1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 海水源热泵在船舶空调中应用的初步研究 学 院： 学生姓名： 专 业： 建筑环境与设备工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 目录 摘要 . I 1 绪论 . 1 1.1 热泵概述 . 1 1.2 热泵在空调中的应用 . 6 1.3 海水源热泵在船舶空调中的应用 . 11 1.4 本文需要解决的问题及意义 . 13 2 流场数值模拟基础 . 14 2.1 提出方案 . 14 2.2 流体力学基础 . 15 2.3 软件简述 . 18 2.4 FLUENT 的基本原理 . 21 3 静压箱模型的建立及分析 . 23 3.1 静压
2、箱模型的建立 . 23 3.2 静压箱内流场模拟 . 28 4 模拟过程及分析 . 45 4.1 静压箱进水口位置的优化设计 . 45 4.2 热泵取水口位置的优化设计 . 50 4.3 静压箱的大小的优化设计 . 58 4.4 不同的进水速度对取水口速度的影响 . 62 5 总结 . 68 【参考文献】 . 70 毕业论文 - 海水源热泵在船舶空调中应用的初步研究 摘要 本文需要研究船舶在航行 时，热泵取水口速度变化影响整个热泵系统的运行稳定性。根据空调静压箱的思想，在取水口之前设置一个取水静压箱，通过静压箱降低海水在进入热泵之前的速度变化。通过利用流场模拟软件 fluent 对静压箱内部的
3、流场进行模拟，进而验证这种解决思想的可行性。本文通过静压箱模型建立、静压箱进水口位置优化设计、热泵取水口位置优化设计、静压箱的大小的优化设计、不同的进水速度对取水口速度的影响，五个步骤对静压箱的规格进行确定。最后得到的结果与设想的目标比较吻合，大大降低了热泵取水口的速度变化和对取水口的扰动，促使运系统行稳定性的提高 。希望通过本文研究能够促进热泵在船舶领域的应用，做好船舶类大型能耗场所的节能减排。 关键词 热泵； Fluent；流场模拟；静压箱 毕业论文 - Preliminary study of seawater source heat pump in marine air conditi
4、oning AbstractThis paper study on its voyage to ship, heat pump water inlet velocity change affects the operation of the system stability. According to the air conditioning static pressure box, before the water intakes set a static pressure box, through the static pressure box reduce change of water
5、 speed. Through the use of software Fluent to static pressure box internal flow field simulation, and solve the feasibility of validation of this thought. This article through the static pressure box model, static pressure box inlet position optimization design, heat pump water inlet position optimi
6、zation design, the static pressure box model of the size of the optimized design, different water speed on the influence of water inlet velocity, five steps to make sure the specifications of the static pressure box. The final results and imagine goal is consistent, and greatly reduce the heat pump
7、water inlet speed change and the disturbance of water inlet, the stability of the system of the line to improve. Hope this paper research to promote the application of heat pump in shipping, to make the kind of large energy consumption of energy conservation and emission reduction. Key Words Heat Pu
8、mp； Fluent； Flow Field； Static Pressure Box 毕业论文 - 1 绪论 1.1 热泵概述 1.1.1 热泵技术 的 原理 热泵是利用电能等高位能使热量从 低 位能源向高位能源传递的装置 1。热泵技术原理就是以 逆 卡诺循环为理论支持，技术本质与一般制冷机完全相同。 热泵利用电能压缩 工质 ，然后 高温工质 进入冷凝器使被加热物体温度升高 ，再进入膨胀阀等焓膨胀 ， 温度降低后 进入蒸发器与 低 位能 物质换热 ， 最后 被送回压缩机进行下一个循环。 整个循环中，被加热物体得到热量等于消耗的电能与低位能源被吸收的热量之和。 这个循环说明热泵可以利用一些不能
9、直接 利 用的低位能 物质的热量 （比如空气、江河湖泊水、海水、土壤、太阳能等） 传递到可 直接利用的高位 能物质中 。 热泵的能效比 (COP)一般较大， 个别可以达到 5 以上 ，这比电加热器（能效比小于 1）要经济节能很多。 传统的空调系统分别要在夏季设置冷源和在冬季设置热源 ，同一个热泵不仅可以在夏季制冷，而且可以在冬季制热，达到一机两用的效果。 1.1.2 热 泵的分类及特点 由于近几十年世界能源危机的加剧，热泵得到大力地发展。故热泵的分类有很多种，从驱动装置上区分，可以分为电动机驱动，燃料机驱动，燃烧器驱动；从低位能所处的几何空间分为大气源热泵和地源热泵；从换热器所接触的载热介质分
10、类，可分为空气 /空气热泵、空气 /水热泵、水 /空气热泵、水 /水热泵、土壤 /水热泵、土壤 /空气热泵；从低位热源分类，可分为空气源热泵、水源热泵、土壤源热泵 2。接下来从低位热源分类进行详细了解。 （ 1） 水 源热泵 水源热泵的主要利用的低位能物质是水。水源热泵的冷热水源种类很多，比如地下水、江河水、湖泊水、海水、工业废水、生活污水等。水源热泵可以一机两用，夏季从室内吸收热量转移到低温水源中去，冬季将水源内的热量转移到室内。水源热泵相对于空气源热泵 COP 更高，因此更加节能，而且水源热泵更加环保。 按照取水源的性质不同，水源热泵可以分为：地表水源热泵、地下水源热泵、海水源热泵和污水源
11、热泵。 地表水源热泵 毕业论文 - 地表水源热泵空调就是利用的水源为地表的江河、湖泊水，其也可分为闭式系统和开式系统。闭式系统的机组用水是封存在机组内，没有与外界进行水进行交换，换热是通过机组用水与地表水之间的换热器进行的。开 式系统则直接从地表水源抽取机组用水，经过简单过滤，送人机组与压缩工质换热。一般来说开式系统换热效率较高，且减少了中间环节投资费用就较低，而闭式系统减少了二次污染的机会，清洁度较高。 地下水源热泵 地下水源热泵一般利用的水源是浅层地下水，也可分为闭式系统和开式系统。闭式系统将地下水和机组用水通过换热器分开，开式系统直接将地下水吸入机组，与压缩工质进行换热。地下水源热泵需要
12、配备一个或者多个水井，并且配备水泵。由于地下水资源的紧缺，地下水低位能被利用之后还需回灌地下。由于回灌的地下水要一定的周期才能进入地下 水层的循环，故现在发展地下水源热泵收到了一定的限制。 海水源热泵 海水源热泵系统主要包括海水循环系统、水环热泵系统及末端空调系统三部分，其中海水循环部分由取水构筑物、海水引入管道、海水泵站及海水排出管道组成 3。该系统通过海水构筑物直接安全可靠取用海水，海水泵将海水送入热泵系统并排出热泵系统。水循环系统是将海水循环系统和末端空调系统的中间热量交换装置，其将海水中的地位能传递到空调系统并加以利用。末端空调系统向建筑物内的各个房间分配冷量或者热量，创造一个舒适的建
13、筑环境。 污水源热泵 城市污水已经是现代社 会中一个热点问题，每一个城市都有配套的污水处理厂。然而城市污水易于收集 ,贮存的热能较高，可作为热泵的地位能源，这样污水源热泵就应运而生了。 污水源热泵也可分为直接开式系统和间接闭式系统，开式系统与闭式系统的原理与之前的相同。但是由于污水存在含有杂物、腐蚀、微生物繁殖等污染问题，绝大部分的污水源热泵选择的是间接闭式系统。这样系统就具有防堵塞、防腐蚀和洁净的优点，但是初投资成本较高。 各式的水源热泵因为水源的性质不同而被细分，但都作为水源热泵具备如下的共同特点： 节能高效又环保。 水源热泵利用的是地球表层水最 为冷热源，消耗少量的高位能量获取大量低位能
14、量。地球表层水的热能的取得是源于太阳辐射，故这种能源是一种可再生能源，取之不尽用之不竭。水源热泵运行的能效比 (COP)往往能大于 3，如果设计的好能效比可以超过 5。毕业论文 - 水源热泵在运行过程中几乎没有有害物排放，最让人不放心会破坏大气层的压缩工质也得到完美的替代。水源热泵更是在夏季使用时不会周围环境的空气排放热量，这样“城市热岛”现象就不会被加剧。 设计简单，安装容易 设计人员只需根据房间的冷热负荷选取相应的水源热泵机组 , 再加上风管系统和冷却水管系统即可完成设计要求。鉴于 这种系统比中央空调系统简单许多 , 所以现场安装也随之简单 , 只需机组吊装低压风管和电气连接以及冷却塔、冷
15、却水泵和温度调控装片这样 , 起到节省设计时间和设计费用 , 缩短工期和提高效率的作用 4。 初投资少，运行成本低 水源热泵空调系统较传统的中央空调系统经济。无集中的制冷机房、锅炉房、空调箱房，减少了设备间的面积。所需的风管少，并减少了楼层高度，无保温的循环水管系统，减少了材料费用 5。据美国环保署 EPA 估计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用户 30 40的供热制冷空调的运行费用，运行费用与常 规方式相比可节约1/2 1/36 。 运行安全稳定 水源热泵系统不像传统供热系统需要燃烧及高压设备，不会产生爆炸，使用安全。水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统
16、的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题 6。 布置紧凑，占用空间少 水源热泵将最主要的部件集成在一个机组中，对于机房面积的要求大大降低，甚至可以采用悬挂的方式，使其不需要单独设立机房。水源热泵又由于不需要设置的通风管道、锅炉、和附属设备 , 同样减少了空间的占用，节省了建筑面积，易于建筑的美观。 一机两用，便于计量收费 水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活用水一机多用，无需室外管网，特别适合低密度建筑物的别墅区使用。每户可对空调系统费用进行核算，计费合理方便。对于寒冷的北方地区， 因为减少了采用集中供热的热望系统投资，或取消了燃油、燃气锅炉，从别墅小区空调系统和卫生热水设备的总
17、投资上看，水源热泵系统节省初投资 1。 （ 2）空气源热泵 空气源热泵的主要利用的低位能物质是空气 。空气是一种可再生能源，处处都有，无偿获取，热泵从空气中获取的能量本源于太阳辐射，这种能量是源源不断的。 空气源热泵同样也 可以 一 机两用， 并且 安装方便、布置灵活、初投入较低、维护方便。 毕业论文 - 空气源热泵与地源热泵 一样优点众多 ，但也存在了如下几个问题 ： 当室外温度越低的，建筑需要补偿的热量就越大，故空气源热泵所须摄取的热量越大，但空气所能提供的热量却减少，这造成供热量和耗热量之间的矛盾。在空气温度低于 -5 时，需要辅助热源对空气加热，能效比大大降低 7； 空气源热泵冬季运行
18、时，换热器容易结霜 ， 这是因为室外温度低于 0 时，空气中的水分在换热盘管表面析出，如果蒸发器温度低于 0 就会结霜。结霜 后盘管传热系数 降低，甚至是系统无法运行 ，为了使 系统能正常运行，除霜过程是必须的。但是，除霜过程会带来部分额外能量的消耗，从而整个热泵系统的能效比降低了； 空气源热泵在长期运行的情况下，在换热器内部翅片会产生污垢，这会增大传热热阻， 同样会使 COP 降低，功耗增加 8； （ 4） 空气源热泵在运行过程中，易产生噪声 、热风 等影响周 边 环境。 （ 3）土壤源热泵 土壤源 热泵的主要利用的低位能物质是土壤。在地层中一般以土壤深度为 15m 作为恒温层的分界线，深度
19、小于 15m 称为浅层，大于 15m 称为深层。浅层中，不同深度的地层的温度随时间变化，深层 的 温度一般可以看作稳定不变的 ，而 这个 温度比当地年平均气温高 1-3 9。现在 由于部分小型的土壤源源热泵初投资费用的限制只对浅层土壤加以利用 ， 而大型地源热泵利用的是更为高效的恒温层土壤。 地热源热泵与普通制冷机不同之处就是将冷凝器换成土壤耦合热交换器，它可以水平安装在地沟中，也可以垂直安装在竖井中，这样地源热泵可以分为卧式系统和立式系统。现在立式系统利用较多，虽然技术要求和费用相对于卧式 系统 要高，但由于城市土地资源紧张，所以选择立式系统更为合理。 土壤源 热泵不仅可以用于冬季采暖，也可
20、以用于夏季制冷 ，一机两用的系统又节省了设备投入的费用 。 地源热泵具有 10 大特点：高效节能、绿色环保、节省投资、节约费用、节约用水、灵活控制、健康舒适、性能可靠、安全实用、设施美观 10。 1.1.3 热泵的发展 与现状 20 世纪 70 年代，由于阿拉伯国家不满西方支持以色列而实行石油禁运，导致了第一次能源危机，全世界开始认识到节能的重要性。上世纪九十年代的由于海湾战争的爆发，石油供应急剧减少，价格开始暴涨，世界又一次进入了能源危机。当今社会在经历了多次的能源危机之后，人们愈发觉得节能的重要性。我国是发展中国家，以高耗能的工业为支柱产业。除了工业能耗，排在我国能耗第二 名的是民用和商用
21、能耗，也称为建筑能耗。 2005 年，我国的建筑能耗占总能耗的比例达到了 20.7%11，而其中建筑空调的毕业论文 - 能耗占了建筑总能耗的一半左右。如果将热泵技术应用于建筑暖通空调领域，带来节能效果是巨大的。热泵是将低位能源的热量转移到高位能源，它所能获得的热量不紧紧是从低位能源吸收的热量还有耗费的高位能也同样以热量的形式传递给了高位能源，所以热泵得到的热量远远大于耗费的高位能，在制冷时也可以获得大于输入高位能的制冷量。 进入 21 世纪，由于温室效应以及各种灾害性天气地频发，人们开始意识环境保护已经刻不容缓 了，为此人们还提出了“低碳环保”的生活理念。热泵做为一项高效节能高效节能技术，同时
22、也是一项环保的技术，运行过程中不产生废气废渣，也没其他次生污染。也许有的人会问，热泵既然与制冷的原理是相同，那空调系统的中的氟利昂会破坏臭氧层，热泵又怎么去避免呢。制冷剂行业发展快速，当人们意识到臭氧层的破坏时，马上就发明了更加环保的制冷剂，而且现在很多天然的物质也被用来做制冷剂，比如说水，二氧化碳等，所以这样的担心是没有必要。 热泵作为一项高效的节能环保技术，在当今节能技术领域的地位是相当重要的，其发展也只是在近几十年才受到 人们的关注，但热泵的发明以及应用已有近百年的历史，接下来我们通过类型的不同来看热泵发展以及现状。 （ 1）水源热泵 水源热泵 在 20 世纪 60 年代由美国率先提出，
23、在 1955 年该技术申请 离了 专利，从而很快遍及美国并进入商业化运作 12。到目前为止 水源热泵 已在北美建筑中应用了 40 多年，共安装了 40 多万台，且用户以每年 10%的速度稳步增长。美国在 2010 年实现了安装 40 万台热泵，其中水源热泵占 15%， 可 降低温室气体排放量达 100 万吨，相当于减少 5 万辆汽车的污染物排放 13。除了美国，水源热泵在其他发达国家也发展很快 。水源热泵在法国 市场 的 年增长率达 45%以上 ， 在瑞典、奥地利、河流、日本等国家也得到了很好的发展 14。 我国水源热泵利用始于 20 世纪 90 年代， 先 引进欧洲的技术产品 ，再进行研究利
24、用 。2001 年，北京示范项目建成并投入运行 ，之后空气源进入快速发展期 15。 2005 年，建设部把水源热泵在建筑物中的推广应用作为国家资源节约工作重点之一，当时预计到2010 年，水源热泵中央空调市场规模将达到 30 亿元人民币 16。 （ 2）空气源热泵 空气源热泵技术由于工作原理地地源热泵相似，在地源热泵被发明后，空气源热泵也随之产生 。 20 世纪 70 年代世界能源危机发生后，热泵技术再次进入 了 人们的视野，空气源热泵也随之开始了快速的发展。但很快人们发现在低温环境下空气源热泵制热量小 ， 甚至难以运行。日本人 Katsuji Yamagami 提出利用燃油、燃气燃烧辅助加热
25、的热泵毕业论文 - 空调器来解决低温工况制热不足的问题 17。但这种方法又回到了之前 的 老路 上去了 ，并没有实现节能的初衷。在 20 世纪 80 年代中期有学者提出带经济器的准二级压缩系统，并在螺杆机组得到成功应用 18。这样就很好 地 解决了 空气源热泵 在低温下难以运行的问题。据统计 2006 年全球市场已经售 出 7000 万台空调器，其中 71%是热泵型。热泵空调器是如此普遍，当人 们 谈到空调器时常常就是指空气源热泵空调器 19。 （ 3）土壤源热泵 土壤 源热泵最先于 1912 年由瑞士人 Zolly 提出， 1949 年美国建成 了 第一个地源热泵系统 20。 1985 年美
26、国全国共有 1.4 万台地热源热泵，而 1997 年就安装了 4.5 万台，到2001年为止已安装了 40多万台，而且每年以 10%的速度稳步增长，其中新建筑占 30% 20。 而在国内 土壤 源热泵技术发展相对较晚， 20 世纪 90 年代 ，北京的丁良士教授、山东建筑工程学院方肇洪教授等人先后在美国俄克拉荷马州立大学和瑞 典、德国、加拿大等地学习考察地源热泵技术 22。完成了对土壤 源热泵系统技术 引进 ， 我国开始在 欧美 的基础进行本土化的改造。我国中科院广州能源研究所于 2002 年完成了国内第一套实用型地热制冷系统和采暖系统 23。 2005 年 11 月 31 日国家建设部发布了
27、地源热泵系统工程技术规范 (GB50366-2005),2006 年 1 月 1 日开始实施，至此我国的地源热泵的发展就更加规范化了。在政府大力支持和倡导下，土壤 热泵的技术在国内逐渐被市场化，每年都会以 10%以上的速度增长 24。 1.2 热泵在空调中的应用 空调是热泵 技术较早应用的领域，热泵空调技术在社会生活中也得到了广泛的应用。热泵空调对于传统的空调有明显的优势，一套装置两种功效 冬季采暖，夏季制冷。热泵空调涉及的领域有：大型建筑物或建筑群的采暖制冷和普通住宅采暖制冷等 25。 热泵空调在大型建筑或建筑群中的应用很早就被开发出来了。 1938 1939 在苏黎世投入欧洲第一台大功率热泵空调的运行，以河水作为低温热源，工质为 R12，夏季也能制冷 25。 1965 年天津大学与天津冷气机厂研制成国内第一台水冷式热泵空调机 26，该系统是我国大功率热泵空调的原型机。到了上世 纪 70 年代英国将水环热泵空调广泛应用于5000 20000m2 的商业建筑中 27。现在，热泵空调在国内外大型建筑或建筑群中的应用已经非常常见了，而且做到了各式热泵都能被应用。 普通住宅的采暖制冷对于热泵技术的发展稍晚于大型建筑，主要由于对于家庭用户在热泵空调技术还不是很成熟时完全不能承担起一个热泵空调系统的建造及运行费用。 20
