基于蒸汽压缩式热泵机组冷凝热回收的热水循环系统的技术性和经济性研究

摘要

随着人民生活水平的提高，中央空调系统在建筑领域得到了广泛的应用。同时，其运行所产生的能耗也越来越大，推广空调节能技术势在必行。众所周知，处于夏季制冷工况的集中式空调系统的冷水机组，它既提供给整个楼宇空调系统所需的冷负荷，又需要将冷凝器中产生的大量冷凝热排出，保持冷凝压力稳定。这部分冷凝热，其量值可达制冷量的1.15～1.3倍。一般情况下，这些冷凝热是通过循环冷却水系统直接排放到大气环境中，造成了能源浪费;同时，这些热量的散发又会导致周围环境的温度升高，一定程度上加剧了城市的热岛效应。因此，能够将这部分冷凝热回收的新节能技术已经成为研究的热点问题，也受到了人们的广泛关注。
　　传统的冷凝热回收技术多是对夏季制冷工况的研究，很少涉及到冬季制热工况。本文基于热力学建模机理和冷凝热回收技术，设计出一个与蒸汽压缩式热泵机组配套的热水循环系统。在夏季制冷工况，它能够充分回收蒸汽压缩式热泵机组运行所产生的冷凝热，用以制取温度适中的生活热水，储存于保温水箱中，满足楼宇用户的卫生、洗浴需求;在冬季制热工况，它吸收部分冷凝热后，在蒸发器中释放热量，使液态制冷剂汽化，满足热泵机组制热模式的运行需求，从而代替传统热泵机组配套的地下水源或者土壤源子系统。
　　本文选取兰州市某宾馆的蒸汽压缩式热泵机组作为研究对象，为其设计了可回收冷凝热的热水循环系统。并通过热力学建模及仿真，对该热水循环系统进行了性能分析，主要研究内容如下:
　　1.针对本文的研究对象，建立了相应热水循环系统的热力学模型;对其组成和运行模式，进行了工作机理分析。
　　2.根据研究目标，对该热水循环系统中的主要设备进行了选型和计算。
　　3.对该热水循环系统的关键运行参数，如出水温度、进水温度、水箱内水温的变化情况进行了数值模拟，得到了相应的参数逐时变化曲线。仿真结果表明，该热水系统在理论和技术上是可行的，表征系统的关键参数均能满足热泵机组制冷与制热工况的要求;且该系统能够吸收热泵机组运行所产生的冷凝热来制取楼宇用户所需求的生活热水，节约了能源的同时也降低了经济成本。
　　4.基于费用年值法和静态投资回收期指标，将该热水循环系统辅助的热泵机组与地下水源热泵机组进行了经济性比较，发现在初投资、费用年值和投资回收期这3个方面，前者均优于地下水源热泵机组。
　　5.该热水循环系统在夏季可以回收冷凝热制取生活热水，不仅减少了冷凝热的排放，而且无需消耗加热生活热水所需的化石燃料。这直接降低了CO2的排放量，具有显著的节能和环保作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出

1．2 课题研究背景及意义

1．2．1 国内外暖通空调设备的能源使用状况

1．2．2 我国暖通空调系统的节能降耗现状

1．2．3 国内外空调系统的冷凝热回收技术综述

1．3 本文的主要研究内容

1．3．1 热水循环系统的作用及其热力学建模

1．3．2 热水循环系统的数值仿真及其性能分析

第2章 热水循环系统的工作机理及其热力学建模

2．1 热泵技术的简介

2．2 蒸汽压缩式热泵的工作原理

2．2．1 制冷模式下蒸汽压缩式热泵的工作原理

2．2．2 制热模式下蒸汽压缩式热泵的工作原理

2．3 可回收冷凝热的热水循环系统的工作机理

2．3．1 热水循环系统的工艺流程

2．3．2 夏季制冷-制取生活热水模式

2．3．3 冬季制热模式

2．3．4 过渡季节制取生活热水模式

2．4 可回收冷凝热的热水循环系统的热力学建模

2．4．1 夏季空调模式下水箱进、出口水温的变化规律

2．4．2 冬季空调模式下水箱进、出口水温的变化规律

2．4．3 过渡季节模式下水箱进、出口水温的变化规律

2．5 本章小结

第3章 热水循环系统主要设备的选型计算

3．1 蒸汽压缩式热泵机组的选型计算

3．1．1 研究对象的空调冷负荷计算

3．1．2 研究对象的空调热负荷计算

3．1．3 蒸汽压缩式热泵机组的选型

3．2 保温水箱的选型计算

3．3 板式换热器的选型计算

3．3．1 板式换热器的特点

3．3．2 板式换热器的确定

3．4 辅助电加热器的选型计算

3．5 本章小结

第4章 热水循环系统关键工艺参数的数值仿真及其性能分析

4．1 夏季空调模式下水箱进、出口水温的变化

4．1．1 水箱进、出口水温的逐时变化曲线

4．1．2 相应的热水循环系统的性能分析

4．2 冬季空调模式下出口水温和水箱水温的变化

4．2．1 无电加热时出口水温和水箱水温的逐时变化曲线

4．2．2 有电加热时出口水温和水箱水温的逐时变化曲线

4．2．3 生活热水系统中水箱水温的变化规律

4．2．4 相应的热水循环系统的性能分析

4．3 过渡季节空调模式下出口水温、水箱水温的变化

4．3．1 水箱进、出口水温的变化曲线

4．3．2 相应的热水循环系统的性能分析

4．4 本章小结

第5章 热水循环系统的经济性和节能分析

5．1 基于费用年值法的经济性比较

5．1．1 费用年值法

5．1．2 各方案初投资Ci比较分析

5．1．3 各方案年运行费用Ck的比较分析

5．1．4 各方案费用年值Ak比较分析

5．2 方案的技术经济性评价分析

5．2．1 静态投资回收期

5．2．2 方案静态投资回收期指标的评价

5．3 节能分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文