区域供冷系统集成建模与优化设计

摘要

我国面临的严峻的能源形势已严重威胁经济和社会的可持续发展。随着人民生活水平的提高与城市化的快速发展,我国的建筑能耗已经占总能耗的27.6％,并且将继续增长。建筑能耗中65％是采暖空调能耗,空调节能已经成为建筑节能乃至整个节能工作的关键。区域供冷是一种节能、经济、环保的空调技术,在以分布式冷热电联供为核心的第二代城市能源供应系统中具有十分重要的地位,有着良好的发展前景。 区域供冷系统负担的用户多,各用户的冷负荷随室外气象参数及内部的用冷特性不断变化,主要设备类型与型号众多,这些因素增加了区域供冷系统设计的难度。一个优化的区域供冷系统,应该考虑其用户的冷负荷变化,在室外气象条件、能源价格、设备的性能与价格等外部条件下,对系统进行优化选择,不仅要求初投资低,而且要求系统能在用户冷负荷变化的工况下,经济、高效地运行,满足各用户的用冷需求,以实现寿命周期费用最小。 本文用系统的观点对区域供冷系统的结构、流对象进行了分析,建立了区域供冷系统的物理结构模型、流对象模型及功能层次结构模型。采用热力学分析以及利用相关模拟软件等方法,在前人工作的基础上,建立了区域供冷系统各单元设备运行层次与设计层次的数学模型。为后续的集成建模以及优化设计工作奠定了基础。 冷冻水二次管网的初投资与二次泵的运行能耗是区域供冷系统经济与节能优势能否发挥的关键。本文在深入分析冷冻水二次泵运行特性,冷冻水二次管网的阻力特性与冷量损失的基础上,建立了考虑管径非连续变化、以寿命周期内经济性最优为目标的冷冻水二次管网优化设计模型,并编程对优化设计模型求解。对某区域供冷系统的冷冻水二次管网工程实例进行了优化,结果表明采用冷冻水大温差输送结合优化设计的办法,可以大幅降低冷冻水二次管网的初投资与二次泵的运行能耗。冷冻水二次管网的优化设计为区域供冷系统优势的充分发挥、规模的扩大提供了技术手段。 区域供冷系统冷冻水大温差输送要求末端空调与冷源的革新。本文提出了一种新的适用于冷冻水大温差的空调末端系统,该空调末端通过梯级利用冷量,实现了冷冻水大温差的科学利用。对于冷源部分,提出了串联制冷机组总COP的优化方法。空调末端与冷源的革新是冷冻水大温差区域供冷系统实施的前提。 区域供冷系统的经济供冷距离,关系到区域供冷系统的规模,直接影响其经济优势的发挥。本文建立了区域供冷系统经济供冷距离的数学模型,并编制了相应的优化程序。 结合实例分析了冷负荷密度、冷冻水供回水温差对区域供冷系统经济供冷距离的影响。区域供冷系统的优化设计是一项复杂的系统工程。本文基于对区域供冷系统的功能层次模型与集成建模方法的认识,提出了区域供冷系统优化设计的实施策略与流程。分别建立了考虑全年冷负荷动态变化的区域供冷系统的运行优化、优化设计的混合整数非线性规划模型,给出相应的求解方法,编制了区域供冷系统的优化设计程序,并对一实际区域供冷工程进行了优化设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章概述

1.1区域供冷的历史与发展现状

1.2区域供冷系统在第二代城市能源供应系统中的重要地位

1.3区域供冷系统设计的难点与症结

1.4研究背景与意义

1.4.1研究背景

1.4.2研究意义

1.5文献综述

1.5.1区域供冷系统的建模

1.5.2区域供冷系统的优化

1.6研究目标与内容

第二章区域供冷系统的结构描述及子系统与单元模型

2.1区域供冷系统的物理结构模型

2.2区域供冷系统流对象模型

2.3区域供冷系统的功能层次结构模型

2.4区域供冷系统的子系统模型

2.5区域供冷系统的单元模型

2.5.1制冷机组

2.5.2冷却塔

2.5.3水泵

2.6本章小结

第三章区域供冷系统冷冻水二次管网的优化设计

3.1区域供冷系统冷冻水输送系统

3.2冷冻水二次管网与用户的连接方式及区域供冷系统用户特点

3.3冷冻水二次泵运行特性分析

3.3.1二次泵的变频调速方式及输入功率影响因素

3.3.2冷冻水二次泵变流量控制方式

3.3.3多台变频二次泵并联运行特性研究

3.4冷冻水二次管网的阻力特性

3.4.1冷冻水二次管网的各种阻力及其计算方法

3.4.2定末端压差控制下二次管网总阻力变化特性

3.5冷冻水二次管网的冷量损失

3.5.1直埋管的冷量损失

3.5.2直埋管的保温设计优化

3.5.3冷冻水二次管网系统的冷量损失

3.6冷冻水二次管网的优化设计

3.6.1冷冻水二次管网优化设计的数学模型

3.6.2求解方法

3.7冷冻水二次管网优化设计实例

3.8本章小结

第四章冷冻水大温差区域供冷系统的空调末端与冷源

4.1冷冻水大温差区域供冷系统的空调末端

4.1.1常规集中空调系统的空调末端以及热湿负荷处理方式

4.1.2冷冻水大温差空调末端

4.1.3空调末端模型

4.1.4常规空调末端与冷冻水大温差空调末端传热面积比较

4.1.5冷冻水大温差空调末端的火用分析

4.2冷冻水大温差区域供冷系统的冷源

4.2.1实现冷冻水大温差的制冷机组布置方式

4.2.2串联制冷机组的COP

4.2.3串联制冷机组的火用效率

4.3本章小结

第五章区域供冷系统经济供冷距离研究

5.1研究的范围与基本方法

5.2冷冻水二次管网的布置方式及水力计算

5.3区域供冷系统经济供冷距离研究

5.3.1区域供冷系统经济供冷距离的数学模型

5.3.2求解方法

5.4区域供冷系统经济供冷距离实例分析

5.5本章小结

第六章区域供冷系统的优化设计

6.1区域供冷系统设计工作的特点

6.2区域供冷系统设计与运行的协同优化方法

6.3区域供冷系统的运行优化研究

6.3.1区域供冷系统的运行特点分析

6.3.2区域供冷系统运行优化模型

6.3.3求解方法

6.4区域供冷系统的优化设计研究

6.4.1区域供冷系统优化设计实施策略

6.4.2区域供冷系统优化设计数学模型

6.4.3求解方法

6.5区域供冷系统优化设计实例

6.6本章小结

结论和展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢