夏热冬冷地区地表水体热承载特性及其水源热泵系统应用研究

摘要

夏热冬冷地区冬季寒冷潮湿的特征让空调使用与卫生热水制备值得研究，目前解决该问题有两种途径：一种是采用空气源热泵，但较大的湿度使得空气源热泵室外机容易结霜，需采用电辅或逆循环融霜，在极端天气下只能直接采用电加热，造成能源品级的严重损耗；另一种途径是通过锅炉直接燃烧化石能源，对环境污染大。水源热泵系统的应用使上述两个问题得到了解决，水源热泵不会出现冬季结霜问题，能源利用率高，能有效减少化石能源使用，对于保护环境，净化空气有明显的优势，研究其地表水体的冷热承载能力及特性对于水源热泵的推广应用有着重要的意义。　　为了推进水源热泵系统在长沙的应用，长沙市住房和城乡建设委员会着手编制《长沙市水源热泵综合利用发展专项规划》，规划编制在湖南大学与长沙市规划设计院有限责任公司的主导下进行，作者全程参与了规划编制工作，对地表水源热泵在夏热冬冷地区应用相关问题进行了研究与分析。　　首先，总结了国内外地表水源热泵的研究现状，对地表水源热泵系统的利用方式、对水源的要求以及对环境的影响做了具体研究。提出了地表水体作为水源热泵冷热源的判断标准，要求应用于地表水源热泵的水体应易于获取、水量充足、水温稳定、水质良好、季节性水位变化明确，并应采用合理正确的取水方式，在防止热污染的情况下正确的使用水体。　　其次，提出了滞流水体应用于水源热泵的最大冷热承载能力计算方法，将冷热负荷、运行时间与水体的最大冷热承载能力进行了有机结合。通过对滞流水体水温模型的研究与总结，建立了适合夏热冬冷地区的滞流水体热承载模型，编写了模拟程序，并进行了求解与验证，研究了夏热冬冷地区滞流水体水温变化与最大热承载能力。以夏热冬冷地区典型省份湖南省为例，研究了该地区滞流水体水温变化，并对水体热传递规律进行了分析，计算了湖南省滞流水体最大热承载能力。进一步计算了夏热冬冷地区典型城市长沙都市区14个滞流水体的最大热承载能力，将他们与建筑的冷热负荷、机组的运行时间进行了有机的结合。通过与实测数据的对比，本研究方法计算滞流水体与环境之间的换热能反映实际水体的换热情况，地表滞流水体与环境的热交换主要通过水体表面进行，故水面的气相环境直接影响水体的换热能力；随着水体深度增加，水体的热承载能力增大。对水体热承载能力影响最大的为太阳短波辐射和水体与周围环境的长波换热量，影响最小的夏季为水体与土壤换热量，而冬季为水体与周围空气的热对流通量。当水体深度低于2m时，其冷热承载能力较低，在湖南地区的气象条件下，其综合冷热承载能力有限。　　第三，对江水源热泵应用潜力及其影响因素进行了研究，给出了江水源热泵最大冷热承载能力的计算方法。建立了江水热承载模型，根据模型编写了模拟计算程序，并对模型进行了求解与验证，调研了夏热冬冷地区典型代表城市长沙地区的江河水资源情况，对长沙地区河流冷热承载能力进行了预测，对江水源热泵在长沙的应用进行了展望。通过计算与实测结果的对比，采用本次研究方法计算江河水与环境之间的换热能反映实际水体的换热情况；与滞流水体换热情况不同，决定江河水热承载能力的主要因素是取水河段两界面之间的热量差，故水面的气相环境与水体的流动情况共同决定江水水体的换热能力。　　最后，提出了集中设置源热泵机组的能源站方案与分别在各用能中心设置热泵机组分散利用水源热泵系统的水源站方案，优化了水源热泵利用的管路系统与设置，建立了能源站与水源站利用方式的经济数学模型，通过经济性比较，得出了地表水源热泵能源站站点优化选址原则，能源站布置在靠近用户侧更科学合理。提出了一种新型集中地表水源热泵利用方式——水源站利用方式，通过经济性分析，水源站利用方式比能源站的经济性更好。分析了不同负荷状态下水源热泵系统利用方式的选择，通过全寿命周期成本分析，系统负荷在10000kW以下时，建能源站方式更为合理，系统负荷在10000kW以上时，水源站利用方式更为合理。在取水点与用能中心距离变化时，随着取水距离的增加，水源站利用方式总费用更少，水源站方式更经济合理。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 世界能源利用现状

1.1.2 中国能源利用现状

1.1.3 中国浅层地热能利用及发展现状

1.2 地表水体热承载特性及其水源热泵系统应用研究进展

1.2.1 国内外地表水体水温模型研究现状

1.2.2 国内外对地表水源热泵系统的应用研究进展

1.2.3 地表水源热泵在夏热冬冷地区应用研究进展

1.2.4 地表水源热泵水温模型及国内外应用研究小结

1.3 本文主要的研究意义和研究内容

1.3.1 研究意义

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方法与技术路线

第2章 地表水源热泵系统应用特性与热污染研究

2.1 地表水体热承载特性与适应性研究

2.2 地表水源热泵系统分类与系统形式研究

2.3 地表水源热泵的利用方式研究

2.4 地表水源热泵系统对水源的要求研究

2.5 地表水源热泵取水方式研究

2.6 地表水源热泵对环境的影响与热污染研究

2.7 本章小结

第3章 地表水体热承载模型的建立

3.1 滞流水体热承载模型

3.1.1 滞流水体热承载模型初始及边界条件

3.1.2 滞流水体热承载数学模型

3.2 江水水体热承载模型

3.2.1 江水水体热承载模型初始及边界条件

3.2.2 江水水体热承载数学模型

3.3 本章小结

第4章 地表水体热承载模型求解与实验验证

4.1 气象参数的测量与选择

4.2 地表水体热承载模型求解

4.3 滞流水体计算实例与热承载模型验证

4.4 江河水体计算实例与热承载模型验证

4.5 各参数对滞流水体水温影响研究

4.5.1 滞流水体平均水温年变化情况

4.5.2 水体面积变化对水温变化的影响

4.5.3 太阳辐射对月平均水温的影响

4.5.4 水体与环境换热构成及比例分析

4.6 地表水体热承载能力判断标准

4.7 本章小结

第5章 滞流水体应用于水源热泵热承载特性研究

5.1 夏热冬冷地区滞流水体热承载特性与水源热泵应用研究

5.1.1 夏热冬冷地区滞流水体水温变化分析

5.1.2 夏热冬冷地区滞流水体热承载能力计算与分析

5.2 湖南地区滞流水体热承载特性与水源热泵应用研究

5.2.1 湖南地区计算实例与热承载模型验证

5.2.2 湖南地区滞流水体水温变化及热传递分析

5.2.3 湖南地区滞流水体热承载能力的计算与分析

5.3 长沙地区滞流水体热承载特性与水源热泵应用研究

5.3.1 长沙地区滞流水体水资源情况调查

5.3.2 长沙地区滞流水体热承载能力计算与分析

5.3.3 长沙地区滞流水体水源热泵应用规划建议

5.4 本章小结

第6章 江河水应用于水源热泵热承载特性研究

6.1 长沙地区江河水资源调研

6.2 长沙地区江河水体热承载特性与水源热泵应用研究

6.2.1 长沙地区江河水温变化预测

6.2.2 长沙地区江河水冷热承载能力计算与分析

6.3 人为造成的环境水温变化判断标准研究与修改建议

6.4 长沙地区江水源热泵应用规划

6.4.1 湘江

6.4.2 浏阳河

6.4.3 捞刀河

6.5 本章小结

第7章 地表水源热泵集中利用管路系统构建与优化

7.1 地表水源热泵集中利用方式与管路系统构建

7.2 地表水源热泵能源站、水源站管路系统经济性数学模型

7.2.1 地表水源热泵能源站管路系统经济数学模型

7.2.2 地表水源热泵水源站管路系统经济性数学模型

7.3 地表水源热泵能源站布置位置经济性实例分析

7.3.1 项目简介

7.3.2 模型参数取值

7.3.3 管路系统投资分析

7.3.4 年运行费用分析

7.3.5 全寿命周期费用分析

7.4 地表水源热泵系统利用方式经济性对比

7.4.1 项目简介

7.4.2 管路系统投资对比

7.4.3 年运行费用对比

7.4.4 全寿命周期费用对比

7.5 水源热泵系统利用方式选择与管路系统设置

7.5.1 冷热负荷变化时利用方式选择与管路系统设置

7.5.2 取水距离变化时利用方式选择与管路系统设置

7.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A（长沙地区水源热泵近期推荐利用项目布局图）

附录B（长沙地区水源热泵中长期推荐利用项目布局图）

附录C （长沙地区江河水源热泵利用潜力分布图）

附录D （在学期间的成果及发表的学术论文清单）