摘 要

在当今这个节能环保型社会，对低品位能源的研究和利用是暖通空调领域的重要课题。集散式热源塔热泵技术是一种集热源塔热泵与VRV多联机各自优异性能于一体的新型可再生能源技术，其利用热源塔提取空气中的低品位能源，通过输入少量高品位能源，将低品位能源向高品位转移，并结合分散的水末端或者氟末端，在全局优化控制策略下向室内提供冷热量。

论文首先介绍了热源塔热泵技术的发展背景和研究现状，在通过与其他空调型式的综合分析对比中，引出了论文所述的集散式热源塔热泵系统；接着以浙江某纪念馆为具体研究对象，通过计算负荷、选择正确的空气处理方案、选择合适的冷热源等设计了一套集散式热源塔热泵系统；并通过选用不同方案设备，利用最小年费法和最小寿命周期成本法分析了供暖工况下集散式热源塔热泵空调系统和其他常用型式空调系统在初投资、运行以及维护管理等方面的费用差异，最终得出集散式热源塔热泵空调系统在夏热冬冷地区使用具有很高的经济性；最后通过建立单个热源塔的三维模型，利用Fluent软件对热源塔排出的湿热空气在其周围的气流分布和气流温度分布进行了模拟，得出其温度云图、涡流分布图、速度矢量图等，计算得其返混率为4.92%，从而可知该热源塔设计合理，热气流抬升效果较好。

关键词：集散式热源塔热泵；空调系统设计；经济性分析；Fluent模拟

Abstract

In today's energy-saving and environment-friendly society, the research and development of air conditioning technologies that can utilize low-grade energy is an important issue in the field of HVAC. The distributed heat-source tower heat pump technology is a new type of renewable energy technology that combines heat-source tower heat pump and VRV multi-connection. It uses the heat-source tower to extract the cold heat in the air, and inputs a small amount of high grade energy to raise the low grade energy to high levels. combined with dispersed water ends or fluorine ends, heat-source tower heat pump provides cold heat to the interior under a globally optimized control strategy.

This article first discussed the development background and research state of the heat-source tower heat pump. Through comparative analysis with other air conditioning models, the heat-source tower heat pump system described in this paper was introduced. Then a memorial hall in Zhejiang was selected as the specific research object. Calculate the load, select the appropriate air treatment program, select a reasonable air flow organization, and design a set of heat-source tower heat pump system; and through different options of equipment, using the minimum annual fee and minimum life cycle cost method to analyze the differences of the costs of the initial investment and operating and maintenance between the distributed heat-source tower heat pump system and other air conditioning systems under the heating circumstances, eventually concluded that the heat-source tower heat pump system is very economical in the area of hot in summer and cold in winter. Finally, by building a three-dimensional model of a single heat-source tower, Fluent software was used to simulate the airflow distribution and airflow temperature distribution of the hot and humid air discharged from the heat-source tower, and its temperature cloud diagram and speed vector diagram are obtained. It concluded that the design of heat-source tower was reasonable and its hot gas stream lift better by calculating its return which was 4.92%.

Key Words：The distributed heat-source tower heat pump; Air conditioning system design; Economic analysis; Fluent simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1 全球能源需求现状及对环境的影响 1

1.1.2 空调型式的选择对能耗及环境的影响 1

1.1.3 热泵技术的产生 2

1.1.4 集散式热源塔热泵的发展背景 3

1.2 集散式热源塔热泵技术的研究现状 6

1.2.1 集散式热源塔热泵技术国内研究现状 6

1.2.2 集散式热源塔热泵技术国外研究现状 6

1.3 本文的研究方法与研究内容 7

1.3.1 研究方法 7

1.3.2 研究内容 7

1.3.3 研究目的及意义 8

第2章 集散式热源塔热泵系统的介绍 9

2.1 三种典型的热源塔结构 9

2.1.1 开式结构 9

2.1.2 普通闭式结构 9

2.1.3 改进型闭式结构 10

2.1.4 三种典型结构的比较 11

2.2 集散式热源塔热泵系统的工作原理 12

2.3 集散式热源塔热泵的适用范围 13

2.4 集散式热源塔热泵的优点 13

第3章 集散式热源塔热泵系统的设计 16

3.1 建筑相关设计参数 16

3.1.1 工程概况 16

3.1.2 建筑室外气象参数 16

3.1.3 建筑室内设计参数 16

3.1.4 建筑围护结构参数 17

3.2 空调负荷计算 17

3.2.1空调冷负荷计算 17

3.2.2 空调热负荷与湿负荷的计算 27

3.2.3 空调新风负荷 32

3.3 空气处理方案的选择与计算 33

3.3.1 风机盘管加新风系统 33

3.3.2 夏季工况下空气处理过程 34

3.3.3 冬季工况下空气处理过程 36

3.4 空调冷热源的选择与设计 38

3.4.1 热源塔方案选择 39

3.4.2 热源塔热泵方案选择 39

3.4.3 换向站的设计 39

第4章 集散式热源塔热泵系统经济性分析 41

4.1 各方案的设备选取 41

4.2 热源方案经济性分析基础数据 42

4.3 热源方案经济性分析 43

第5章 热源塔周围流场数值模拟 46

5.1 CFD数值模拟方法 46

5.1.1 CFD计算求解过程 46

5.1.2 Fluent软件 47

5.2 CFD数值模拟理论基础 48

5.2.1 基本控制方程 48

5.2.2 控制方程的求解 49

5.3 模型及边界条件设置 51

5.3.1 几何模型及网格划分 51

5.3.2 边界条件的设定 53

5.4 模拟结果及分析 54

5.4.1 模拟结果 54

5.4.2 模拟结果分析 57

参考文献 60

致谢 62

第1章 绪论

1.1研究背景

随着社会经济的发展, 能源问题越来越引起人们的关注, 能源是人类从事一切生产活动的物质基础，其重要性不言而喻。中国经济高速腾飞发展，必须以丰富的能源储备作为支撑。因此，在经济全球化深入发展以及我国现代化急速推进的浪潮下，如何实现能源的可持续化利用需要我们当代人认真加以思考并作出正确选择。

1.1.1 全球能源需求现状及对环境的影响

能源是国民生产生活的基础, 是可持续化发展的前提。伴随着世界经济的迅猛发展以及人口的大幅增长，各行各业的能源需求也大幅增加。据推算，到2020年全球能源需求总量将超过150亿toe，全球消耗的石油将达到52亿toe，煤炭将达到37亿toe，天然气将达到35亿toe^[1]。因此，为了应对持续增长的能源需求, 利用先进的能源技术去获取能源就显得越来越重要。

与此同时，能源的过渡开发对生态环境产生的恶劣影响也逐渐突显出来，影响社会经济的发展和人类的耐以生存的空间。自工业革命以来温室气体的大量排放使得全球变暖等气候变化越来越显著，对人类社会发展及生态环境的恶劣影响日益彰显。因此,着手建立起多元化的能源供应体系，提高新能源在能源结构中的比例，坚持开发新能源和降低能源消耗并举，加大可再生资源的开发和利用，是当前能源领域的发展必然趋势。

我国是一个人口大国，人均资源占有量严重贫乏，即便是相对丰富的煤炭资源，人均占有量也只有全世界平均水平的50%左右，而石油、天然气的人均占有量还不足世界平均水平的10%^[2]。因此，如何依靠科学技术来建立一个可持续发展的能源节约型社会，已成为当下科研工作者们亟待解决的问题。

1.1.2 空调型式的选择对能源及环境的影响

作为建筑耗能的核心大户，暖通空调领域对能源的节约和转型起着举足轻重的作用。面对国家关于节约能源与保护环境的号召，在各行各业采取相应措施的同时，暖通空调领域的节能减排也如火如荼地进行着。

21世纪以来，随着经济的高速腾飞，人民的生活水平日新月异，物质文明已实现向精神文明的跨越，人们的生活焦点已从基本的温饱问题转而向追求优雅舒适的居住环境。然而，人们家庭中现有传统空调的供暖制冷方式不仅对能源的利用率非常低，而且也无舒适性可言，甚至还会对生态环境造成恶劣的影响，因此其必将在社会洪流下被淘汰。随着科学技术的迅猛发展，一系列新兴的暖通空调供暖制冷方式逐渐进入人们的视野。

目前，在空调的能源利用方式中，涌现出的地源热泵、空气源热泵以及热源塔等优化了能源利用结构，并产生了不菲的经济效益；同时，在热舒适性层面，此类空调型式相比传统空调型式有了很大改善，不仅能满足人们对舒适性的要求，而且其气流组织形式也更加合理；在生态环境保护方面，热源塔通过采用新型制冷剂（HCR22，碳氢制冷剂）以及闭式结构将对生态环境的污染降到了最低的程度。

据统计，在中国社会发展的进程中，建筑所消耗的能源在国民生产生活总耗能中约占27.6%^[3]，并且其中暖通空调系统和热水系统的能源消耗将近六成，况且伴随着人民生活水平的提升以及中国城镇化的极速推进，此比重还会持续增加。由此可见，建筑暖通空调领域的节能刻不容缓。

暖通空调除对能源的消耗影响以外，对环境的影响也是不容小觑的。现有空调的使用会直接或间接地对环境造成一定的影响，诸如温室效应、大气臭氧层空洞，以及城市热岛现象等等。基于以上问题，国家加大了对能够保护环境、节约能源的绿色建筑和各种新型暖通空调技术和产品的研发。因此在保证能源利用效率的前提下，如何做到暖通空调系统的冷热源和用能的高效、清洁，将会是广大暖通空调科技工作者们所研究的领域。

1.1.3 热泵技术的发展

暖通空调系统的能耗主要有三部分组成：冷热源设备、冷热媒输送管网和末端设备，其中冷热源设备能耗约占空调系统总能耗的50%左右^[4]。因此，通过降低冷热源设备的能耗以实现暖通空调系统的节能就显得尤为重要。在传统空调冷热源方案中，系统的冷热源通常单独设置。如单冷机组只能应用于夏季，冬季时便处于搁置状态，这使得在低温工况下压缩机的良好运行性能不能得以发挥，此外，该系统在冬季因锅炉等辅助热源的存在，使得系统能耗增加，而且对环境也产生一定的不利影响。因此，空调冷热源系统的节能减排势在必行。

热泵正是基于以上种种原因诞生并迅速得以推广的一种新型空调技术。它是通过消耗部分机械能、电能等高品位能源，将热能从低温热源转移到高温热源的一种装置。热泵机组集冷热源为一体，既可进行制冷又可进行制热，对环境友好环保，并且绝对安全。其全年平均运行成本只有燃油、燃气加热的1/3～1/2，电加热的1/4，常规太阳能的1/1.5。因此，热泵技术以其供冷供热、高效节能、舒适等特征被广大消费者所青睐。

当前，在我国范围内广为使用的热泵技术主要有空气源热泵、土壤源热泵、地表水源热泵以及地下水源热泵，这些热泵技术以空气能、地热能等作为暖通空调系统的低品位冷热源，有效地降低了系统的运行能耗、提高了系统的设备利用率。然而，由于冷热源自身的缺陷以及系统设计中存在的各种问题，使得这些热泵技术在长期运用过程中暴露出了许多亟待改善的问题。

1.1.4 集散式热源塔热泵的发展背景

在我国“夏热冬冷”地区，夏季炎热，冬季寒冷潮湿的气候条件对人们工作和生活的舒适性影响极大。因此，如何合理地选择经济适用的建筑空调方案，已成为该地区建筑节能的突出问题。我国长江流域主要城市气象参数如表1.1所示^[5]。

表1.1 我国长江流域主要城市气象资料

目前，在我国长江流域以南地区常使用的暖通空调型式有如下几个类型^[6]:

1.常规水冷机组 锅炉供热

此类空调因冷热源（即锅炉和制冷机组）分开设计，在一定程度上造成了设备的搁置，同时由于其使用的化石能源的燃烧对环境造成恶劣的影响，不利于节能减排。

2.空气源热泵

目前空气源热泵已被人们广泛使用，但其在使用和性能方面仍存在以下几个问题：

（1）夏季，与水冷机组相比，对于同样的制冷量，空气源热泵要求的换热面积更大或需要更好的材料，因此，造成能效比降低；

（2）冬天空气源热泵存在严重的结霜和除霜问题，设备的结霜会导致蒸发器表面的热阻增加，空气通过率降低，从而使得霜层逐渐增厚，蒸发温度持续降低，如此恶性循环，一旦压力和蒸发温度触发低压保护，机组将停止运行并切换到除霜工况，从而使效率大大降低；

（3）在寒冷地区，室外温度过低时，因低温适应性，单位质量的制冷剂流量降低，相应的制热量也减少；另一方面，由于压缩比的升高以及排气的温度增加，将影响到机组的正常运行，长期下去对压缩机的性能也会造成一定的影响。

3.土壤源热泵

与空气源热泵相比，土壤源热泵有一定优势，如冬季不会结霜，同时还可起到储能温度与蓄能效果的变化。因此近期获得了较好的发展，但其也有其美中不足的地方，目前存在的问题主要如下：

（1）土壤源热泵对施工条件要求较苛刻，若埋管或回填方法不当，将会对地下换热造成一定的影响。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：