污水源热泵系统的工况研究与优化设计

Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for： Specialty： Affiliation： Date of Defence： Degree-Conferring-Institution： ：
Zhuang Zhaoyi Prof. Sun Dexing Master of Engineering Heating,GasSupplying,Ventilating &Air-conditioning Engineering School of Municipal &Environ. Eng. July, 2007 Harbin Institute of Technology
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Abstract
has been shown combination with an actual project. Keywords Sewage heat pump ； Optimization design ； First cost ； Operating cost ；Heat transfer area
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
物理名称及符号表
H
Gw Qr γ F u S k Ne e K δ h Tr , Th L twh , t wr ——扬 程 ——系统污水 流 量 ——系统 夏季 设计 冷负荷 ——温 度 系数 ——换热 器面 积 ——流速 ——输送管道长 度 ——管道 的当 量 绝 对 粗糙 度 ——设 备 的功率 ——电 的 价格 ——传 热系数 ——孔心距 ——对 流 换热系数 i Qh β λ g a d ρ N n D tm ν φ ——部门内部 标 准收益率 ——系统 冬季 设计热 负荷 ——漏 水 率 ——沿 程阻力系数 ——重 力加速 度 ——流 量 系数 ——输送管道直径 ——液体 的密 度 ——换热 管单 程并 联 总根 数 ——每台 换热 器 并 联 的 管 数 ——对 数 传热温 差 ——运动 粘度 系数 ——穿管率
国内图书分类号：X703.3 国际图书分类号：628.2
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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
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
With the fact that environmental protection and energy saving of sustainable development deeply increased, various low-temperature heat source brought into city heat source, such as underground water, solar, soil energy, excess heat, waste heat and urban sewage; especially, the urban sewage has strong developmental potential ability. The key of system design is the selection of heat transfer working condition of sewage heat pump system. The selection of these parameters is supposed to be assure the effect of system, and simultaneous satisfy the economical efficiency, including first cost and operating cost. The paper has tested the winter operation parameter of sewage heat pump system in a real project; according to the relevance data that practice measuring, the effect of matching between one-stage and two-stages pumps to clog proof machine has analyzed; and also the impact of the entrance temperature and entrance temperature difference to system function, the proportion of pump energy consumption in general energy consumption of system have been shown in the paper. Based on these analyses the selection principle and basis have been given. The system setting method provides the theory basis of sewage heat pump system engineering design and operation administration. Taking the dynamic year calculates cost as target function, and design parameters of every circle pipe in sewage heat pump system as optimize parameters, first invest and operating cost optimization target function of system have been deduced. According to testing data in actual project constraint condition in optimizing process is perfect. MATLAB procedure has been worked out to optimize the system design parameter. Combination with an example the system design parameters have been given; and also the effect of individual parameters to system year cost and system unit performance is analyzed. Based on the determination of circle pipes optimization parameters and combination with an actual project, the design procedures and principle of design the sewage-clear water heat exchanger have been introduced. The mathematic model of system heat transfer area and unit performance have been established based on finite-time thermodynamics theory, and the specific optimization design
Classified Index：X703.3 U.D.C.：628.2
A Dissertation for the Master Degree in Engineering
WORK CONDITION RESEARCH AND OPTIMIZATIONAL DESIGN OF THE SEWAGE SOURCE HEAT PUMP SYSTEM
摘要
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
——系统 供热 空 调 时 满 负荷 的运 行时 间 ——换热 器内管单 根 串联 总 长度 ——污水的冬 夏 季 温 度
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目录
目录
摘要 ..........................................................................................................................I Abstract .................................................................................................................. II 物理名称及符号表 ...............................................................................................IV 第 1 章 绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ...................................................................................................... 1 1.1.1 建筑能耗与环境污染问题 ................................................................... 1 1.1.2 污水热能资源化的意义 ....................................................................... 1 1.1.3 污水源热泵的特点与优势 ................................................................... 2 1.2 国内外研究综述 .......................................................................................... 3 1.2.1 污水源热泵系统的应用现状 ............................................................... 3 1.2.2 污水源热泵系统的设计现状 ............................................................... 5 1.3 本文研究的目的和意义 .............................................................................. 6 1.4 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 ............................................... 8 2.1 实验工程系统 .............................................................................................. 8 2.1.1 系统简介 ............................................................................................... 8 2.1.2 实验系统图 ............................................................................................ 8 2.1.3 测点布置与数据采集 .......................................................................... 11 2.2 实验目的 .................................................................................................... 13 2.3 实验结果与分析 ......................................................................................... 13 2.3.1 一、二级水泵的匹配对防阻机性能的影响 ...................................... 13 2.3.2 污水进口温度对系统性能的影响 ..................................................... 18 2.3.3 污水进出口温差对系统性能的影响 ................................................. 22 2.3.4 水泵能耗在系统能耗中的比例 ......................................................... 26 2.4 本章小结 ..................................................................................................... 29 第 3 章 污水源热泵系统换热工况优化设计 ..................................................... 30 3.1 概述 ............................................................................................................ 30 3.2 目标函数与系统变量 ................................................................................ 31 3.2.1 目标函数的建 立 ................................................................................. 31