地表水源热泵系统的运行特性与优化

发展可再生能源是优化我国能源结构和改善环境质量的要求。地源热泵利用散布在地球表面浅层水源和浅层土壤中的低品位热能，是一项节能环保的可再生能源技术。地源热泵包括土壤源热泵、地下水源热泵和地表水源热泵。土壤源热泵和地下水源热泵在我国已经有一些应用，但地表水源热泵的应用较少，地表水源热泵研究方面的积累也较少。本文结合我国南方地区的地表水温特点和气候特点，对地表水源热泵系统的运行特性和运行优化问题进行了研究。论文的第一部分对开式地表水源热泵、闭式地表水源热泵、混合地表水源热泵的运行特性以及地表水源热泵运行时地表水温的变化进行了一系列试验与理论研究；第二部分研究了地表水源热泵系统的运行优化问题。论文的工作和所获得的成果具有明确的工程应用价值，主要的工作和成果有： (1)在对国内外研究现状进行分析和总结的基础上，自主设计了湖南省湘潭市城市中心区大型地表水源热泵区域供冷供热系统。对该系统夏、冬季实际运行情况进行了全面的测试，包括水质、湖水温度恢复情况、气温、进出水温度、COP等。还对南方地区地表水源热泵系统与风冷热泵的性能进行了对比测试。为今后国内发展大型地表水源热泵区域供冷供热系统积累了设计与运行数据，提供了参考依据。 (2)完整、系统地建立了闭式地表水源热泵系统的动态模型，应用该模型能够根据逐时的负荷和气象参数模拟出闭式系统全年运行的动态特性。对位于长沙市的一处拟建的闭式地表水源热泵系统在制冷制热期的动态特性进行了模拟。分析了水底盘管大小对进液温度的影响；分析了水体深度、面积对进液温度和底层水温的影响；比较了无负荷和有负荷时的底层水温变化；分析了该系统的性能。 (3)在工程应用中会出现地表水量不稳定或不足的情况，有必要发展混合地表水源热泵系统。针对本文提出的带喷泉的混合地表水源热泵系统，建立了预测水池喷淋冷却效果的简化模型。对某种型号喷嘴的喷淋冷却效果进行了模拟，模拟结果与实测结果吻合得较好。该模型的输入参数少，可以方便地用于设计带喷泉的混合地表水源热泵系统。 (4)地表水源热泵、冷水机组的冷却水以及工业冷却水排入地表水体后，会使水温发生变化，并可能会影响到水体的生态环境。论文研究了地表水作为热泵低位热源时的水温恢复机理，并提出了弱温水体得热系数的计算公式。 针对封闭地表水体与外界换热以及受纳废热的特点，将水温变化过程看成是一个随机过程，首次建立了封闭地表水体水温变化的随机模型，并且给出了随机微分方程解过程的数字特征的求解方法。在已知当地气象参数的随机特性的条件下能够求出水温变化的随机特性。计算结果有助于深刻认识封闭地表水体水温变化的特点，并且能以不保证率的形式给出地表水源热泵系统进液温度的上限 建立了一个河流温排水的简化二维预测模型，并推导出该模型的解析解。采用该模型对株洲电厂温排水对其下游的湘江水温的影响进行了预测，并与实测结果进行了对比。该模型的精确程度能够满足水环境管理和热污染控制的计算实践中的精度要求。 (5)针对定温差控制法应用中存在的控制效果与控制适应性差的缺点，论文提出了一种水-水热泵机组的水源侧和冷水机组的冷却水系统变流量运行时的自适应控制方法，该方法能够跟踪机组负荷率以及冷凝器参数的变化，使机组和水泵的总功率接近最小。建立了相应的控制模型，提出了控制模型参数的在线辨识方法以及控制系统的设置与构成。建立了系统仿真模型，对一个实例进行了仿真实验，仿真结果表明部分负荷时采用该控制方法具有很好的整体节能效果。