论文部分内容阅读
热源塔热泵技术作为一种新型的建筑冷热源解决方案,相较于现有的冷热源方案,热源塔热泵技术拥有诸多优势。然而在现阶段的研究中,该技术存在着理论模型不够完善,塔内热湿传递特性研究不够全面,热源塔热泵系统的全年运行特性分析不够深入等问题,制约了该技术的发展和应用。本文通过理论研究结合数值仿真模拟以及实验验证相结合的方法,对热源塔装置内的热湿传递规律、复合式系统的运行特征进行了分析,最后对热源塔热泵系统的地区适用性进行了分析。首先,本文提出了一种同时适用于横流式与逆流式热源塔的数学物理模型。区别于以往的热源塔模型中固定刘易斯准则数的假设。在该模型中,刘易斯准则数为变化值。本文将耦合模型中的热湿交换过程进行解耦,通过将温度差值和含湿量差值分别作为热量与质量传递过程的驱动势进行推导,完成了对变化的刘易斯数的计算。在改进后的模型中,还将水蒸气的汽化现象考虑在内,加入了对汽化潜热的计算。提高了模型的精确性。并且最终的模型改进了以往复杂的隐式格式,采用显式差分格式进行表达。在此基础上,分别对横流式与逆流式热源塔进行了实验验证。其次,本文揭示了两种形式热源塔内部的热湿交换规律,分析了各参数对热源塔传热传质的影响,并对塔内的湿传递特性进行了分析。通过热源塔内显热换热量、潜热换热量、潜热比以及加热效率和逼近度等指标,详细分析了空气温度、空气含湿量、空气质量流量、溶液温度、溶液流量、填料间距及填料孔隙率等参数的影响。随后,本文采用遗传算法,结合11种单参数约束指标对基础参数同时变化时的热源塔性能进行了极限工况分析,定量计算了7种基础参数同时变化时的热源塔性能指标的变化范围,并利用帕雷托图建立了热源塔三种多参数组合下的最优边界,该部分的数据可以为工程应用提供借鉴和参考。在此基础上,对热源塔内的湿传递特性进行了研究,并且分析了三种典型相对湿度下的热源塔内的湿传递规律。再次,本文完成了对热源塔热泵系统及其复合式系统的全年动态仿真模拟。建立了分别适用于Matlab和TRNSYS软件的热源塔模块及热源塔热泵系统模块,分别使用C语言及Fortran语言对模型进行描述并封装,并且对封装后的组件进行了二次开发,搭建了包括地源热泵、空气源热泵及热源塔热泵的热泵复合式系统的TRNSYS模型,并完成了全年动态仿真,计算了机组及系统运行费用,结果表明,相较于空气源热泵机组,地源热泵及热源塔热泵机组运行费用分别节省了63.59%和41.79%,系统运行费用分别节省了43.82%和15.02%。通过所模拟的数据,首先讨论了热源塔热泵方案中热泵机组及系统全年中的COP变化规律,进而对热泵机组与系统COP及两者差值在供暖季中的规律进行了分析,并对供暖季中地源热泵、空气源热泵及热源塔热泵机组COP与室外空气干球温度的关系进行了讨论。结果表明,供暖季中,地源热泵机组COP均值最高,但波动较大。热源塔热泵机组COP略低于地源热泵机组,但波动较小。地源热泵机组比热源塔热泵机组COP提高了17.44%,地源热泵系统比热源塔热泵系统COP提高了26.71%。供冷季中,热源塔热泵机组COP均值最高,且波动最小。相较于空气源热泵和地源热泵,热源塔热泵机组COP分别提高了56.38%和4.58%。地源热泵系统COP均值及波动程度最大。地源热泵系统相较于空气源及热源塔热泵系统,其系统COP分别提高了28.25%和3.67%。并建立了机组COP与室外空气温度的关联式。最后对供暖季中溶液进出口温度、凝结水量的变化进行了分析,并研究了典型日内的两种形式热源塔全热换热量的差异。最后,对热源塔热泵复合式系统在成都、重庆、武汉和长沙四个地区的适用性进行了研究。在该部分中,首先对供暖季、供冷季以及全年运行下的机组及系统COP在不同地区的差异进行了讨论,得到了不同地区热源塔热泵COP的变化范围。随后,研究了溶液进出口温差及热源塔逼近度在不同地区中的分布规律,得到了不同地区热源塔溶液进出口的变化范围及不同地区之间的逼近度差异。进而,对不同地区的热源塔内的凝结水量及溶质质量分数的变化规律进行了研究,结果表明,热源塔内的凝结水量波动较大,凝结水量的最高值比最低值提高了313.74%。凝结水量占比始终较小,该比例在0.088%至0.62%之间波动。且成都地区的热源塔内凝结水量均值比武汉地区高43.31%。并且只有运行在武汉地区的热源塔在供暖季中产生了溶液再生现象,其溶液最大再生速率为56.53kg h-1。最后,对不同地区的热源塔内的显热、潜热以及全热换热量进行了计算,得到了不同时期热源塔内换热量的变化范围。本文通过理论分析、实验验证以及数值模拟相结合的研究方法,不仅对热源塔内部的热湿传递过程进行了建模,还对多种类型的参数进行了量化分析,对热湿传递过程进行了详细讨论。而且对热源塔热泵系统与地源热泵及空气源热泵系统进行了对比分析,最后针对热源塔热泵系统在不同地区的适用性进行了研究,完成了对热源塔热泵系统的详尽研究。本次研究可以对热源塔热泵系统实际工程应用提供理论指导。