海水源熱泵在船舶空調(diào)中應(yīng)用的初步研究【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設(shè)計)</p><p>　題 目：海水源熱泵在船舶空調(diào)中應(yīng)用的初步研究</p><p>　學(xué) 院：</p><p>　學(xué)生姓名：</p><p>　專 業(yè)：建筑環(huán)境與設(shè)備工程</p><p>　班 級：</p><p>　指導(dǎo)教師：&l

2、t;/p><p>　起止日期：</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1 熱泵概述1</p><p>　　1.

3、2 熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用6</p><p>　　1.3 海水源熱泵在船舶空調(diào)中的應(yīng)用11</p><p>　　1.4 本文需要解決的問題及意義13</p><p>　　2 流場數(shù)值模擬基礎(chǔ)14</p><p>　　2.1 提出方案14</p><p>　　2.2 流體力學(xué)基礎(chǔ)15</p><

4、;p>　　2.3 軟件簡述18</p><p>　　2.4 Fluent的基本原理21</p><p>　　3 靜壓箱模型的建立及分析23</p><p>　　3.1 靜壓箱模型的建立23</p><p>　　3.2 靜壓箱內(nèi)流場模擬28</p><p>　　4 模擬過程及分析45</p>

5、<p>　　4.1 靜壓箱進(jìn)水口位置的優(yōu)化設(shè)計45</p><p>　　4.2 熱泵取水口位置的優(yōu)化設(shè)計50</p><p>　　4.3 靜壓箱的大小的優(yōu)化設(shè)計58</p><p>　　4.4 不同的進(jìn)水速度對取水口速度的影響62</p><p><b>　　5 總結(jié)68</b></p>

6、;<p><b>　　【參考文獻(xiàn)】70</b></p><p>　　海水源熱泵在船舶空調(diào)中應(yīng)用的初步研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文需要研究船舶在航行時，熱泵取水口速度變化影響整個熱泵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。根據(jù)空調(diào)靜壓箱的思想，在取水口之前設(shè)置一個取水靜壓箱，通過靜壓箱降

7、低海水在進(jìn)入熱泵之前的速度變化。通過利用流場模擬軟件fluent對靜壓箱內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬，進(jìn)而驗證這種解決思想的可行性。本文通過靜壓箱模型建立、靜壓箱進(jìn)水口位置優(yōu)化設(shè)計、熱泵取水口位置優(yōu)化設(shè)計、靜壓箱的大小的優(yōu)化設(shè)計、不同的進(jìn)水速度對取水口速度的影響，五個步驟對靜壓箱的規(guī)格進(jìn)行確定。最后得到的結(jié)果與設(shè)想的目標(biāo)比較吻合，大大降低了熱泵取水口的速度變化和對取水口的擾動，促使運系統(tǒng)行穩(wěn)定性的提高。希望通過本文研究能夠促進(jìn)熱泵在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用

8、，做好船舶類大型能耗場所的節(jié)能減排。</p><p>　　[關(guān)鍵詞] 熱泵；Fluent；流場模擬；靜壓箱</p><p>　　Preliminary study of seawater source heat pump in marine air conditioning</p><p>　　[Abstract]This paper study on its v

9、oyage 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 s

10、tatic pressure box reduce change of water 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

11、 static pressure box mode</p><p>　　[Key Words] Heat Pump；Fluent；Flow Field；Static Pressure Box</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1.1 熱泵概述</b></p><p&

12、gt;　　1.1.1熱泵技術(shù)的原理</p><p>　　熱泵是利用電能等高位能使熱量從低位能源向高位能源傳遞的裝置[1]。熱泵技術(shù)原理就是以逆卡諾循環(huán)為理論支持，技術(shù)本質(zhì)與一般制冷機(jī)完全相同。</p><p>　　熱泵利用電能壓縮工質(zhì)，然后高溫工質(zhì)進(jìn)入冷凝器使被加熱物體溫度升高，再進(jìn)入膨脹閥等焓膨脹，溫度降低后進(jìn)入蒸發(fā)器與低位能物質(zhì)換熱，最后被送回壓縮機(jī)進(jìn)行下一個循環(huán)。整個循環(huán)中，被加熱物

13、體得到熱量等于消耗的電能與低位能源被吸收的熱量之和。這個循環(huán)說明熱泵可以利用一些不能直接利用的低位能物質(zhì)的熱量（比如空氣、江河湖泊水、海水、土壤、太陽能等）傳遞到可直接利用的高位能物質(zhì)中。</p><p>　　熱泵的能效比(COP)一般較大，個別可以達(dá)到5以上，這比電加熱器（能效比小于1）要經(jīng)濟(jì)節(jié)能很多。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)分別要在夏季設(shè)置冷源和在冬季設(shè)置熱源，同一個熱泵不僅可以在夏季制冷，而且可以在冬季制熱，達(dá)到一機(jī)

14、兩用的效果。</p><p>　　1.1.2熱泵的分類及特點</p><p>　　由于近幾十年世界能源危機(jī)的加劇，熱泵得到大力地發(fā)展。故熱泵的分類有很多種，從驅(qū)動裝置上區(qū)分，可以分為電動機(jī)驅(qū)動，燃料機(jī)驅(qū)動，燃燒器驅(qū)動；從低位能所處的幾何空間分為大氣源熱泵和地源熱泵；從換熱器所接觸的載熱介質(zhì)分類，可分為空氣/空氣熱泵、空氣/水熱泵、水/空氣熱泵、水/水熱泵、土壤/水熱泵、土壤/空氣熱泵；從低

15、位熱源分類，可分為空氣源熱泵、水源熱泵、土壤源熱泵[2]。接下來從低位熱源分類進(jìn)行詳細(xì)了解。</p><p><b>　?。?） 水源熱泵</b></p><p>　　水源熱泵的主要利用的低位能物質(zhì)是水。水源熱泵的冷熱水源種類很多，比如地下水、江河水、湖泊水、海水、工業(yè)廢水、生活污水等。水源熱泵可以一機(jī)兩用，夏季從室內(nèi)吸收熱量轉(zhuǎn)移到低溫水源中去，冬季將水源內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移

16、到室內(nèi)。水源熱泵相對于空氣源熱泵COP更高，因此更加節(jié)能，而且水源熱泵更加環(huán)保。按照取水源的性質(zhì)不同，水源熱泵可以分為：地表水源熱泵、地下水源熱泵、海水源熱泵和污水源熱泵。</p><p><b>　　①地表水源熱泵</b></p><p>　　地表水源熱泵空調(diào)就是利用的水源為地表的江河、湖泊水，其也可分為閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)的機(jī)組用水是封存在機(jī)組內(nèi)，沒有與外

17、界進(jìn)行水進(jìn)行交換，換熱是通過機(jī)組用水與地表水之間的換熱器進(jìn)行的。開式系統(tǒng)則直接從地表水源抽取機(jī)組用水，經(jīng)過簡單過濾，送人機(jī)組與壓縮工質(zhì)換熱。一般來說開式系統(tǒng)換熱效率較高，且減少了中間環(huán)節(jié)投資費用就較低，而閉式系統(tǒng)減少了二次污染的機(jī)會，清潔度較高。</p><p><b>　?、诘叵滤礋岜?lt;/b></p><p>　　地下水源熱泵一般利用的水源是淺層地下水，也可分為閉

18、式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)將地下水和機(jī)組用水通過換熱器分開，開式系統(tǒng)直接將地下水吸入機(jī)組，與壓縮工質(zhì)進(jìn)行換熱。地下水源熱泵需要配備一個或者多個水井，并且配備水泵。由于地下水資源的緊缺，地下水低位能被利用之后還需回灌地下。由于回灌的地下水要一定的周期才能進(jìn)入地下水層的循環(huán)，故現(xiàn)在發(fā)展地下水源熱泵收到了一定的限制。</p><p><b>　?、酆Ｋ礋岜?lt;/b></p><

19、p>　　海水源熱泵系統(tǒng)主要包括海水循環(huán)系統(tǒng)、水環(huán)熱泵系統(tǒng)及末端空調(diào)系統(tǒng)三部分，其中海水循環(huán)部分由取水構(gòu)筑物、海水引入管道、海水泵站及海水排出管道組成[3]。該系統(tǒng)通過海水構(gòu)筑物直接安全可靠取用海水，海水泵將海水送入熱泵系統(tǒng)并排出熱泵系統(tǒng)。水循環(huán)系統(tǒng)是將海水循環(huán)系統(tǒng)和末端空調(diào)系統(tǒng)的中間熱量交換裝置，其將海水中的地位能傳遞到空調(diào)系統(tǒng)并加以利用。末端空調(diào)系統(tǒng)向建筑物內(nèi)的各個房間分配冷量或者熱量，創(chuàng)造一個舒適的建筑環(huán)境。</p>

20、;<p><b>　?、芪鬯礋岜?lt;/b></p><p>　　城市污水已經(jīng)是現(xiàn)代社會中一個熱點問題，每一個城市都有配套的污水處理廠。然而城市污水易于收集,貯存的熱能較高，可作為熱泵的地位能源，這樣污水源熱泵就應(yīng)運而生了。 污水源熱泵也可分為直接開式系統(tǒng)和間接閉式系統(tǒng)，開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)的原理與之前的相同。但是由于污水存在含有雜物、腐蝕、微生物繁殖等污染問題，絕大部分的污水源熱

21、泵選擇的是間接閉式系統(tǒng)。這樣系統(tǒng)就具有防堵塞、防腐蝕和潔凈的優(yōu)點，但是初投資成本較高。</p><p>　　各式的水源熱泵因為水源的性質(zhì)不同而被細(xì)分，但都作為水源熱泵具備如下的共同特點：</p><p><b>　?、俟?jié)能高效又環(huán)保。</b></p><p>　　水源熱泵利用的是地球表層水最為冷熱源，消耗少量的高位能量獲取大量低位能量。地球表層

22、水的熱能的取得是源于太陽輻射，故這種能源是一種可再生能源，取之不盡用之不竭。水源熱泵運行的能效比(COP)往往能大于3，如果設(shè)計的好能效比可以超過5。水源熱泵在運行過程中幾乎沒有有害物排放，最讓人不放心會破壞大氣層的壓縮工質(zhì)也得到完美的替代。水源熱泵更是在夏季使用時不會周圍環(huán)境的空氣排放熱量，這樣“城市熱島”現(xiàn)象就不會被加劇。</p><p>　?、谠O(shè)計簡單，安裝容易</p><p>　　

23、設(shè)計人員只需根據(jù)房間的冷熱負(fù)荷選取相應(yīng)的水源熱泵機(jī)組, 再加上風(fēng)管系統(tǒng)和冷卻水管系統(tǒng)即可完成設(shè)計要求。鑒于這種系統(tǒng)比中央空調(diào)系統(tǒng)簡單許多, 所以現(xiàn)場安裝也隨之簡單, 只需機(jī)組吊裝低壓風(fēng)管和電氣連接以及冷卻塔、冷卻水泵和溫度調(diào)控裝片這樣, 起到節(jié)省設(shè)計時間和設(shè)計費用, 縮短工期和提高效率的作用[4]。</p><p>　　③初投資少，運行成本低</p><p>　　水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的中

24、央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)。無集中的制冷機(jī)房、鍋爐房、空調(diào)箱房，減少了設(shè)備間的面積。所需的風(fēng)管少，并減少了樓層高度，無保溫的循環(huán)水管系統(tǒng)，減少了材料費用[5]。據(jù)美國環(huán)保署EPA估計，設(shè)計安裝良好的水源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶30～40％的供熱制冷空調(diào)的運行費用，運行費用與常規(guī)方式相比可節(jié)約1/2～1/3[6] 。</p><p><b>　?、苓\行安全穩(wěn)定</b></p><p

25、>　　水源熱泵系統(tǒng)不像傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)需要燃燒及高壓設(shè)備，不會產(chǎn)生爆炸，使用安全。水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點問題[6]。</p><p>　?、莶贾镁o湊，占用空間少</p><p>　　水源熱泵將最主要的部件集成在一個機(jī)組中，對于機(jī)房面積的要求大大降低，甚至可以采用懸掛的方式，使其不需要單獨設(shè)立機(jī)房。

26、水源熱泵又由于不需要設(shè)置的通風(fēng)管道、鍋爐、和附屬設(shè)備, 同樣減少了空間的占用，節(jié)省了建筑面積，易于建筑的美觀。</p><p>　?、抟粰C(jī)兩用，便于計量收費</p><p>　　水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活用水一機(jī)多用，無需室外管網(wǎng)，特別適合低密度建筑物的別墅區(qū)使用。每戶可對空調(diào)系統(tǒng)費用進(jìn)行核算，計費合理方便。對于寒冷的北方地區(qū)， 因為減少了采用集中供熱的熱望系統(tǒng)投資，或取消了燃油

27、、燃?xì)忮仩t，從別墅小區(qū)空調(diào)系統(tǒng)和衛(wèi)生熱水設(shè)備的總投資上看，水源熱泵系統(tǒng)節(jié)省初投資[1]。</p><p><b>　　（2）空氣源熱泵</b></p><p>　　空氣源熱泵的主要利用的低位能物質(zhì)是空氣?？諝馐且环N可再生能源，處處都有，無償獲取，熱泵從空氣中獲取的能量本源于太陽輻射，這種能量是源源不斷的?？諝庠礋岜猛瑯右部梢砸粰C(jī)兩用，并且安裝方便、布置靈活、初投入較低

28、、維護(hù)方便。</p><p>　　空氣源熱泵與地源熱泵一樣優(yōu)點眾多，但也存在了如下幾個問題：</p><p>　?、?當(dāng)室外溫度越低的，建筑需要補(bǔ)償?shù)臒崃烤驮酱?，故空氣源熱泵所須攝取的熱量越大，但空氣所能提供的熱量卻減少，這造成供熱量和耗熱量之間的矛盾。在空氣溫度低于-5℃時，需要輔助熱源對空氣加熱，能效比大大降低[7]；</p><p>　?、?空氣源熱泵冬季運行

29、時，換熱器容易結(jié)霜，這是因為室外溫度低于0℃時，空氣中的水分在換熱盤管表面析出，如果蒸發(fā)器溫度低于0℃就會結(jié)霜。結(jié)霜后盤管傳熱系數(shù)降低，甚至是系統(tǒng)無法運行，為了使系統(tǒng)能正常運行，除霜過程是必須的。但是，除霜過程會帶來部分額外能量的消耗，從而整個熱泵系統(tǒng)的能效比降低了；</p><p>　?、?空氣源熱泵在長期運行的情況下，在換熱器內(nèi)部翅片會產(chǎn)生污垢，這會增大傳熱熱阻，同樣會使COP降低，功耗增加[8]；（4）空氣

30、源熱泵在運行過程中，易產(chǎn)生噪聲、熱風(fēng)等影響周邊環(huán)境。</p><p><b>　　（3）土壤源熱泵</b></p><p>　　土壤源熱泵的主要利用的低位能物質(zhì)是土壤。在地層中一般以土壤深度為15m作為恒溫層的分界線，深度小于15m稱為淺層，大于15m稱為深層。淺層中，不同深度的地層的溫度隨時間變化，深層的溫度一般可以看作穩(wěn)定不變的，而這個溫度比當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁馗?-3

31、℃[9]。現(xiàn)在由于部分小型的土壤源源熱泵初投資費用的限制只對淺層土壤加以利用，而大型地源熱泵利用的是更為高效的恒溫層土壤。</p><p>　　地?zé)嵩礋岜门c普通制冷機(jī)不同之處就是將冷凝器換成土壤耦合熱交換器，它可以水平安裝在地溝中，也可以垂直安裝在豎井中，這樣地源熱泵可以分為臥式系統(tǒng)和立式系統(tǒng)?，F(xiàn)在立式系統(tǒng)利用較多，雖然技術(shù)要求和費用相對于臥式系統(tǒng)要高，但由于城市土地資源緊張，所以選擇立式系統(tǒng)更為合理。土壤源熱泵

32、不僅可以用于冬季采暖，也可以用于夏季制冷，一機(jī)兩用的系統(tǒng)又節(jié)省了設(shè)備投入的費用。</p><p>　　地源熱泵具有10大特點：高效節(jié)能、綠色環(huán)保、節(jié)省投資、節(jié)約費用、節(jié)約用水、靈活控制、健康舒適、性能可靠、安全實用、設(shè)施美觀[10]。</p><p>　　1.1.3熱泵的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　20世紀(jì)70年代，由于阿拉伯國家不滿西方支持以色列而實行石油禁運

33、，導(dǎo)致了第一次能源危機(jī)，全世界開始認(rèn)識到節(jié)能的重要性。上世紀(jì)九十年代的由于海灣戰(zhàn)爭的爆發(fā)，石油供應(yīng)急劇減少，價格開始暴漲，世界又一次進(jìn)入了能源危機(jī)。當(dāng)今社會在經(jīng)歷了多次的能源危機(jī)之后，人們愈發(fā)覺得節(jié)能的重要性。我國是發(fā)展中國家，以高耗能的工業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)。除了工業(yè)能耗，排在我國能耗第二名的是民用和商用能耗，也稱為建筑能耗。2005年，我國的建筑能耗占總能耗的比例達(dá)到了20.7%[11]，而其中建筑空調(diào)的能耗占了建筑總能耗的一半左右。如果將

34、熱泵技術(shù)應(yīng)用于建筑暖通空調(diào)領(lǐng)域，帶來節(jié)能效果是巨大的。熱泵是將低位能源的熱量轉(zhuǎn)移到高位能源，它所能獲得的熱量不緊緊是從低位能源吸收的熱量還有耗費的高位能也同樣以熱量的形式傳遞給了高位能源，所以熱泵得到的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耗費的高位能，在制冷時也可以獲得大于輸入高位能的制冷量。</p><p>　　進(jìn)入21世紀(jì)，由于溫室效應(yīng)以及各種災(zāi)害性天氣地頻發(fā)，人們開始意識環(huán)境保護(hù)已經(jīng)刻不容緩了，為此人們還提出了“低碳環(huán)?！钡纳罾?/p>

35、念。熱泵做為一項高效節(jié)能高效節(jié)能技術(shù)，同時也是一項環(huán)保的技術(shù)，運行過程中不產(chǎn)生廢氣廢渣，也沒其他次生污染。也許有的人會問，熱泵既然與制冷的原理是相同，那空調(diào)系統(tǒng)的中的氟利昂會破壞臭氧層，熱泵又怎么去避免呢。制冷劑行業(yè)發(fā)展快速，當(dāng)人們意識到臭氧層的破壞時，馬上就發(fā)明了更加環(huán)保的制冷劑，而且現(xiàn)在很多天然的物質(zhì)也被用來做制冷劑，比如說水，二氧化碳等，所以這樣的擔(dān)心是沒有必要。</p><p>　　熱泵作為一項高效的節(jié)能

36、環(huán)保技術(shù)，在當(dāng)今節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的地位是相當(dāng)重要的，其發(fā)展也只是在近幾十年才受到人們的關(guān)注，但熱泵的發(fā)明以及應(yīng)用已有近百年的歷史，接下來我們通過類型的不同來看熱泵發(fā)展以及現(xiàn)狀。</p><p><b>　?。?）水源熱泵</b></p><p>　　水源熱泵在20世紀(jì)60年代由美國率先提出，在1955年該技術(shù)申請離了專利，從而很快遍及美國并進(jìn)入商業(yè)化運作[12]。到目前為

37、止水源熱泵已在北美建筑中應(yīng)用了40多年，共安裝了40多萬臺，且用戶以每年10%的速度穩(wěn)步增長。美國在2010年實現(xiàn)了安裝40萬臺熱泵，其中水源熱泵占15%，可降低溫室氣體排放量達(dá)100萬噸，相當(dāng)于減少5萬輛汽車的污染物排放[13]。除了美國，水源熱泵在其他發(fā)達(dá)國家也發(fā)展很快。水源熱泵在法國市場的年增長率達(dá)45%以上，在瑞典、奧地利、河流、日本等國家也得到了很好的發(fā)展[14]。</p><p>　　我國水源熱泵利用

38、始于20世紀(jì)90年代，先引進(jìn)歐洲的技術(shù)產(chǎn)品，再進(jìn)行研究利用。2001年，北京示范項目建成并投入運行，之后空氣源進(jìn)入快速發(fā)展期[15]。2005年，建設(shè)部把水源熱泵在建筑物中的推廣應(yīng)用作為國家資源節(jié)約工作重點之一，當(dāng)時預(yù)計到2010年，水源熱泵中央空調(diào)市場規(guī)模將達(dá)到30億元人民幣[16]。</p><p><b>　?。?）空氣源熱泵</b></p><p>　　空氣源

39、熱泵技術(shù)由于工作原理地地源熱泵相似，在地源熱泵被發(fā)明后，空氣源熱泵也隨之產(chǎn)生。20世紀(jì)70年代世界能源危機(jī)發(fā)生后，熱泵技術(shù)再次進(jìn)入了人們的視野，空氣源熱泵也隨之開始了快速的發(fā)展。但很快人們發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下空氣源熱泵制熱量小，甚至難以運行。日本人Katsuji Yamagami提出利用燃油、燃?xì)馊紵o助加熱的熱泵空調(diào)器來解決低溫工況制熱不足的問題[17]。但這種方法又回到了之前的老路上去了，并沒有實現(xiàn)節(jié)能的初衷。在20世紀(jì)80年代中期有學(xué)

40、者提出帶經(jīng)濟(jì)器的準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)，并在螺桿機(jī)組得到成功應(yīng)用[18]。這樣就很好地解決了空氣源熱泵在低溫下難以運行的問題。據(jù)統(tǒng)計2006年全球市場已經(jīng)售出7000萬臺空調(diào)器，其中71%是熱泵型。熱泵空調(diào)器是如此普遍，當(dāng)人們談到空調(diào)器時常常就是指空氣源熱泵空調(diào)器[19]。</p><p><b>　?。?）土壤源熱泵</b></p><p>　　土壤源熱泵最先于1912年由

41、瑞士人Zolly提出，1949年美國建成了第一個地源熱泵系統(tǒng)[20]。1985年美國全國共有1.4萬臺地?zé)嵩礋岜?，?997年就安裝了4.5萬臺，到2001年為止已安裝了40多萬臺，而且每年以10%的速度穩(wěn)步增長，其中新建筑占30% [20]。</p><p>　　而在國內(nèi)土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展相對較晚，20世紀(jì)90年代，北京的丁良士教授、山東建筑工程學(xué)院方肇洪教授等人先后在美國俄克拉荷馬州立大學(xué)和瑞典、德國、加拿大

42、等地學(xué)習(xí)考察地源熱泵技術(shù)[22]。完成了對土壤源熱泵系統(tǒng)技術(shù)引進(jìn)，我國開始在歐美的基礎(chǔ)進(jìn)行本土化的改造。我國中科院廣州能源研究所于2002年完成了國內(nèi)第一套實用型地?zé)嶂评湎到y(tǒng)和采暖系統(tǒng)[23]。2005年11月31日國家建設(shè)部發(fā)布了《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005),2006年1月1日開始實施，至此我國的地源熱泵的發(fā)展就更加規(guī)范化了。在政府大力支持和倡導(dǎo)下，土壤熱泵的技術(shù)在國內(nèi)逐漸被市場化，每年都會以10%以上的速

43、度增長[24]。</p><p>　　1.2 熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用</p><p>　　空調(diào)是熱泵技術(shù)較早應(yīng)用的領(lǐng)域，熱泵空調(diào)技術(shù)在社會生活中也得到了廣泛的應(yīng)用。熱泵空調(diào)對于傳統(tǒng)的空調(diào)有明顯的優(yōu)勢，一套裝置兩種功效——冬季采暖，夏季制冷。熱泵空調(diào)涉及的領(lǐng)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]。</p><p>　　熱泵空調(diào)在大型建筑或建筑群中的

44、應(yīng)用很早就被開發(fā)出來了。1938～1939在蘇黎世投入歐洲第一臺大功率熱泵空調(diào)的運行，以河水作為低溫?zé)嵩矗べ|(zhì)為R12，夏季也能制冷[25]。1965年天津大學(xué)與天津冷氣機(jī)廠研制成國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機(jī)[26]，該系統(tǒng)是我國大功率熱泵空調(diào)的原型機(jī)。到了上世紀(jì)70年代英國將水環(huán)熱泵空調(diào)廣泛應(yīng)用于5000～20000m2的商業(yè)建筑中[27]?，F(xiàn)在，熱泵空調(diào)在國內(nèi)外大型建筑或建筑群中的應(yīng)用已經(jīng)非常常見了，而且做到了各式熱泵都能被應(yīng)用。&l

45、t;/p><p>　　普通住宅的采暖制冷對于熱泵技術(shù)的發(fā)展稍晚于大型建筑，主要由于對于家庭用戶在熱泵空調(diào)技術(shù)還不是很成熟時完全不能承擔(dān)起一個熱泵空調(diào)系統(tǒng)的建造及運行費用。20世紀(jì)40年代，美國在小型熱泵研究方面取得了很大進(jìn)展，20世紀(jì)50年代，英國生產(chǎn)了許多小型民用熱泵空調(diào)[25]。我國在1965年，由上海冰箱廠研制出第一臺制熱量為3720W的窗式熱泵空調(diào)[26]。在近60年的發(fā)展后，現(xiàn)在熱泵空調(diào)在普通的住宅中的空調(diào)

46、應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)的地位。據(jù)統(tǒng)計2006年全球市場已經(jīng)售出7000萬臺空調(diào)器，其中71%是熱泵型[28]</p><p>　　1.2.1水源熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用</p><p>　　空調(diào)對水源熱泵的應(yīng)用可以分為兩類，一是水/水熱泵，二是水/空氣熱泵。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以按照系統(tǒng)開閉形式，分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)中的低位能水源直接進(jìn)入空調(diào)機(jī)組，閉式系統(tǒng)正好相反，低位水源只將熱量傳遞給空調(diào)

47、機(jī)組。水源熱泵空調(diào)對于前兩種熱泵空調(diào)具有更高的傳熱效率，更加穩(wěn)定的運行。</p><p>　　水源熱泵空調(diào)其特殊性在于：在空調(diào)設(shè)計中要對工程所在地的水文地質(zhì)進(jìn)行勘察，其中包括地下水文地質(zhì)勘察、地表水文地質(zhì)勘察和其他水文地質(zhì)勘察。地表水文地質(zhì)勘測，在工程安裝水源熱泵空調(diào)，要事先對工程周圍的水源水文地質(zhì)進(jìn)行勘測。勘測的內(nèi)容有：地表水源性質(zhì)，水面用途，水面面積、深度已經(jīng)容量，地表水的水溫變化、水位變化、流速變化、水質(zhì)變

48、化和引起腐蝕與結(jié)垢的主要成分，取水和回水的事宜點及路線。地下水水文地質(zhì)勘測，應(yīng)對工程區(qū)地下水文質(zhì)地條件進(jìn)行勘測?？睖y的內(nèi)容有：地下水類型；含水層巖性、分布、埋深及厚度；含水層的富水性和滲透性；地下水徑流方向、速度和水力坡度；地下水水溫及其分度?？辈旌蟮玫酱_切的水源資料，才能進(jìn)行空調(diào)設(shè)計計算，選擇適當(dāng)?shù)乃礋岜眯问胶蜋C(jī)組規(guī)格。</p><p>　　水源的特性往往對于水源熱泵空調(diào)性能影響很大，其中水質(zhì)、水溫、水流量是

49、最為重要的三個因素。</p><p><b>　　（1）水質(zhì)</b></p><p>　　水源熱泵使用的水源一般都是含有大量的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會影響換熱器的換熱性能以及機(jī)組的使用壽命。水中對水源熱泵有害的成分有：鐵、鎂、鈣、氯離子、酸堿度等。這些成分能造成結(jié)垢、腐蝕、油污、渾濁度與含沙量高。</p><p>　　結(jié)垢，水中含有的鈣、鎂、鐵離子容易

50、在換熱器表面析出沉淀，形成水垢增大熱阻，降低了換熱率，增加了電耗。</p><p>　　腐蝕，當(dāng)水源熱泵系統(tǒng)中有一定數(shù)量的Cl- 、SO42- 離子存在時, Mg2+ 離子會加速Fe2+ 的游離, 使金屬壁的腐蝕速度加快。當(dāng)?shù)叵滤泻杏坞x的CO2 時, 游離的CO2 溶解于水,而碳酸在水溶液中電離。電離出來的氫離子是陰極去極化劑, 因而引起了氫的去極化腐蝕, 使金屬壁均勻減薄。銅在淡水中的腐蝕速率較低。但當(dāng)水中

51、氧和二氧化碳含量較高時, 銅的腐蝕速率增加。另外, 氯離子的存在也會加劇系統(tǒng)管道的局部腐蝕[29]。另外水中還有大量的微生物，微生物的生長繁殖中會產(chǎn)生大量具有腐蝕性的物質(zhì)，這樣就會引起管道系統(tǒng)的腐蝕。</p><p>　　油污，來至于設(shè)備的潤滑系統(tǒng)泄露出來的，油污輔佐在管壁的周圍會影響傳熱的效果，減少機(jī)組的使用壽命。</p><p>　　渾濁度與含沙量高，水中的固體顆粒多，泥沙量大的話會在

52、管路內(nèi)速度較小或者管路較窄的地方沉積，最后堵塞管道，影響管路的暢通。含沙量高還會磨損管道和閥門，這樣會降低機(jī)組的壽命。</p><p>　　國內(nèi)尚無水源熱泵的的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，參照國家冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)( GB50050 95) 、地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)( GB T14848 93) 的有關(guān)規(guī)定，參見下表。</p><p>　　表1 地下水水質(zhì)參考表</p><p>　　由于自然環(huán)境

53、的下的水質(zhì)很難保證，在水進(jìn)入水源熱泵機(jī)組之前要做好處理措施，一般有防垢、防腐、防堵和防止微生物滋生。（1）防垢是投放一些能夠去除水中的鈣離子和鎂離子的藥劑，在一定的時間內(nèi)能夠防止管道能生成水垢。（2）防腐是在管道內(nèi)涂上一層具有高防腐蝕的涂料，同時也可以使用一定的化學(xué)方法將易對管壁腐蝕的成分去除。（3）防堵是將含泥沙量高的水在進(jìn)入機(jī)組之前利用過濾網(wǎng)或者電離的方法將其去除，使其不能在管道彎處和縮小處形成堵塞。（4）防止微生物的滋生是因為最為

54、熱源的水源恰恰是微生物繁殖的適宜溫度，在水中投放一些滅菌劑等消毒藥物即可防止微生物滋生</p><p><b>　?。?）水溫</b></p><p>　　水溫對水源熱泵空調(diào)的換熱效率的影響是非常大的。當(dāng)水在冬季作為供熱源時，一般希望水溫越高越好，在夏季作為冷卻水水溫的要求就剛好相反。但考慮到蒸發(fā)溫度不能過高，會使得壓縮機(jī)進(jìn)氣過熱度過大，最終使得排氣溫度過高。排氣溫度

55、過高，會使系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性下降，還會使壓縮機(jī)內(nèi)的潤滑油炭化，影響系統(tǒng)的使用壽命。</p><p><b>　?。?）水量</b></p><p>　　水量對于整個水源熱泵系統(tǒng)的效能起著至關(guān)重要的作用。在供熱工況下，水流量增大，蒸發(fā)壓力增大，制熱量也增加，COP值也增大。在制冷工況下，水流量增大，冷凝壓力降低，制冷量就增加了，COP值也增大。但是水流量的增大到一定程度，

56、水源熱泵系統(tǒng)的效能會趨于一個穩(wěn)定值，不會一直增加下去的，所以適當(dāng)增加水流量能給整個系統(tǒng)帶來增效又增益的效果。</p><p>　　本文將要研究的是海水源熱泵，作為海水源熱泵應(yīng)用于空調(diào)，有幾個特殊問題值得注意：</p><p>　　（1）海水腐蝕性強(qiáng)。</p><p>　　海水含鹽量較高，含有大量的NaCl、MgO、Na2SO4等對金屬有高腐蝕性的成分，這些成分形成的

57、陰陽離子能使金屬產(chǎn)生電極效應(yīng)，使得金屬內(nèi)的原子極易被氧化。很多在海水中的設(shè)備因為腐蝕問題，沒多少時間就成為破銅爛鐵，因此海水源熱泵系統(tǒng)防腐蝕問題值得重視。</p><p>　　（2）海水含大量泥沙</p><p>　　海水中還有大量的泥沙，特別是近海的海水多為渾濁的黃色。海水中的泥沙要防止進(jìn)入水源熱泵系統(tǒng)中，以免堵塞管道，損壞熱泵系統(tǒng)。</p><p><b&

58、gt;　?。?）海洋微生物</b></p><p>　　洋是生命的天堂，海水中生長的大量的藻類和菌類，如果取水時同時將這些微生物抽入系統(tǒng)，輕則降低系統(tǒng)效率、堵塞管道，重則腐蝕管道，破壞系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2 空氣源熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用</p><p>　　空氣源熱泵空調(diào)也稱風(fēng)冷式空調(diào)，主要包括空氣/空氣熱泵和空氣/水熱泵兩種類型。空氣源熱泵

59、空調(diào)相對于傳統(tǒng)空調(diào)制冷時不需要冷卻系統(tǒng)，制熱時不需要再單獨設(shè)置熱源?？諝庠礋岜每照{(diào)小巧、安裝方便，特別適合小型建筑和家用，故其是現(xiàn)在使用最多的熱泵空調(diào)，現(xiàn)在家中安裝的家用空調(diào)絕大多數(shù)都是空氣源熱泵空調(diào)。</p><p>　　空氣源熱泵空調(diào)具備熱泵各種優(yōu)點，但應(yīng)用到空調(diào)領(lǐng)域也產(chǎn)生了相應(yīng)的問題：冬季，供熱量和需熱量的矛盾。冬季，當(dāng)室外氣溫下降時，空氣源熱泵的供熱量減少，而建筑物的耗熱量卻增加，這造成了空氣源熱泵空調(diào)供

60、熱量與建筑耗熱量之間的供需矛盾[11]。當(dāng)空氣源熱泵所能提供的熱量等于建筑的耗熱量時的溫度稱為平衡點溫度。在這個溫度之上，空調(diào)滿足建筑耗熱量，供熱效率高；在這個溫度之下，空調(diào)不能提供足夠熱量，需要其他輔助設(shè)備供熱。</p><p>　　在1965年,上海冰箱廠研制成功我國第一臺制熱量為3720W的CKT-3A熱泵型窗式空調(diào)器。20世紀(jì)80年代初,大量地引進(jìn)國外空氣源熱泵技術(shù)和先進(jìn)生產(chǎn)線，我國空氣源熱泵空調(diào)才開始快

61、速發(fā)展[31]。2003年，家用空調(diào)器的產(chǎn)量已達(dá)4800萬臺，產(chǎn)值近1000億元[32]，其中絕大多數(shù)都是空氣源熱泵空調(diào)。</p><p>　　1.2.3土壤源熱泵在空調(diào)中的應(yīng)用</p><p>　　空調(diào)對于土壤源熱泵的利用包括土壤/水熱泵和土壤/空氣熱泵。土壤源熱泵空調(diào)將15~300m 深的土壤、沙石、卵石、含水層及巖石的地層作為熱泵系統(tǒng)的“蓄熱體”，夏季制冷時將熱泵機(jī)組的“冷凝熱”排放

62、到土壤中，冬季采暖時由熱泵機(jī)組從土壤中獲取所需的熱量[33]。</p><p>　　土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)的不同之處有二點：其一，不需要單獨設(shè)置熱源在冬季供暖；其二，使用土壤耦合換熱器，這類換熱器與傳統(tǒng)換熱器很大的區(qū)別，要根據(jù)土壤條件進(jìn)行單獨設(shè)計。</p><p>　　恒溫層土壤溫度比年平均溫度高1～3℃，在夏季作為冷凝器的土壤耦合換熱器的出水溫度在35～40℃之間，土壤溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于

63、這個溫度。這樣的溫差非常有利于提高整個空調(diào)系統(tǒng)的制冷系數(shù)。在冬季，土壤耦合換熱器在較高的土壤溫度作用下，使蒸發(fā)器的出水溫度能遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于室外氣溫，同樣空調(diào)系統(tǒng)的制熱系數(shù)被大大提高。</p><p>　　土壤耦合換熱器是土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容，主要包括土壤耦合換熱器形式及管材選擇, 管徑、管長及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等[34]。</p><p>　　敷設(shè)形式，常見

64、的埋地?fù)Q熱器敷設(shè)形式有以下3種:第一種水平敷設(shè)，適合有足夠空閑場地的水平敷設(shè)形式。其特點是施工方便,而且造價低；傳熱系數(shù)低,容易受地面溫度波動的影,占地面積大。第二種垂直敷設(shè)。適合于場地小的場合，特別是改建工程。其特點是占地面積小, 深層土壤地溫穩(wěn)定性好,需要鉆孔,增加了成本。第三種混合敷設(shè)，結(jié)合了1、2的優(yōu)點，但是管道復(fù)雜,并且阻力大。在實際工程中,一般采用垂直埋管布置方式。</p><p>　　選擇管材，地源

65、熱泵系統(tǒng)前期主要采用金屬材料作埋地?fù)Q熱器. 但是由于金屬材料抗腐蝕能力差、使用壽命短,限制了其發(fā)展。隨著材料科學(xué)的發(fā)展,塑料管材由于其與土壤良好的匹配性能、抗腐蝕能力強(qiáng)、造價合理等優(yōu)點在土壤源熱泵系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。目前最常用的是聚乙烯(PE)和聚丁烯( PB )管材。</p><p>　　世界范圍內(nèi)土壤源熱泵已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中，我國雖然對技術(shù)的引進(jìn)較晚，但經(jīng)過奮起直追，現(xiàn)在已經(jīng)有了相當(dāng)市場。據(jù)統(tǒng)計，

66、2010年全國土壤熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用面積達(dá)到5.4億㎡，到2020年將達(dá)到13.1億㎡[24]。</p><p>　　1.3 海水源熱泵在船舶空調(diào)中的應(yīng)用</p><p>　　1.3.1船舶空調(diào)的介紹</p><p>　　現(xiàn)代船舶已經(jīng)發(fā)展成為巨型化和具備高續(xù)航能力，船舶航行的范圍大、周期長，裝載的貨物和人員多。海上環(huán)境變化快，船舶環(huán)境也隨之會發(fā)生變化，船上人員需卻要

67、在船上長期的工作和停留，船上環(huán)境對于船員的生存起著重要的作用?，F(xiàn)代船舶裝備了各種高端的電子設(shè)備和精密儀器，它們的工作正常和運行可靠與船上環(huán)境的情況息息相關(guān)，船上的大宗貨物的保質(zhì)保鮮也要取決于船上環(huán)境適宜情況。為保證船舶安全航行、船員的舒適和貨物的保存，空調(diào)系統(tǒng)是各種船舶上不可或缺的設(shè)備。它創(chuàng)造適宜人生存的微氣候條件，保證了儀器設(shè)備的正常運行，確保貨物的貯藏。</p><p>　　船舶上環(huán)境需要滿足人舒適生存和貨物

68、的保質(zhì)的要求，故船舶空調(diào)可以分為舒適性空調(diào)和工藝性空調(diào)。</p><p><b>　?。?）舒適性空調(diào)</b></p><p>　　舒適性空調(diào)夏季要消除船艙內(nèi)的余熱和余濕，冬季彌補(bǔ)船艙的熱損失和保持一定的相對濕度，但一些熱設(shè)備的船艙冬季也需要消除艙內(nèi)的余熱。</p><p>　　船舶航行的范圍廣，外界的空氣參數(shù)不斷在發(fā)生變化，船舶舒適性空調(diào)應(yīng)按

69、照全年空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，環(huán)境溫度高時保證余熱的消除，環(huán)境溫度低時保證熱量的補(bǔ)充；環(huán)境濕度鋯石保證余濕的消除，環(huán)境濕度低時又要保證加濕。</p><p>　　舒適性空調(diào)目的是創(chuàng)造一個舒適的工作或生活環(huán)境，以利于提高工作效率或維持良好的健康水平。但對溫度濕度的等空氣參數(shù)要求并不是很精確，允許有較大的波動范圍，只要滿足大多數(shù)人的需求就可以了，故舒適性空調(diào)的控制系統(tǒng)相對簡單一些。</p><p>

70、<b>　　（2）工藝性空調(diào)</b></p><p>　　工藝性空調(diào)對溫度、濕度和清潔度等空氣參數(shù)控制精確，允許波動范圍小，一般還可以分為降溫性空調(diào)、恒溫恒濕空調(diào)和凈化性空調(diào)。船舶工藝性空調(diào)的設(shè)計一般要根據(jù)該船的所運輸?shù)呢浳锏囊?。比如干貨船上裝備的工藝性空調(diào)要防止貨物在運輸過程中散出的余濕或者船艙外的余濕破壞艙內(nèi)貨物的質(zhì)量或者腐蝕船體，故要將艙內(nèi)空氣的濕度保持在一個特定值以內(nèi)。比如油船上的

71、工藝性空調(diào)不僅要控制儲油槽的溫度濕度防止槽壁被腐蝕，還要避免儲油槽爆炸需降低氧氣的含量，并且要充入惰性氣體。該工藝性空調(diào)須保證儲槽內(nèi)的氧氣含量小于5%，空氣的相對濕度不大于50%[35]。</p><p>　　我國船舶空調(diào)技術(shù)是從支持國防建設(shè)中發(fā)展起來的, 隨著造船事業(yè)的發(fā)展也得到了迅速發(fā)展。近20年，我國的船舶工業(yè)在得到了飛速的發(fā)展，船用空調(diào)技術(shù)也突飛猛進(jìn)。目前我國船舶空調(diào)技術(shù)能夠滿足各類艦船、商船的需求，并隨

72、著行業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，設(shè)備的設(shè)計和配套己基本能夠體現(xiàn)本行業(yè)的新技術(shù) [36]。</p><p>　　1.3.3海水源熱泵在船舶空調(diào)中的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　我國的青島東部開發(fā)區(qū)采用的空調(diào)熱泵站區(qū)域供暖工程。但海水源空調(diào)熱泵在船舶上的應(yīng)用國內(nèi)還未見報道,僅有上海船舶設(shè)備研究所研制的20kW制冷量的空調(diào)熱泵空調(diào)器在個別船舶上得到了應(yīng)用[37]。</p><p&g

73、t;　　為何海水源熱泵應(yīng)用于船舶空調(diào)在還只能停留在研究階段，沒有大規(guī)模應(yīng)用呢。主要有三個原因制約了其發(fā)展：</p><p>　　（1）熱泵系統(tǒng)取水口水流不穩(wěn)定。海水源熱泵所需的冷取水或者冷凝水為海水，船舶在航行的對于海面有一個相對的速度，而且這個速度較大，導(dǎo)致取水口取得的水流量不穩(wěn)定。這樣與換熱器進(jìn)行換熱的水量也不穩(wěn)定，換熱效率容易波動，最后造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，效能降低。</p><p>

74、　?。?）航行中海水溫差大，船用的海水源熱泵系統(tǒng)裝載在船舶上，船舶遠(yuǎn)航時要經(jīng)過不同的海域，然而由于不同維度太陽輻射不同，以及洋流的影響，不同海域的海水溫度相差甚遠(yuǎn)。海水溫度變化大，引起系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。</p><p>　?。?）航行中船體晃動。船體晃動易引起空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)不能順利進(jìn)行，系統(tǒng)流體要克服更大的循環(huán)阻力，造成運行過程中性能不穩(wěn)定甚至是無法運行。</p><p>　　海水源熱泵空

75、調(diào)具有節(jié)能高效的特點，可以作為新型節(jié)能技術(shù)用于船舶空調(diào)系統(tǒng)，這樣整個船舶能耗下降，空調(diào)系統(tǒng)占船舶能耗的比例也降低了，而且海水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有環(huán)保的特性，對海洋環(huán)境不會造成污染。海水源熱泵一般為一機(jī)兩用，當(dāng)經(jīng)過不同緯度的時候室外氣溫可能變化巨大，幾天前是制冷空調(diào)，幾天后又是供熱空調(diào)了，這樣一套系統(tǒng)就可以解決，節(jié)省了初投資的費用。</p><p>　　圖1 常規(guī)船舶空調(diào)系統(tǒng)</p><p>

76、;　　圖2 海水源熱泵船舶空調(diào)系統(tǒng)</p><p>　　1.4 本文需要解決的問題及意義</p><p>　　船舶作為能源消耗和排放大戶，節(jié)能減排形勢十分嚴(yán)峻。在這種背景下，以高效、節(jié)能、環(huán)保為主要特征的綠色能源系統(tǒng)——水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的船舶供暖空調(diào)裝置技術(shù)應(yīng)運而生。目前該技術(shù)在船舶上得不到廣泛應(yīng)用的主要原因為：船舶是個運動的載體，航行過程中，取水口處流速的變化，從而對熱泵系統(tǒng)

77、運行造成影響，造成系統(tǒng)性能不穩(wěn)定，影響使用。</p><p>　　本文將嘗試解決取水口流速變化給海水源熱泵性能穩(wěn)定性的影響，使獲取平穩(wěn)的水流速度，增加系統(tǒng)運行的可靠性。本文將推進(jìn)海水源熱泵在船舶上的應(yīng)用，對其進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造具有重要的現(xiàn)實意義。本文設(shè)想在船舶取水口之后設(shè)置一個靜壓箱，而海水源熱泵的需要用水，再向靜壓箱中抽取，以保證熱泵系統(tǒng)用水的水流速度的穩(wěn)定。</p><p>　　2

78、流場數(shù)值模擬基礎(chǔ)</p><p><b>　　2.1 提出方案</b></p><p>　　船舶用的熱泵系統(tǒng)有上述那么多的好處，但在現(xiàn)實中使用并不廣泛，主要是存在的問題還難以解決，沒有大大優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備。本文嘗試降低海水源熱泵在船舶應(yīng)用中，取水口速度的變化對整個熱泵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和可靠性的影響，必須將取水口的速度控制在一定的范圍內(nèi)。</p><p&

79、gt;　　本文解決問題的想法來自空調(diào)風(fēng)管上的靜壓箱，其原理是在風(fēng)速較大的地方設(shè)置一個空間突然變大的容器，使得風(fēng)的動壓下降，靜壓增加，從而達(dá)到降低流速、減少震動和噪音的作用。</p><p>　　在船舶中設(shè)置同樣作用的靜壓箱，已達(dá)到對取水口的水流速度的控制。先將船舶外的海水送人靜壓箱，再將靜壓箱中速度得到控制的海水引入熱泵系統(tǒng)，以提供熱泵系統(tǒng)換熱。這樣用于換熱的水將不會受到取水口水流速度變化影響，保證其換熱的穩(wěn)定性

80、。</p><p>　　靜壓箱的設(shè)置有一些需要一定的設(shè)計，不是放個大水箱在船舶內(nèi)就可以了。對于箱內(nèi)的進(jìn)水口，熱泵系統(tǒng)取水口和溢流口的位置不同設(shè)置都會影響箱內(nèi)水流的流場。如果設(shè)置不合理，同樣不能得到適當(dāng)?shù)乃魉俣龋瑹岜孟到y(tǒng)的穩(wěn)定就不能保證，那設(shè)置靜壓箱的意義就蕩然無存了。</p><p>　　對于靜壓箱內(nèi)流場的研究有兩種，一是進(jìn)行軟件模擬，二是實物實驗。由于現(xiàn)在模擬軟件已經(jīng)做的非常完善，還有

81、考慮成本的問題，本文先利用軟件模擬對靜壓箱的規(guī)格參數(shù)進(jìn)行研究，在進(jìn)行實物實驗。</p><p>　　現(xiàn)在對流場的模擬的軟件種類很多，本文將采用CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件群（中文全稱為計算流體動力學(xué)軟件群）中的專門應(yīng)用于流體模擬的軟件包——Fluent。</p><p>　　具體的模擬的步驟如下：</p><p>　?。?）

82、 靜壓箱物理模型的建立及分析。</p><p>　?。?） 進(jìn)水口位置的優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　?。?） 熱泵取水口位置的優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　?。?） 靜壓箱的大小的優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　?。?） 不同的進(jìn)水速度對取水口速度的影響。</p><p>　　2.2 流體力學(xué)基礎(chǔ)</p>

83、<p>　　流體力學(xué)是以流體為研究對象，研究流體在平衡、運動時宏觀物理量(具有大量流體分子統(tǒng)計平均特性)的變化規(guī)律，以及流體和固體之間的相互作用的力學(xué)特點的一門學(xué)科[38]。故對于箱內(nèi)海水的流場分析的是建立在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，模擬軟件的編寫也是建立在流體力學(xué)的基本理論之上。</p><p><b>　　2.2.1基本方程</b></p><p>　　流體流

84、動與換熱現(xiàn)象無處不在，具體的表現(xiàn)形式多種多樣，所有變化萬千的流動與傳熱過程都受做基本的三個物理規(guī)律的支配，即質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒。</p><p>　　質(zhì)量守恒方程 (mass conservation equation)又稱連續(xù)性方程(eontinuty equation)，單位時間內(nèi)流入和流出控制體的凈質(zhì)量等于同時間內(nèi)控制體內(nèi)的密度變化的質(zhì)量。</p><p>　　質(zhì)量守恒方

85、程數(shù)學(xué)微分表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中為密度（kg/m3），t為時間（s），、、分別為x、y、z三個方向的速度分量（m/s）。</p><p>　　該方程是質(zhì)量守恒方程的一般形式，若對于恒定流，，其形式變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　（2-2）<

86、/b></p><p>　　動量守恒方程(momentum conservation equation)滿足與牛頓第二定律，對于流體可描述為：對于一個流動微元，其動量對于時間的變化等于該時間內(nèi)外界作用在該微元的力之和。</p><p>　　動量守恒方程數(shù)學(xué)表達(dá)微分表達(dá)式為[38]:</p><p><b>　?。?-3）</b></

87、p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中，p為流體微元上的壓強(qiáng)(Pa)，、、等是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力的分量(Pa)，、、為3個方向的單位質(zhì)量力（m/s2），若只收到重力，且z軸垂直向上，則==0，= -g = -9.81（

88、m/s2）</p><p>　　能量守恒方程(energy conservation equation)滿足熱力學(xué)第一定律，可描述為：微元中的能量的增加等于進(jìn)入微元的熱量與力對微元做的功之和。</p><p>　　能量守恒方程數(shù)學(xué)微分表達(dá)式為:</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中:

89、T是溫度，是導(dǎo)溫系數(shù)或熱擴(kuò)散系數(shù)，，qR為單位時間內(nèi)因輻射使單位質(zhì)量流體獲得的熱量；為由于粘性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，稱為耗散函數(shù)，是粘性耗散項的主要部分。</p><p><b>　　其計算式為：</b></p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　以上三組方程為流體流動傳熱過程中所遵循的最基

90、本守恒原則，是計算流學(xué)與計算傳熱學(xué)的基礎(chǔ)。而自然界及工程實際中絕大部分的流體流動是不的湍流運動。湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動[39]。在湍流中流體的各種物理參數(shù)，如速度、壓力、溫度等都隨時間與空間發(fā)生隨變化，沒有精確解，數(shù)值計算就成為比較有效的方法。關(guān)于湍流運動與換熱的數(shù)值計算，是目前計算流體力學(xué)與傳熱學(xué)中困難最多因而研究最活躍的領(lǐng)域之一。</p><p>　　2.2.2流體的分類</

91、p><p>　　流體可以根據(jù)自身的粘滯性、壓縮性和摩擦性等物理性質(zhì)進(jìn)行分類，一般可分為以下三種。</p><p>　?。?）理想流體和實際流體</p><p>　　理想流體和實際流體的區(qū)分在于是否考慮流體的粘滯性，在理論研究初期，研究者往往為了簡化將流體看成沒有粘滯性的理想流體。隨著研究的深入和計算水平的提高，研究者希望得到更準(zhǔn)確的研究結(jié)果，流體的粘滯性必須被考慮，即引

92、入實際流體的概念。</p><p>　　現(xiàn)在對流體的模擬中，一般會考慮到流體的粘滯性，當(dāng)做實際流體進(jìn)行處理。本文接下來對靜壓箱流場的模擬過程將海水作為實際流體處理，考慮其粘滯性。</p><p>　　（2）可壓縮流體和不可壓縮流體</p><p>　　可壓縮流體和不可壓縮流體的區(qū)分在于是否考慮流體的可壓縮性，即流體的密度是否隨著壓強(qiáng)改變而變化。現(xiàn)實中流體的密度肯定會

93、隨著壓強(qiáng)的變化而變化，但是當(dāng)密度變化很小時，可以視為不變。一般液體流動均可當(dāng)做不可壓縮流體進(jìn)行計算；一般氣體速小于50m/s，其壓縮性也很小，也可以當(dāng)做不可壓縮流體。本文模擬的流體為海水，故在之后的模擬計算中均視為不可壓縮流體。</p><p>　　（3）牛頓流體和非牛頓流體</p><p>　　牛頓流體和非牛頓流體的區(qū)分在于是否流體內(nèi)部摩擦與速度關(guān)系不同，切應(yīng)力（摩擦力）與速度梯度符合線

94、性分布的流體為牛頓流體，反之切應(yīng)力與速度梯度不符合線性分布的流體為非牛頓流體。非牛頓流體還可以分為塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體三種。</p><p>　　2.2.3 流體流動的描述</p><p>　　流體力學(xué)中對于流體運動的描述可以分為兩種，拉格朗日法和歐拉法。</p><p><b>　?。?）拉格朗日法</b></p>

95、<p>　　拉格朗日法研究運動流體中的每一個質(zhì)點，分析其位置、壓強(qiáng)、流速等運動參數(shù)，再由點及面，由面及體來看整個流場的運動規(guī)律。拉格朗日法將運動參數(shù)看作位置和時間的函數(shù)，用公式表示如下：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中x，y，z為質(zhì)點的坐標(biāo)，t為時間（s）。</p><p>　　可得該質(zhì)點速度

96、公式：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　可得該質(zhì)點加速度公式：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?）歐拉法</b></p><p>　　歐拉法研究整個流場不同位置的流體質(zhì)

97、點的運動參數(shù)（壓強(qiáng)、流速、密度等）隨時間變化的分布規(guī)律，再整合到整個流場進(jìn)行對流場的描述。其數(shù)學(xué)表達(dá)式：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中x，y，z為質(zhì)點的坐標(biāo)，B代表流體質(zhì)點的運動參數(shù)，即壓強(qiáng)、流速、密度。</p><p>　　在一般的流體力學(xué)計算中，歐拉法應(yīng)用的較為廣泛，但是這兩種流體流動的描述方法

98、可以相互轉(zhuǎn)化。</p><p>　　2.2.4 層流與湍流</p><p>　　流體在流動中，根據(jù)其內(nèi)部質(zhì)點是否有條不紊地流動可以分為層流和湍流。層流宏觀上來說有規(guī)則的粘性流體運動。湍流又稱紊流，流體流動不按照簡單的規(guī)律，作隨即無序的運動。</p><p>　　流體是層流還是湍流的判斷依據(jù)就是雷諾數(shù)（Reynolds number），雷諾數(shù)的公式如下：</p&

99、gt;<p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中Re為雷諾數(shù)，為流體密度（kg/m3），為流體特征速度（m/s），為特征長度（m），為流體粘滯性系數(shù)。</p><p>　　對于圓管內(nèi)流動，特征長度可取為圓管徑d,其臨界雷諾數(shù)通常為2000，即＜2000為層流，≥2000為湍流。對于非圓管流動，特征長度取為當(dāng)量直徑，臨界雷諾數(shù)根據(jù)實

100、際問而定，如正方形和正三角形的臨界雷諾數(shù)仍可近似取為2000，而偏心環(huán)空縫隙僅為1000[38]。</p><p>　　在現(xiàn)實的流動中單一的層流和湍流都是不存在的，都是兩者皆有的。湍流是自然界最為普遍的流動運動，流動的絕大部分形式都是湍流。</p><p>　　流體的流動根據(jù)不同的區(qū)分方式，還可以分為：定常流動和非定常流動、均勻流和非均勻流、有旋流和無旋流等。</p><

101、;p><b>　　2.3 軟件簡述</b></p><p>　　CFD（Computational Fluid Dynamics）軟件的中文全稱為計算流體動力學(xué)軟件，其是建立在經(jīng)典流體力學(xué)與數(shù)值模擬計算方法基礎(chǔ)之上的流體數(shù)值模擬軟件。CFD模擬的目的是作出預(yù)測和獲得信息，以達(dá)到對流體流動的更好控制。理論的預(yù)測出自于數(shù)學(xué)模型的結(jié)果，而不是出自于一個實際的物理模型的結(jié)果。數(shù)學(xué)模型主要是由一

102、組微分方程組成，這些方程的解就是CFD模擬的結(jié)果。CFD的基礎(chǔ)是動量、能量、質(zhì)量守恒方程，在實際的應(yīng)用中還會綜合利用其它的方程[40]。它的特點是兼?zhèn)淞死碚撔院蛯嵺`性，為現(xiàn)代科學(xué)研究中復(fù)雜的流動和傳熱問題提供有效的模擬方法。</p><p>　　2.3.1 Fluent軟件介紹</p><p>　　Fluent軟件基于CFD軟件的思想，在當(dāng)今科學(xué)研究深受喜歡，是本次研究應(yīng)用的主要軟件。F

103、luent軟件包的結(jié)構(gòu)由前處理、求解器及后處理三大模塊組成。Fluent軟件包中采用Gambit作為專用的前處理軟件，用于制作模型和讀取AutoCAD等軟件生成模型，并進(jìn)行網(wǎng)格化，并且可以；采用Fluent對Gambit生成的模型各種參數(shù)條件進(jìn)行定義，再進(jìn)行求解；采用Tecplot軟件進(jìn)行后期可視化處理。</p><p>　　圖3 各種軟件關(guān)系圖</p><p>　　Fluent具有豐富

104、的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后期處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計、石油天熱氣、渦輪機(jī)設(shè)計等方面有著廣泛的應(yīng)用。Fluent能解決的問題可以歸結(jié)一下幾個方面[41]：</p><p>　　a 采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計算二維和三維流動問題。計算過程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)。</p><p>　　b 可壓縮與不可壓縮流動問題。</p><p>　

105、　c 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)穩(wěn)態(tài)。</p><p>　　d 無粘流、層流及湍流問題。</p><p>　　e 牛頓流體及非牛頓流體。</p><p>　　f 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）。</p><p>　　g 導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題。</p><p><b>　　h 輻射換熱</b></p

106、><p>　　i 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬。</p><p>　　j 多運動坐班系下的流動問題。</p><p>　　k 化學(xué)混合與反應(yīng)。</p><p>　　l 可以處理熱量、質(zhì)量、動量和化學(xué)組分的源項。</p><p>　　m 用lagrangian軌道模型模稀虛相（顆粒、水滴、氣泡等）。</p&

107、gt;<p><b>　　n 多空介質(zhì)流動。</b></p><p>　　o 一堆風(fēng)扇、熱交換器性能計算。</p><p>　　p 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動。</p><p>　　2.3.2fluent的特點</p><p>　　Fluent得到廣泛應(yīng)用，是其相交于傳統(tǒng)的實驗研究方法具備以下的優(yōu)點：<

108、;/p><p>　　(1)功能強(qiáng)，適用面廣。Fluent可以獲得對流體流動，質(zhì)量能量傳遞等過程的深入細(xì)致的描述，并且適用各種流體模型。</p><p>　　(2)高效，省時。Fluent省卻了科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動，而可以將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上?？梢源蟠蠊?jié)省研究設(shè)計所花的時間及成本；</p><p>　　(3)

109、 Fluent可以用在那些無法實現(xiàn)測量的場合，如高溫、危險的環(huán)境；</p><p>　　(4)Fluen允許改變實驗條件、參數(shù)，以獲得在一般實驗中很難得到的大量信息資料； </p><p>　　(5)在傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，大量的創(chuàng)新思路或設(shè)想難以驗證，而在Fluen技術(shù)輔助開發(fā)環(huán)境中，新設(shè)想的驗證變得容易，設(shè)計者和工程師們直接利用Fluen技術(shù)分析驗證他們的新想法，因此有助于進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新<