选题背景

现代社会的发展与经济的繁荣，与能源的发展变革息息相关。石油危机的发生和现代工业带来的一系列问题，使人们对不可再生矿物能源贮量的有限性及其使用的局限性有了更深刻的认识。据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过90年，在2050年到来之前，世界经济的发展将越来越多地依赖煤炭，其后在2250年左右，煤炭也将消耗殆尽，矿物燃料供应枯竭，在21世纪不论是发达国家还是发展中国家，最终都面临空前的能源危机。据能源机构估计到2050年我国能源需求量将为50亿吨标煤，目前开采水平为30亿吨标煤，水力、风力等发电开发量为5亿吨标煤，届时将有巧亿吨标煤缺口量，该量只能靠进一步开发核能铀资源、太阳能及其它可再生能源填补，因而中国的能源问题将面临十分严峻的挑战

建筑相关能耗己成为我国三大能耗大户之一，目前建筑能耗(采暖、空调、照明、炊事、办公等伴随建筑运行使用的能耗)占社会总能耗的20%左右，随着我国城市化进程的加速，建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，建筑能耗呈急剧上扬趋势，而由于建筑能耗主要集中在暖通空调能耗，据预测2020年我国暖通空调能耗量将达10亿吨标煤，将占社会总能耗的30%以上，因而暖通空调在社会总能耗中将占有十分重要的比重。

随着全球规模的环境问题日趋严重，传统的“大量生产、大量流通、大量消费、大量废弃”的生产消费模式，已越来越不能被人们所接受。由于我国的能源结构仍以煤为主，煤的消耗占一次能源消耗的70%左右，我国煤燃烧所排放的SO₂占到全国SO₂总排放量的85%以上，CO₂占到85%，NO₂占到60%，粉尘占到70%，燃煤排放SO₂引起的酸雨污染已扩展全国整个面积的30%一40%，造成的经济损失占国民生产总值的20%;另外全球CO₂等温室气体的排放给人类带来重大损失，全球温暖化的经济成本是全球经济总产值(GWP)的10~20%，建筑耗能是大气污染的主要因素之一，其中暖通空调在全国温室气体排放中的贡献率为15%以上，因而暖通空调的能源消耗给环境带来了巨大压力。

目前，己经利用的可再生能源主要有太阳能、风能、地热能、海洋能、生物

质能等。热泵技术正是一种有效利用可再生能源和低位热能的技术。

热泵的定义和分类

热泵的定义

热泵是一种利用一部分高品位能，通过热力循环，把热量从低位热源转移到高位热源的节能装置。即热泵可以把不能直接利用的低品位热能(如空气、土壤、水中所含的热能，太阳能，工业废热等)转换为可以利用的高位热能，从而达到节约部分高品位能(如煤、燃气、油、电等)的目的。

热泵的的分类及特点

根据使用低位热能的种类，热泵可分为空气源热泵（(Air-Source Heat Pump，ASHP），地源热泵（Ground-Source Heat Pump，GSHP），水源热泵（Water-Source Heat Pump，WSHP），和复合热泵（Hybrid Heat Pump，HHP）。

1．空气源热泵

空气源热泵把室外环境的空气作为冷热源，并把空气/空气热泵机组应用于空调系统。在我国，空气源热泵起步较早，所以技术比较成熟，而且系统结构比较简单，初投资较低，年运行时间长，基于以上优点，空气源热泵己经广泛应用于我国冬季气候温和的地区。但是，空气源热泵的一些缺点也使其应用范围和推广受到限制。首先，在冬季供热工况下，由于蒸发温度太低空气源热泵的蒸发器表面会结霜，这一现象在寒冷地区和高湿度地区尤为严重。结霜的危害很大，一方面，目前在蒸发器除霜技术上存在较大障碍;另一方面，除霜需要消耗大量能量，约占热泵总能耗的10%，造成严重的能源浪费，因此需要进行定期除霜。其次，空气源热泵的运行特性受室外环境的影响较大，夏季制冷量随着室外空气温度的升高而降低，冬季制热量随室外空气温度降低而降低，与建筑物的冷、热负荷需求的变化趋势恰好相反。再次，空气源热泵体型

大，占地面积大，噪声污染严重，容易引起热岛效应。

2．地源热泵

根据换热介质的不同，地源热泵可以分为三类:土壤源热泵 (Ground Source Heat Pump);地表水源热泵   (Surfaee Water-source Heat pump);地下水源热泵(Ground Water-Source Heat Pump)等。土壤源热泵系统以大地作为冷热源，把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，直接与大地进行热交换，或者通过中间介质(通常是水)作为热载体，并使中间介质在封闭环路中循环流动，实现与大地进行热交换的目的。土壤源热泵的优点很多，土壤温度相对稳定，变化幅度小，热容量大，蓄热性能好，而且土壤温度变化相对于空气温度变化有一定的延迟效应。冬季热泵从土壤中提取热量，承担建筑热负荷，同时蓄存冷量以备夏用;夏季逆向运行，提取冬季蓄存的冷量，承担建筑冷负荷，同时蓄存热量冬季使用。但由于土壤的导热系数小，管内载能流体与管外土壤之间的热流密度较小，导致所需地下换热器的面积较大，占地面积大，初始投资高。此外，埋地换热器受土壤性能影响较大，还需对冬、夏季的取、放热量进行平衡计算。

地表水热泵系统将河流、湖泊水作为冷热源，有开路系统和闭路系统。地表水热泵系统具有造价低廉、泵耗能低、运行费用少等优点，但是，管道或水中其他设备容易受到损害，还可能造成水污染。

地下水热泵系统的造价比较低，而且水井紧凑，占地面积小，技术比较成熟;缺点就是可供使用的地下水资源有限，处理不当还会造成严重的地下水资源的浪费和污染，而且现在很多地方限制地下水的使用。

3．水源热泵

水源热泵利用地球水体储藏的太阳能资源作为冷热源进行能量传递，可以一机多用，满足供暖、空调及生活热水多种需要。

水体温度一年四季相对稳定，波动范围比周围空气温度的变化范围小得多。冬季水体温度一般在10一22℃之间，高于环境空气温度，蒸发温度提高，制热

性能系数提高。夏季水体温度在18一30℃之间，低于环境空气温度，冷凝温度降低，制冷性能系数提高。水源热泵的COP较高，一般可以达到4一5，节能效果显而易见。但是，由于受到水资源条件、水资源使用政策以及能源价格等客观因素的影响，水源热泵的发展应用受到严重制约。

水源热泵以水作为低温热源。城市水不仅满足热源的温度要求，而且水量充足，是比较理想的低温热源，有很大的发展空间。

4．复合热泵

为了弥补单一热源热泵存在的局限性，并且充分利用低位能量，出现了各种复合热泵，即使用两种热源，如空气一水热泵、太阳一空气源热泵系统、太阳一水源热泵系统等。

课题的提出及主要研究内容

城市水处理厂二级出水基本都满足或好于国家城市水排放二级标准，这样的水质使得利用水冷热资源的防污除杂工作大为减轻，增强了系统的稳定性及可靠性；并且水厂水量大，资源集中，这就为建立大型的水源热泵系统造了良好条件。其主要内容为：

1．对水处理厂二级出水运用于水源热泵系统的前期水资源评估做了详细的介绍，包括水资源评估数据、测量方法，并通过案例工程阐述了具体评估过程；

2．对水蓄水池、取排系统方案做了详细的研究；并对水干渠分列式取排水口的干式取排系统进行了设计研究；

3．实验证明了水处理厂出水的实际水质随天气发生的巨大变化，以及对实验系统的影响；验证了利用城市水处理厂二级出水建立水源热泵系统前端防污除杂的必要性；并对几种主要过滤设备的可靠性、稳定性、过滤效果等性能参数进行了试验对比，为我们实际工程设备选型提供了实验结论；

4．就水资源的输送距离与输送能耗比例进行了研究，讨论了输送距离对输送能耗的影响，建立了相关模型，并提出了设计方案。借以评估项目的可行性与节能经济性。

水源热泵系统取水换热过程中存在的主要问题

尽管城市水、江河水、湖水、地下水、海水等是理想的低位冷热源，但其水质极不稳定，不能满足换热设备运行要求，取水换热过程是利用这些水源的关键问题。这些水源以城市水水质最差，水源热泵系统在实际工程遇到的问题最为突出，城市水含有各种大型污物及小尺度悬浮固体及溶解性化合物，前者表现在对管路与设备的阻塞，后者表现为对流动换热参数的影响以及导致换热管内结垢现象，形成相当高的热阻，严重影响了热泵系统的正常运行。为经济可行地利用水冷热源，只能对水作粗效预处理，孙德兴与吴荣华开发的滤面水力连续再生过滤装置有效解决了污物堵塞换热设备问题，但水源热泵系统取水换热中的水仍然含有大量小尺度污杂物，导致换热管内热阻较大的软垢形成与设备换热性能低下等问题。南方某地铁冷站采用江水进行冷却，江水经三道物理过滤(最小滤网直径为1mm)直接进入壳管式冷凝器中进行冷却，运行效果仍不理想，机组每运行一个月左右仍需清洗，清洗时发现换热管内有约1~2mm厚的软垢。因而要实现水冷热量的有效传递与转换，必须克服污物引起的污垢问题，了解水的流动阻力特性与换热特性。

设计进度

1、第一周：查找相关资料，完成开题报告；

2、第二周：根据关键问题提出初步的设计方案；

3、第三周：整理数据并对提出的设计方案进行分析对比确定最终方案；

4、第四、五周：完成水换热器与太阳能集热器的设计计算并进行联合应用计算；

5、第六周：完成主机系统的设计与选型；

6、第七周：完成供热终端系统的设计；

7、第八周：对方案的合理性进行分析论证；

8、第九周：完成所设计的系统全面的经济技术分析；

9、第十一、十二周：撰写论文准备答辩。

主要参考文献：

[1]陈东，谢继红.热泵技术手册.化学工业出版社.2012年9月.

[2]陈东，谢继红.热泵技术及其应用.化学工业出版社.2008年2月.

[3]伊松林，张璧光.太阳能及热泵干燥技术.化学工业出版社.2011年9月.

[4]姚杨.暖通空调热泵技术.中国建筑工业出版社.2008年11月.

[5]张昌.热泵技术与应用.机械工业出版社.2008年8月.

[6]马最良.热泵技术应用理论基础与实践.中国建筑工业出版社.2010年6月.

[7]蒋能照，刘道平.水源·地源·水环热泵空调技术及应用.2007年5月.