿命周期费用,确保产品的必要功能的问题。工程设计决定着工程产品的目标成本。目标成本确定得是否合理,直接影响着产品的经济效益。在图纸设计之前确定成本可以对施工起控制指导作用,有利于降低建筑产品的实际成本,提高经济效益。只有在设计工作中应用价值工程的原理及方法,通过多渠道、多层次的信息研究分析,掌握世界先进技术水准,才能设计出先进并且满足社会需要的工程产品。.课题的提出与研究的意义.课题的提出青岛作为沿海城市,拥有丰富的海洋资源,从能源的长远发展角度看,新建建筑的能源供应优先考虑采用可再生能源。沿海区域海岸地势陡峭地区可以优先发展海水源热泵系统,以降低海水输配管道成本。沿海岸线的新建公共建筑如地铁站、写字楼等、住宅小区均应积极考虑应用海水源热泵集中供热、供冷、供生活热水。海水源热泵系统以海水作为空调系统的冷热源,采用热泵原理,通过少量的高位电能输入,实现冷热量由低位能向高位能转移,具有显著的节能效果【引,是海水这一绿色可青岛理工大学硕学位论文再生能源热利用的主要方式之一。因此住房和城乡建设部提出了沿海地区海水源热泵技术应用规划研究的研究计划,通过沿海地区海水源热泵技术应用研究,分析沿海地区海水源热泵技术应用形式和适用性,为沿海地区海水源热泵技术应用规划提供技术指导。本文工作为该项目研究内容之一,针对青岛地区,对于海水源热泵应用规划中的影响因素及关键问题进行分析研究。海水温度是影响海水源热泵系统性能的重要因素,同时取水深度也是海水源热泵工程中必须要考虑的因素之一。以往关于海水温度对系统影响的研究中,主要关注表层海水温度的变化规律,因此本文从纵向角度出发,在建立系统数学模型的基础上,通过分析垂向海水温度变化规律,分析不同取水深度对海水源热泵系统的影响。同时,海水取水管线也是海水源热泵系统区别于普通空调系统管网中的一部分特殊管线。以往对于供热管网或普通空调管网的研究都已相当成熟,针对管线比摩阻、流速或管径的设计选择提出了相应的参考规范。因此,本文针对海水源热泵系统取水管线的比摩阻对系统性能的影响程度进行分析,并提出优化方法,为工程设计提供参考。对系统的评价不仅要考虑技术方面的因素,经济性也是一项必须考虑的重要因素。本文从价值工程的角度,根据寿命周期成本系数和价值系数综合对比评价海水源热泵系统与传统空调系统。.课题研究的意义海水源热泵系统利用海洋中蕴藏的丰富热能为建筑提供冷热水资源,具有节能高效、绿色环保等优点,但是由于海水源热泵系统在我国应用的时间还不长,相关的研究还处于起步阶段,相应的产品及工程实例也比较少。通过研究海水源热泵系统在不同取水深度和取水管线比摩阻下系统性能的变化情况,将有助于海水源热泵系统的开发研究与系统设计;同时,依靠价值工程理论,对海水源热泵系统与传统空调系统进行比较分析,将有助于人们纵向对比各种空调系统的应用特点,有利于方案的优化选择。.课题研究的主要内容本课题研究的主要内容包括以下几个方面:.通过搜集海水温度资料,分析中国沿海主要是青岛所在的黄海海域的海水温青岛理工大学硕士学位论文度分布规律,拟合得出青岛海域表层海水温度和大气温度全年分布曲线及垂向温度分布云图。.建立海水源热泵系统各部件动态数学模型,运用简化计算模型对制冷工质进行热力性质计算,利用软件编制系统性能系数计算程序。通过实验测试,校验供热季和供冷季海水源热泵系统模型的准确性。据此应用所建立的数学模型分析取水深度和取水管线比摩阻对系统性能的影响。.在分析不同取水管线比摩阻对海水源热泵系统性能系数影响程度的基础上,以费用年值最小为评价指标,利用微分法对取水管线经济比摩阻进行动态优化,建立取水管线经济比摩阻的目标函数,以媒体中心为示例对其取水管线的比摩阻进行优化,并计算不同空调面积规模下的经济比摩阻、经济管径和经济流速。.利用价值工程原理,在对海水源热泵系统、水冷中央空调系统和风冷集中供热三种方案进行初投资和运行费用估算的基础上,通过对各方案进行功能分析和寿命周期成本分析,计算各方案的价值系数,并对海水源热泵系统的电价和初投资等敏感因素进行分析。青岛理工大学硕上学位论文第章青岛海域海水温度分布规律的研究海水为海水源热泵的低位冷热源,其温度的变化直接影响系统的性能,本章着重对青岛海域海水温度分布规律进行了分析研究。我国沿岸表层海水温度状况的地区差异显著,在不同的海域海水温度有着不同的变化特点。冬季,北方的渤海沿岸和辽宁南部沿岸最低水温在以下;而地处亚热带的广东省沿岸,最低水温则在以上。夏季,除了某些受涌升流影响的沿岸区水温较低外,其余各沿岸海区之间的海水温差较小。国家海洋局北海信息中心整理的渤海和黄海的海水温度分布图表明,渤海和黄海的海水温度月平均最低值出现在月,而月平均最高值则出现在月砷。青岛位于黄海海域。黄海面积万平方公里,平均深度米,由东南向北逐渐变浅,近岸水深多在米以内,唯南黄海中央及东南方位水深在米以上,最大深度位于济州岛北侧,深米。平均水深较大的黄海槽深米,自济州岛以南开始沿黄海中部向西北伸延,分别进入北黄海、青岛外海和海州湾。黄海是我国沿海温跃层最强的区域,其主要成因是每年冬季残留的黄海中央水团下层部分即黄海冷水团的存在。温跃层每年?月开始普遍出现,跃层深度多在.米之间,厚度大部分小于米;月以后强度和范围逐步增大,至.月达到最强,深度一般小于米,此时厚度最小;月以后开始衰退,到月基本消失。强温跃层区位于北黄海中部和青岛外海,其西侧基本沿米等深线分布。表 年各海域表层海水平均温度】冬季 春季 夏季 秋季. . .渤海. . . .黄海. . . .东海. . . .南海表.为年我国各海域表层海水在木同季节的平均温度,从表中可以看到,与我国大陆气温的变化相类似,海水温度也按照地理位置从南到北逐渐降低。而且各海域海水温度之间的差异在冬夏季也不相同,其中冬季各海域的海水温度差异明青岛理工大学硕十学位论文显,温度最高的南海与温度最低的渤海之间的温差达到了.;而在夏季,各海域的海水温度则趋于一致,温差在.以内。.青岛海域表层海水温度分布规律的统计与分析海水温度是海水源热泵系统设计的关键参数,它直接影响到系统冬、夏季的取热量和排热量。海水温度选择的合理与否直接决定着海水源热泵系统能否安全可靠的运行,因此研究海水温度的分布与变化情况有着重要的意义。海水温度是表征海水冷热程度的物理量,海水温度的高低取决于太阳辐射、大气与海水之间的热交换、海水的蒸发以及沿岸地形和洋流等因素。海水温度在地球表面的分布受到纬度、地球表面的高度、海陆分布状况以及大气与海洋之间热量平流等因素的影响【,海水温度一般随纬度的增加而降低,图.【为在不同纬度下表层海水温图.不同纬度下的表层海水温度度的变化情况。青岛位于山东半岛南端,黄海之滨,三面环海,海岸线总长公里,海湾处,海岛个,拥有近海海域.万平方公里,海水资源非常丰富,优越的自然地理条件为海水源热泵在青岛市的应用提供了得天独厚的条件。在这种形势下,研究青岛海域海水温度的变化规律就具有很重要的意义了。表.的数据说明,大气温度与海水温度之间存在着一定的联系,而且根据对青岛市小麦岛海洋观测站提供的年间海水温度和大气温度月平均观测值的分析,发现海水温度与大气温度的年变化曲线接近于余弦曲线,因此可以将其表示成二阶傅立叶级数的形式:.? 式中:?温度逐月变化值,;乙?温度年平均值,;?温度波全年分量的振幅,;青岛理大学硕士学位论文口?温度波全年分量的位相;嘭?温度波的角频率,/;?时间,月;以?温度波半年分量的振幅,;矾?温度波半年分量的位相。式?中的、。、:为待定系数,可以使用最小二乘法对海水温度和大气温度的年变化情况进行曲线拟合,从而得到海水温度和大气温度的年变化曲线。在的最优化工具箱中提供了函数,可以解决最小二乘曲线拟合的问题【,本文利用该函数对青岛海水温度和大气温度的各月平均值进行了拟合。拟合得到的青岛海水温度年变化曲线为:.也翻拟合得出的青岛大气温度年变化曲线为:.川协,海水温度年变化拟合曲线 大气温度年变化拟合曲线图青岛海域海水温度与大气温度的年变化拟合曲线图?为根据式和?绘制出的青岛海水温度和大气温度的拟合曲线,从中可以看到,拟合曲线与原始观测数据比较接近,说明拟合效果较好,同时也说明用二阶傅立叶级数表示海水温度和大气温度的全年变化情况可以满足工程分析要求。图.所示为青岛地区海水温度和大气温度的对比。青岛理工大学硕十学位论文图.青岛海水温度与大气温度的年变化曲线比较.青岛海域垂向海水温度分布规律的统计与分析海水温度在垂直方向上的变化,总的来说是随着深度的增加而降低。由于黄海海洋温度的垂直结构具有典型的季节变化特征,冬季海温垂向较均匀,春季由于大气加热作用逐渐形成温跃层,到夏季温跃层最为强盛,秋季由于气温下降,海洋温跃层强度衰退,冬季又呈垂向均匀分布。青岛外海强温跃层区的分布,在温跃层深度内随取水深度的变化海水温度有明显变化,在到达黄海冷水团后海水温度趋于一个稳定值【】图?为山东半岛附近海域海水深度的变化云图。图中划线处两断面分别为渤海中部断面和。断面。渤海中部断面穿过渤海中部及整个辽东湾,在渤海具有代表性,。断面上的黄海冷水团和黄海暖流分布和变化显著,在黄海具有代表性,因此选用这两个断面作为研究对象。青岛位于.。和.。,如图中点所示位置。青岛外海与。断面温度分布规律类似,具有强温跃层分布,在到达黄海冷水团后温度趋于一个稳定值,且由图中可看出,深度变化规律基本一致,因此青岛地区参考。断面的水深及温度数据。青岛理大学硕十学位论文.固。 一了 一窝 一 一警 一麓 .: 一?十?:?一麓 图.山东半岛附近海域海水深度变化背景底色为水深【图?显示了 年夏季。断面的实测温度变化云图,从图中可以看出,约在范围内存在混合层,温跃层位于之间,底部存在一个冷水中心。狮嘶咖咖嘶溉油图 年夏季。断面的实测温度四青岛理工大学硕士学位论文图显示了。断面冬季温度实际观测温度,从图中可以看出,此断面温度垂向混合均匀,海区中央水温明显高于两岸,冬季黄海暖流在。范围之间。. .嘶、.阿,;撕.强。图 年冬季。断面的实测温度九青岛理工大学硕十学位论文第章海水源热泵系统数学模型及实验验证为了准确分析海水源热泵系统的应用性能及其影响因素,本章通过建立海水源热泵系统各部件的数学模型,以为平台,编制系统计算程序,并通过实验测量校验模型的准确性。.数学模型的建立在模型建立过程中,应考虑诸多影响因素,如模型的精确性、通用性、校准、适用范围以及计算需求等。通常建立的模型有经验模型和理论模型两种。经验模型的优势在于不需要考虑系统详尽的物理理论知识,但其可靠性只在取用的数据范围内得以保证,外延性较差;理论模型几乎完全以物理学知识为基础建立,在模型内部假设条件合理的情况下均可得到有效模拟结果【。考虑到需研究不同影响因素如取水深度即不同海水温度、不同取水管线比摩阻时,海水源热泵系统性能变化,因此本文以物理学基本理论为依据建立海水源热泵空调系统中各部件的理论数学模型。海水源热泵系统主要由三部分组成,用户末端、热泵机组和海水换热部分,因此整个系统能耗由负荷侧水泵能耗、机组能耗和海水潜水泵能耗三部分组成。.压缩机数学模型制冷压缩机是压缩式制冷装置的一个重要设备。压缩机数学模型的使用目的直接决定了其模型形式【。在全负荷条件下,压缩过程被认为是等熵过程,电动机的机械损失作为常数处理,压缩机消耗的功率,一部分用于压缩制冷剂气体,一部分用来克服机械摩擦。模型中不考虑制冷剂泄漏量。在封闭式涡旋压缩机中,系统的状态参数变化过程极快,因此假设工质热力参数均匀,采用集中参数法建立其数学模型。而且压缩机的时间常数,要远小于冷凝器、蒸发器等的时间常数,可视为稳态系统,故用稳态的集中参数法建立压缩机的数学模型。.质量流量可用下式计算】:洲棚洲聊?育青岛理大学硕十学位论文.压缩机等熵压缩效率可用下式计算:?瓮.压缩机输入功率可用下式计算:袁华.压缩机制冷量可用下式计算:.,。一心。.冷凝负荷可用下式计算:一.冷凝器数学模型在冷凝器中进行的热交换过程通常可视为等温过程,即制冷剂仅经历相变过程,因此不考虑从压缩机出来的过热蒸汽的减温过程。冷凝器中共经历三个状态演变过程:全过热状态、出现冷凝两相区、可能出现过冷。对于卧式壳管冷凝器,全部管束分为三个流程,高温高压气态制冷剂由上部进入管束外部空间,冷凝后的液体由下部排出,冷却水从一端封盖的下部进入,顺序通过每个组管,最后从同一端封盖上部流出。建立冷凝器动态模型时,制冷剂侧分为冷凝和过冷两个空间区域,管壁划分为。个区域,其中,。个区域对应制冷剂冷凝区域,个区域对应过冷区域。冷凝区域内包括过热蒸汽和冷凝后的液态制冷剂。数学模型建立如下】:,.,鲁簏疡,矿划箍痧氆妒鲁差步私一三%吲愕诚吲,协,虹巡笔者赣墨笋 %成/勿。蝣一硝一圪其中,进入冷凝器的冷却水温度为正。,经冷凝器换热后的冷却水温度为,青岛理工大学硕士学位论文作为模型计算中的输入条件。对于冷凝器来说,一般使冷凝后的液态制冷剂达到一定的再冷度,以提高制冷系统的制冷能力,同时也更有利于液态制冷剂的输送。工程中为了获得较大的再冷度一般有两种方法:一种是使冷凝器底部的部分传热管浸没在被冷凝下来的液态制冷剂中;另一种则是独立设置再冷却器【。采用冷凝下来的液态制冷剂浸泡部分传热管时,由于液态制冷剂与刚进入冷凝器的冷却水通过管壁进行热交换,可使液态制冷剂有较大的再冷。但是,浸泡式传热面的换热属于自然对流换热,传热系数颇低。而对于再冷却器,冷却水在内管中自下而上流动,液态制冷剂在内管外部环形空间中在上而下流动。这种与冷凝器分离的再冷却器,一是可以使之进行强迫对流换热,二是可使冷却水和液态制冷剂之间呈逆流式热交换,因此,再冷能力更强】。再冷却器数学模型建立如下:鲁箍疡吲簏蛀瓦二吲.鲁簏嘤阶扣删】去吃乙删生去荔盯吲揣飘乙其中,在再冷却器冷却后的液态制冷剂温度作为冷凝器的输入温度乙。瓦。.电子膨胀阀数学模型节流装置是制冷空调装置的一个重要部件。它的作用是将高压液态制冷剂进行节流降压,既可以使蒸发器中的液态制冷剂在要求的低压下蒸发吸热,又保证冷凝器中的气态制冷在给定的高压下放热冷凝;同时调节供入蒸发器的制冷剂流量,以适应蒸发器热负荷变化【州。电子膨胀阀与热力膨胀阀对照其优点在于:电子膨胀阀对蒸发器出口过热度的控制更优越,只需通过改变控制程序中的源代码,就可改变过热度的设定值;电子膨胀阀的适用温度低,其感温部件为热电偶或热电阻,它们在低温下同样能准确反映出过热度的变化;电子膨胀阀灵敏、迅速,其在调节时直接检测蒸发器出口真实过热度,信号传递快,调节反应迅速,阀本身也有很好的线性流量特性,便于集中控制。电子膨胀阀采用孔板方程【矧来建立模型,即将电子膨胀阀在不同开度下的物理模青岛理工大学硕士学位论文型等效为一系列开口面积可变化的孔板,这是一种研究电子膨胀阀内制冷剂流动特性的经济有效的方法。电子膨胀阀模型的假设为:制冷剂流动为绝热流动,且流速较高;冷剂在内部做一维流动,且出口气液两相混合均匀。制冷剂流过电子膨胀阀的过程可近似认为是等焓过程:,。式中:?电子膨胀阀进口处制冷剂比焓,/姆厅。?电子膨胀阀出口处制冷剂比焓,杉/姆流量计算【】:.盯.?:式中:一通过电子膨胀阀的制冷剂质量流量,奴/;?电子膨胀阀的流通面积,聊;一只为阀前后的压降,;?电子膨胀阀入口处制冷剂的密度,姆/仃?流量系数,其经验公式为【:仃.式中:?膨胀阀入口处液态制冷剂密度,堙/?膨胀阀出口处制冷剂比容,/./.蒸发器数学模型蒸发器的作用是通过制冷剂蒸发沸腾,吸收载冷剂的热量,从而达到制冷的目的。对于干式壳管蒸发器,制冷剂在管内流动,而被冷却液体在管束外部空间流动,简体内横跨管束装有若干块隔板,以增加液体横掠管束的流速。液态制冷剂经电子膨胀阀降压,从下部进入管组,随着在管内流动不断吸取热量,逐渐气化,直至完全变成饱和蒸气或过热蒸气,从上部接管流出,返回压缩机。管束分为两个流程,随着制冷剂沿管程流动,其蒸气含量逐渐增加,所以,后一流程的管数多于前一流程,以满足蒸发管内制冷剂蒸气比容逐渐增大的需要。建立蒸发器动态模型时,制冷剂侧被看作一个区域,即蒸发区域,蒸发区域中包青岛理工大学硕十学位论文括两相区和过热区;管壁和载冷剂侧平均分为刀,个区域。同时提出以下假设【】:制冷剂在管内沿轴向一维流动,两相流在同一截面上汽液相压力相等,两相区和过热区均处于热平衡;不计管壁的轴向传热;忽略两相区压降对蒸发温度的影响,以完全蒸干点处的压力来计算蒸发温度。以过热区完全蒸干点处的压力和过热度的一半来计算制冷剂物性;蒸发器载冷剂侧热容量较小,则其质量和能量的积聚忽略不计,载冷剂温度场均匀,取平均温度。数学模型建立如下:,.,吃等盖磊麓,簏丢乙吲一,鲁箍艺一扛吲愕以。”劭四亟:竺垒咝竺兰坠二二竺:坠二型】“圪露/和。鹾一鳞一圪其中,进入蒸发器的冷冻水温度为瓦。,经蒸发器换热后的冷冻水温度为,已。作为模型计算中的输入条件。.板式换热器数学模型在海水源热泵系统中,若采用开式间接式系统,用换热器将海水与热泵机组分隔开。海水经水泵提升至换热器,在换热器中与热泵机组回水换热,在制冷工况下,将海水的冷量传递给水环系统的换热介质,通过换热介质的循环将冷热量传递给热泵机组,放出冷量后的海水通过排水管道输送回大海。.板式换热器的热力计算应用传热基本方程式【】:?。式中:?传热量,驯;么?换热面积,;?总传热系数,?;,。?传热平均温差,足.热平衡方程式】:青岛理大学硕:学位论文?,。:一:;一;.。卜五:醚一噬式中:,、:?分别为热流体与冷流体的质量流量,堙/;。、:一一分别为两种流体在和。温度范围内的平均定压质量比热,.;、吖?分别为热流体进、出口状态的焓,霓/;噬、醚?分别为冷流体进、出口状态的焓,/、?分别为热流体进、出口状态的温度,厶;?分别为冷流体进、出口状态的温度,.对数平均温差:乙五互颤一式中:。、?分别为冷却剂的进出口温度;。?为制冷剂的冷凝温度。.总传热系数计算公式:,去。妄:去式中:口。、?分别为板片两侧的传热膜系数,七叫.;、?板片两侧污垢系数,分别取,.,.;万?板片厚度,;?板片导热系数,/?.板式换热器的压力损失】:卸厶击譬,式中:?压力损失,;厶?摩擦系数;?流道长度,/;见?流道平均当量直径,;青岛理工大学硕士学位论文?介质的密度,堙/;?流道内介质的平均速度,/;刀?换热器程数。.水泵运行能耗的计算.水泵流量可由下式计掣】:三:?望. ?式中:?流体的体积流量,/;?负荷侧以制冷量计算,源测以冷凝负荷计算,;口?流体的定压比热,材/.;?流体的密度,/;缸?进出口温差,。.水泵轴功率可由下式计算:只器式中:?流体的容重,/;日?水泵的扬程,;,?水泵的效率。.水泵的电机功率可由下式计算:?只?水泵的电机功率等于水泵轴功率乘以系数,值根据轴功率不同其取值见表.表.水泵电机功率计算系数取值轴功率/ 系数.青岛理大学硕学位论文.海水源热泵的性能参数性能系数是衡量热泵效率的指标,它表示的是热泵制冷量或制热量与其所消耗功率的比值。本文中又分别对热泵机组的性能系数和海水源热泵系统的能效比进行分析讨论,其中热泵机组的性能系数为:?/最式中:卯?热泵机组性能系数;?制冷量或制热量,;只?热泵机组耗功率,。而海水源热泵系统能效比为:./巳弓式中:髓?海水源热泵系统能效比;只?源测水泵输入功率,;尸,?负荷侧循环泵输入功率,。.制冷剂的热力性质对于制冷剂热力性质的计算,主要介绍两类方法:一类是状态方程方法。主要包括四种常用的状态方程,分别为马丁.侯.方程、方程和?方程、.?自由能状态方程:另一种是简化的多项式函数拟合法,这种方法适用于工程计算,特别是装置及过程的仿真和优化等需要大量物性计算的场合【】。在年提出了一套可用于系统仿真的制冷剂热力性质简化计算模型【,这套制冷剂热力性质简化模型简单、实用、计算量小,得到了较多系统仿真研究者的青睐。对包括、和在内的常用制冷剂热力性质进行了拟合,之后丁国良利用模型对近年来颇受青睐的碳氢制冷剂丙烷和异丁烷进行了拟合【。、蒸汽压力与饱和温度在制冷剂热力性质的计算中,本文采用作制冷剂。饱和压力和饱和温度之间经常要求可逆计算,借鉴了方程的形式删,即青岛理工大学硕士学位论文.口/一卜口表.给出了拟合系数及拟合的精度。表. 蒸气压和饱和温度的拟合系数口 口 %. . . .注:为在拟合范围内,拟合结果与参考数据源之间的最大差值。、制冷剂的焓液态焓液体制冷剂的焓值几乎与压力无关,则可用下面的三次多项式来计算液体焓:.岛吩口丁表 液体焓的拟合系数。 %口。 口淝 . . . .注:为在拟合范围内,拟合结果与参考数据源之司的最大市对误差;口值凶基准点的不同痂不同。表.中的口。有两个值,这是由于不同的基准点定义所造成的。在美国采暖、制冷与空调工程师协会标准中,规定一时,制冷剂液体焓/:而在国际制冷协会标准中,规定时,/。由于在实际使用中,只有焓差是有意义的,故只要采用同一个基准点,就不会在使用中造成混淆。由于软件采用的是标准,因此本文在对热力性质的编程计算中也使用标准。气体焓、饱和气体焓由饱和温度计算饱和气体焓的多项式可采用下式:?以丁.。表 饱和气体焓的拟合系数%口。. . .也 .注:为在拟合范围内,拟合结粜与参考数掰源之司的最大相对误差。表中的为便用标准的数值,对于标准,?、饱和气体焓由和程序的计算结果,建议用下列形式的多项式:?,.良刍考虑到上式不能直接线性回归,故用下式替代:饥/玩瑶%丁磕%严瑶严.表. 过热气体焓的拟合系数 , 口%.。 。 枷. . . . . . .制冷剂的比容、饱和气体比容拟合饱和气体比容采用的方法是先用一个指数关系式,然后用一个多项式作为纠正因子,得:.%口/.口口表 饱和气体比容的拟合系数%?。 . . . . . . .注:为在拟合范围内,拟合结果与参考数据源之间的最大相对误差。、过热气体比容用于过热气体焓的拟合思路也适用于比容,式?的形式被认为是合适的,但为了便于线性回归,采用了式的形式。对于已知压力,过热度的气体,压力下的饱和温度,可由式求得,然后根据式.估算饱和气体青岛理工大学硕士学位论文比容%,最后得:? /口岛口%口强丁以丁表?给出了式.中系数和拟合误差。与前面几种热力性质的拟合误差相比,式.的拟合误差要大一些,这说明式.尚需进一步改进。表. 过热气体比容的拟合系数彳%。彳%曲 。. . . . . . . .注:为/%的拟台结果和参考数据之间的最大相对误差:为对,和,饱和温度在一之间,过热度为:对于,饱和温度一?,过热度为拟合结果与参考数据源之间的最大相对误差。.基于的海水源热泵系统计算程序编制.龙格一库塔法在.中对于系统各部件数学模型的陈述可知,其数学表达形式多为常微分方程,对于常微分方程的求解问题,由于方程组较复杂,很难得出一般解,因此期望获得解在若干个点上的近似值。考虑常微分方程的初值问题: