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基于主动式热平衡的天然气热电联供与热泵耦合系统集成研究

蔡博  
【摘要】:建筑已经成为与工业、交通共同构成中国社会能源消耗三大主体,建筑节能是历史发展的必然趋势。优化建筑本体设计、采用高效建筑用能设备以及建立高效建筑能源供能系统是实现建筑节能的三大重要途径,其中分布式能源系统凭自身诸多优势成为建筑高效供能系统新兴方式之一,而分布式能源系统以冷热电联供系统为主要利用形式而得到广泛应用。夏热冬冷地区建筑具有冷热电三能源同时需求特征,因此冷热电三联供分布式能源系统是该地区提供建筑能源,实现建筑节能的途径之一。另一方面,利用浅层地热能的地源热泵因为其能效高、环境影响小,得到广泛应用。而冷热电三联供分布式能源系统与浅层地热能耦合应用可以将两者优势结合起来,更加有利于建筑节能。既有天然气基分布式能源系统与浅层地热能耦合应用系统特征主要体现在:天然气基分布式能源系统与土壤源热泵简单并联、串联运行,未通过一体化系统应用而更好地解决中温烟气利用过程、低温含硫烟气余热无法回收利用以及地源热泵引起的地下热失衡等问题。因此,本研究基于热能梯级利用原理,提出主动式热平衡控制技术构建天然气基分布式能源系统与土壤源热泵一体化耦合系统,研发关键地下换热设备,研究该系统关键参数对其性能的影响规律。本研究主要内容如下:(1)提出了基于主动式热平衡的天然气热电联供与热泵耦合系统。基于温度对口、能的综合梯级利用原理,研究改变耦合系统中温烟气、低温含硫烟气的利用方式:中温烟气回收用于直接生产生活热水,低温含硫烟气用于再热土壤源热泵源水侧的进水。同时,选取了参比系统,阐述两系统之间的本质区别。(2)研究开发了一种PE管地下换热器。在该换热器中,来自联供系统的低温含硫烟气用于加热土壤源热泵源水侧进水,提高了系统效率。同时,由于土壤不再作为主要热源,而是作为水吸收烟气热量的传热室,因而,解决了土壤源热泵系统的地下热不平衡问题。设计了地下换热器及其实验系统,建立了地下换热器换热模型,实验测试了聚乙烯PE地下换热器耐热性能、传热性能以及硫含量,模型模拟结果与实验结果对比表明,换热器性能良好。(3)研究揭示了基于主动式热平衡的天然气热电联供与热泵耦合系统关键参数对其性能的影响规律。以热力学第一定律、第二定律以及热经济评价指标作为系统性能评价准则,采用Aspenplus作为系统性能计算工具,完成了总能系统性能计算与热经济性分析。研究揭示了系统热泵源水进口温度(地热井源水出口温度)、系统最终排烟温度等关键参数对系统性能的影响规律,为系统的优化设计打下理论基础。研究结果表明:(1)基于主动式热平衡的天然气热电联供与热泵耦合系统集成方法的提出,体现了主动式热平衡控制技术在热能梯级利用程度上的先进性,弥补了传统耦合系统在热力完善程度上产能过程的不足。(2)创新性的PE地下换热器可以满足低温含硫烟气的温度要求,在202℃不承压情况下,PE管表面没有出现明显形变;100℃以内,PE管硬度没有发生明显变化;同时,可以用于100℃以内低温含硫烟气的余热回收。该换热器综合传热系数为22.6W/m2·K,满足大热容差的水与烟气传热要求。(3)通过中温烟气、低温含硫烟气利用方式,可以降低中温烟气余热回收(火用) 损失3%,提高热泵系统能效3-5%。与参比系统相比,其总热效率和(火用) 效率分别为82.7%和28.8%,远高于参比系统的总热效率和(火用) 效率(分别为73.8%和25.8%)。(4)地下换热器关键参数对系统性能的影响规律表现为:降低烟气最终排烟温度与换热管横间距,增大源水进水温度、流速、管径、以及换热管螺距,可提高系统性能。


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