污水源热泵系统的工况研究与优化设计

国内图书分类号：X703.3国际图书分类号：628.2工学硕士学位论文污水源热泵系统的工况研究与优化设计硕士研究生：庄兆意导师：孙德兴教授申请学位：工学硕士学科、专业：供热、供燃气、通风及空调工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2007年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：X703.3U.D.C.：628.2ADissertationfortheMasterDegreeinEngineeringWORKCONDITIONRESEARCHANDOPTIMIZATIONALDESIGNOFTHESEWAGESOURCEHEATPUMPSYSTEMCandidate：ZhuangZhaoyiSupervisor：Prof.SunDexingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：Heating,GasSupplying,Ventilating&Air-conditioningEngineeringAffiliation：SchoolofMunicipal&Environ.Eng.DateofDefence：July,2007Degree-Conferring-Institution：：HarbinInstituteofTechnology摘要-I-摘要随着可持续发展战略中环保和节能这两大主题的不断深入，各种低温热源，诸如地下水、土壤、太阳能、余热、废热、城市污水等不断加入到城市热源的行列中来，尤其是城市污水更是显示出了强劲的发展潜力。污水源热泵系统换热工况的选择是系统设计的关键，这些参数的选择，必须在保证系统正常使用效果的同时，还必须满足经济性要求，包括初投资和运行费用两方面。本文对污水源热泵系统实际工程中冬季的运行参数进行了检测。根据实际测量的相关数据，分析了一、二级污水泵的匹配对污水防阻机性能的影响，污水进口温度、进出口温差对系统性能的影响，水泵能耗在系统总能耗中的比例。并据此给出了系统中一、二级污水泵的选择原则和依据，系统运行时的调试方法，为污水源热泵系统的工程设计、运行提供理论依据。以动态的年计算费用为目标函数，以污水源热泵系统各环路的设计参数为优化参数，分别推导了系统的初投资和运行费用的优化目标函数，根据实际工程运行中的测试数据完善了优化过程中的约束条件，编制MATLAB程序来对系统设计参数进行优化，并结合实际算例给出了系统参数设计值，分析了个别参数变化时对系统年计算费用和系统机组性能的影响。在系统环路最优化设计参数确定的基础上介绍了污水—中介水换热器的设计方法和原则，结合实际工程例子给出了换热器的设计步骤和方法，并在有限时间热力学理论基础上建立了系统的换热面积和机组性能的数学模型，结合实际算例给出了系统换热面积的优化设计。关键词污水源热泵；优化设计；初投资；运行费用；换热面积哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II-AbstractWiththefactthatenvironmentalprotectionandenergysavingofsustainabledevelopmentdeeplyincreased,variouslow-temperatureheatsourcebroughtintocityheatsource,suchasundergroundwater,solar,soilenergy,excessheat,wasteheatandurbansewage;especially,theurbansewagehasstrongdevelopmentalpotentialability.Thekeyofsystemdesignistheselectionofheattransferworkingconditionofsewageheatpumpsystem.Theselectionoftheseparametersissupposedtobeassuretheeffectofsystem,andsimultaneoussatisfytheeconomicalefficiency,includingfirstcostandoperatingcost.Thepaperhastestedthewinteroperationparameterofsewageheatpumpsysteminarealproject;accordingtotherelevancedatathatpracticemeasuring,theeffectofmatchingbetweenone-stageandtwo-stagespumpstoclogproofmachinehasanalyzed;andalsotheimpactoftheentrancetemperatureandentrancetemperaturedifferencetosystemfunction,theproportionofpumpenergyconsumptioningeneralenergyconsumptionofsystemhavebeenshowninthepaper.Basedontheseanalysestheselectionprincipleandbasishavebeengiven.Thesystemsettingmethodprovidesthetheorybasisofsewageheatpumpsystemengineeringdesignandoperationadministration.Takingthedynamicyearcalculatescostastargetfunction,anddesignparametersofeverycirclepipeinsewageheatpumpsystemasoptimizeparameters,firstinvestandoperatingcostoptimizationtargetfunctionofsystemhavebeendeduced.Accordingtotestingdatainactualprojectconstraintconditioninoptimizingprocessisperfect.MATLABprocedurehasbeenworkedouttooptimizethesystemdesignparameter.Combinationwithanexamplethesystemdesignparametershavebeengiven;andalsotheeffectofindividualparameterstosystemyearcostandsystemunitperformanceisanalyzed.Basedonthedeterminationofcirclepipesoptimizationparametersandcombinationwithanactualproject,thedesignproceduresandprincipleofdesignthesewage-clearwaterheatexchangerhavebeenintroduced.Themathematicmodelofsystemheattransferareaandunitperformancehavebeenestablishedbasedonfinite-timethermodynamicstheory,andthespecificoptimizationdesignAbstract-III-hasbeenshowncombinationwithanactualproject.KeywordsSewageheatpump；Optimizationdesign；Firstcost；Operatingcost；Heattransferarea哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-IV-物理名称及符号表H——扬程i——部门内部标准收益率wG——系统污水流量hQ——系统冬季设计热负荷rQ——系统夏季设计冷负荷b——漏水率g——温度系数l——沿程阻力系数F——换热器面积g——重力加速度u——流速a——流量系数S——输送管道长度d——输送管道直径k——管道的当量绝对粗糙度r——液体的密度eN——设备的功率N——换热管单程并联总根数e——电的价格n——每台换热器并联的管数K——传热系数mtD——对数传热温差d——孔心距n——运动粘度系数h——对流换热系数f——穿管率,rhTT——系统供热空调时满负荷的运行时间L——换热器内管单根串联总长度,whwrtt——污水的冬夏季温度目录-V-目录摘要..........................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................II物理名称及符号表...............................................................................................IV第1章绪论...........................................................................................................11.1课题背景......................................................................................................11.1.1建筑能耗与环境污染问题...................................................................11.1.2污水热能资源化的意义.......................................................................11.1.3污水源热泵的特点与优势...................................................................21.2国内外研究综述..........................................................................................31.2.1污水源热泵系统的应用现状...............................................................31.2.2污水源热泵系统的设计现状...............................................................51.3本文研究的目的和意义..............................................................................61.4本文的研究内容..........................................................................................7第2章污水源热泵系统冬季工况的实测与分析...............................................82.1实验工程系统..