动态负荷下海水源热泵供暖系统优化设计方法及热动力耦合机理研究

Heat pump heating system as one of the main heating technology in clean energy, the system optimization is crucial in thermal environment satisfaction and energy conservation of buildings. The heating load of buildings varies as the differences in building function and meteorological conditions, which affects the system performance of the heat pump. The effects of dynamic heating load on system performance affects the optimization design of the heat pump heating system..Tianjin locates in the west of Bohai Sea. The optimization of seawater-source heat pump heating system is quite important in solving the heating problems of coastal buildings. The study on building dynamic heating load concerns the variation law of heat pump system performance and the seawater heat exchanger heat transfer performance. The study of seawater heat exchanger in the flowing seawater is helpful for revealing the coupling effects of the flowing seawater and icing on the heat transfer performance of the seawater heat exchanger. And the optimization principle of the seawater heat exchanger is concluded based on the study. The optimal combination of the seawater heat exchanger parameters can be gotten. And then, the seawater-source heat pump heating system can be optimized with the multi-objective optimization calculation by ant colony algorithm.

热泵作为清洁取暖的主要技术之一，其系统的合理设计是满足建筑热环境和降低建筑能耗的关键。建筑负荷在不同建筑功能、气象条件下表现出不同的负荷特征，不同负荷特征下热泵系统具有不同的适应性，动态负荷下热泵系统重要特征参数变化规律研究是实现其优化设计的核心。.天津地处渤海西岸，海水源热泵系统的优化设计对解决沿海建筑供暖问题至关重要。拟通过对沿海建筑负荷特征规律的分析，明确建筑负荷动态特征对热泵系统性能和海水换热器换热性能的影响，揭示海水源热泵供暖系统在动态负荷下系统性能参数的变化规律。通过对海水换热器在海洋流场中换热的热动力学机理研究，探明海洋流场与管外结冰的热动力耦合作用对海水换热器换热性能的影响规律，进而明确海水换热器在建筑负荷和海洋流场动态耦合作用下的优化机理，实现海水换热器特征参数的优化。基于蚁群算法的多目标优化计算，明确各特征参数的最优化组合，揭示海水源热泵供暖系统优化设计的物理机制。

在国家“双碳”目标的战略背景下，热泵供暖技术作为建筑节能的重要举措，在降低建筑能耗和建筑碳排放方面发挥着重要作用。海水源热泵供暖系统因其节能环保、运行稳定、能效高等优点，在沿海建筑中具有很好的应用前景。.本项目首先对沿海建筑的负荷特征进行了分析，分别对沿海地区典型的居住建筑、办公建筑和商业建筑进行了调研测试，并根据沿海建筑的特点，明确了太阳辐照强度对室内人员热舒适性的影响规律。探索了海洋流场对海水换热器在结冰工况与非结冰工况下换热性能的影响，开发了等管间距叉排管束式海水换热器和非等管间距叉排管束式海水换热器，分别在天津大学港口与海岸工程实验室和天津国际邮轮码头搭建了海水换热器换热性能测试平台，在实验室利用造波实验台模拟海洋流场环境，研究了海浪波波长、波幅、频率等参数对海洋流场及海水换热器换热性能的影响，并实验测试了海水换热器在静止水域中的自然对流换热特性，对比分析海浪波对换热特性的影响程度。根据实验测试结果拟合了海水换热器在海洋流场中的管外对流换热系数，并基于此建立了海水换热器在海洋流场中的传热数学模型。在真实海洋环境中实验测试了海水换热器在结冰工况与非结冰工况下的换热性能，验证了数学模型的准确性，并基于实验与数值模拟的方法，明确了海洋流场对换热器换热性能影响的热动力学机理。通过上述研究，对海水源热泵系统在不同供暖末端下的系统性能进行了对比研究，提出了海水源热泵系统的优化设计方法，并对其在不同气候区的沿海城市适用性进行了研究，对其经济性和节能环保效益进行了评价。.项目研究成果在Applied Energy、International journal of Heat and Mass Transfer等期刊共发表SCI期刊论文11篇，ICAE2020国际会议口头报告一次，培养博士生2名，硕士生2名。