第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
我国北方地区城镇集中供暖地域辽阔，涵盖华北地区、西北地区和东北地区。北方地区城镇集中供暖能耗逐渐增加。据统计[1]，2015 年建筑能耗约为 7.696 亿吨标煤，约占全国能源消费总量的 19.5%，而北方地区城镇集中供暖耗能约 1.84 亿吨标煤，占北方地区建筑能耗 50%以上。同时，随着社会的快速发展和人民生活水平的提高，北方地区供暖面积和供暖负荷也逐年增加，存在高密度供暖的现状。我国供暖面积以每年 10%的速度增加，在 2013年，我国供暖面积已达 120 亿平方米。北方地区供暖需求与日俱增，许多城市的供暖系统已经接近饱和运行，北方城镇集中供暖存在热源紧张和一次管网输配能力不足的问题，难以满足北方城镇化快速发展的需求[2-3]。北方地区现有供暖热网大部分都采用间接供热方式，一次热网供水温度受到管道保温材料的限制，一般≤130℃；一次热网回水温度受二次热网温度的限制，一般为 60℃左右；一次热网供回水的温差仅为 70℃左右，使得一次热网的供热能力受限；同时，鉴于现有管网规模，一次管网水流量已经普遍接近设计水流量，若增大主干管的管径不仅投资较大，同时对于管线密布的地下空间和交通复杂、建筑密集的地上现状，热网改造、重建无疑是一项复杂的工程。因此，基于现有管网规模，提高既有一次供热管网输送能力是北方集中供暖工作的迫切需要解决的问题。进一步分析表明，供热管网输送能力不足的主要原因是一次热网供回水温差较小。孙方田等[4]和方豪等[5]研究表明：降低一次热网回水温度，不仅有助于增大一次热网的供回水温差，提高供热管网输送能力；同时为深度回收低温余热资源创造条件。工业低温余热资源品位与采暖所需热能品位相当，回收工业余热用于民用采暖，不仅可提高工业一次能源利用率，还有助于解决供暖热源紧张的问题，降低北方集中供热系统的化石消耗。因此，采用何种方式合理降低一次热网回水温度，拉大一次热网供回水温差，实现大温差供热，是集中供热系统亟待解决的问题。
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1.2 研究现状
1.2.1 降低一次热网回水温度途径
在国内，为了降低大型热电联产集中供热系统能耗，采用较低的一次热网回水温度回收汽轮机冷凝余热资源，从中可探寻降低一次热网回水温度方式。宋之平等人[6]提出一种热电联产运行模型，从而降低一次热网回水温度方式，以回收热电厂冷凝余热。一次热网供水在传统换热器、低温散热器以及热泵中逐级降温，从而降低一次热网回水温度。付林等人[7-10]提出了基于吸收式换热的热电联产集中供热技术，并于 2009 年发明了降低一次热网回水温度的方法，研制了吸收式换热机组，如图 1-1 所示，该技术及其相关设备于 2008 年开始试验，2010 年开始在实际工程中推广应用，如山西大同。吸收式换热机组可使得一次热网回水温度远低于二次热网回水温度，突破传统换热器的性能极限，具有较高的换热性能，但其系统复杂、外形体积大、成本高、维护工作量大。吸收式换热机组在新建热力站和空间较为富裕的既有热力站中具有较大的应用潜力。同时，江亿等人[11]对三段式结构的吸收式换热器进行研究，将吸收式换热机组小型化，使得机组占地面积较小，可实现楼宇式供热模式，但该机组系统较为复杂。张堙等人[12]对热机、热泵、传统换热器一体式换热系统进行研究，将热机动力循环和电驱动蒸气压缩式制冷循环引入冷、热媒换热过程，可大幅度降低冷媒回水温度，比较适用于 200℃以上的高温工业余热回收，其不足之处在于该系统较复杂、体积较大、维护工作量较大、成本较高。孙方田等人[13]提出一种压缩式热泵型换热机组，该换热机组由水-水换热器和压缩式热泵耦合而成，一次热网水依次通过水-水换热器和压缩式热泵的蒸发器逐级降温，从而降低一次热网回水温度。孙方田等人[14]还提出一种双级压缩式热泵型换热机组，该换热机组由水-水换热器和双级压缩热泵耦合而成，一次热网水依次通过水-水换热器、第一级压缩式热泵的蒸发器和第二级压缩式热泵的蒸发器，从而降低一次热网回水温度，但基于压缩式热泵的换热机组需要额外消耗高品位电能。
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第 2 章 喷射式换热机组系统优化集成
2.1 热力过程不可逆评价
换热设备是热能和化工等领域用于实现冷、热流体热量传递的重要设备之一。根据热量交换过程目的，换热设备一般分为两类：一类是为了实现热功转化，如热泵；另一类是为了加热或冷却物体，如常规换热器。基于热力学第二定律，在热量传递过程中，冷、热流体存在温度差，必然为一个不可逆过程。因此，冷、热流体在换热设备中进行热量传递时必然存在着能质损失。目前，换热设备的热力过程不可逆评价方式主要有 分析法和火积分析法。柳雄斌[61]、陈群[62]、Adrian Bejan[63]、何雅玲[64]等人研究表明， 适用于热功转化过程的不可逆性评价，而火积则适用于以加热或冷却物体为目的热量传递过程的不可逆性评价。过增元等人[61-62,65]从热量传热和电量传递过程进行比拟，引入与电容负荷相对应的物理量—火积(Entransy)，用于描述一切物体具有的热量传递总能力，它是热量和温度平方乘积的一半。火积是基于热量传递能力的损失，来评价热量传递过程中不可逆性。在热量传递过程中，为了表征换热过程的热量传递能力衰减程度，火积效率定义为冷流体进出的火积差与热流体进出的火积差的比值。
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2.2 系统优化配置
在热力站的传统换热器中，一次热网热媒（供/回水温度：130/70℃）和二次热网热媒（供/回水温度：60/45℃）直接进行热量传递，若忽略换热和输配散热损失，一、二次热网水的能量大小没有发生改变，但从能源品位角度讲，较高的一次热网供水与二次热网回水直接换热，其换热温差较大，换热过程具有较大的不可逆损失，如图 2-1 所示。一次热网水中的有用能在换热过程中被白白耗散，存在“高质低用”问题。因此，从能量品位匹配角度出发，在一次热网水和二次热网水的换热过程中，一次热网水的能质应“高能高用、逐级利用”，从而降低换热过程中的不可逆损失。喷射式换热机组主要通过喷射式热泵和水-水换热器，来实现一、二次热网之间的热量传递。喷射式热泵主要由发生器、蒸发器、冷凝器以及喷射器组成，喷射式热泵是以高温热源作为驱动力，实现从低温热源提取热量。鉴于喷射制冷系统，发生器内所需高温热源温度一般为 90~150℃，而蒸发器内所需低温热源温度为 10~20℃。同时，水-水换热器是实现热流体和冷流体热量交换过程，主要目的为将二次热网回水加热升温，过高加热热源温度会导致不可逆损失较大，其加热热源温度一般为 90~50℃。由此可见，一次热网的供水可作为喷射式热泵的驱动热源，且喷射式热泵的发生器、蒸发器以及水-水换热器所需热源的品位不同。根据能量梯级利用原则以及热泵驱动热源的温度要求，一次热网水的热能可划分为：高温段热能、中温段热能以及低温段热能。高温段的热能用作热驱动热泵的驱动热源，中温段的热能用作常规水-水换热器的加热热源，低温段的热能用作热驱动热泵的低温热源。一次热网水的能质在喷射式换热机组中得以梯级利用，一次热网水用能利用示意图，如图 2-2 所示。喷射式换热机组的能质配置不仅使得一次热网水满足喷射式热泵的高温热源与低温热源的温度需求。同时还可对一次热网水热能进行梯级利用，降低一、二次网之间换热过程的不可逆损失。
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第 3 章 喷射式换热机组数学模型 .... 15
3.1 机组数学模型 ....15
3.1.1 喷射器的数学模型 ....15
3.1.2 喷射器的模型验证 ....19
3.1.3 机组的热力学模型 ....20
3.2 热力分析模型 ....23
3.3 本章小结 ......23
第 4 章 喷射式换热机组工质选取 .... 25
4.1 工质优选原则 ....25
4.2 工质比较 ......26
4.3 本章小结 ......29
第 5 章 喷射式换热机组优化设计 .... 30
5.1 机组热力参数优化设计 ...........30
5.2 机组的热力特性 ..............34
5.3 运行调节及控制 ..........37
5.4 本章小结 ......45
第5章 喷射式换热机组优化设计
鉴于喷射式换热机组是基于喷射式热泵和水-水换热器的复合换热设备，其热力过程存在热功转化和热量传递耦合特征。为了提高一次热网水能质利用率，本章对机组热力参数进行优化设计，并对喷射式换热机组的热力特性及运行调节进行探讨。
5.1 机组热力参数优化设计
喷射式换热机组是由喷射式热泵和水-水换热器组成。一、二次热网水在喷射式换热机组的能量传递过程中，一次热网高温供水的高品位能质用于喷射式热泵的驱动热源，得以高效利用，同时通过水-水换热器来调节喷射式热泵对一次热网高温供水的高品位能质的利用程度。由此可见，喷射式热泵和水-水换热器的容量匹配关系将影响一次热网高温供水能质的分配与利用，进而影响喷射式换热的换热性能。因此，喷射式换热机组在一、二次热网的水之间的能量传递过程中存在能质分配，故本章提出喷射式换热机组的热力特性指标—能质分配比（Energy Distribution Ratio—EDR），能质分配比定义为一次热网水在水-水换热器能量散耗与一次热网水在喷射式换热机组能量散耗的比值。在喷射式换热机组的换热过程中，一次热网水能质利用率的直观表现为一次热网回水温度的变化，一次热网回水温度的降低意味着一次热网水有用能的利用率的增加。同时，喷射式换热机组是基于喷射式热泵和水-水换热器的复合换热装置，在喷射式换热机组的热量交换过程中，存在着热功转化和热量传递，因此本章采用 分析和火积分析对机组的热力过程进行不可逆评价。在一次热网供水温度为 130℃、二次热网供回水温度 60℃/45℃的工况下，一次热网回水温度随 EDR 的变化如图 5-1 表示。从图 5-1 可看出，随着 EDR 增大，一次热网的回水温度先降低、后上升。因此，在设计工况下，喷射式换热机组存在最佳的能质分配比。
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结论
在集中供热系统中，较低温度的一次热网回水不仅可提高集中供热管网热输送能力，同时还为低温余热回收利用创造条件。本文所提出的基于喷射式热泵和水-水换热器的喷射式换热机组可大幅度降低一次热网回水温度。本文首先对喷射式换热机组系统进行优化配置；其次，建立其喷射器和喷射式换热机组的数学模型；再次，根据喷射式换热机组的运行工况，进行喷射式换热机组工质的选取；最后，对喷射式换热机组进行热力参数优化设计和运行调节及控制。本文主要研究结论如下：（1）喷射式换热机组是基于喷射制冷循环复合换热技术的高效换热装置，可通过喷射式热泵和水-水换热器的合理配置，实现对一次热网水能质的梯级利用，从而大幅度降低一次热网回水温度。（2）喷射式换热机组运行工况取决于集中供热系统热力参数，其喷射热泵系统的运行参数不同于常规的喷射热泵系统，喷射式换热机组的工质选取也不同于常规喷射热泵系统。（3）喷射式换热机组能量传递过程中的能质分配比对其能量传递性能影响较大，其能质分配比取决于喷射式换热机组的喷射式热泵和水-水换热器容量匹配关系。（4）喷射式换热机组热力过程具有热功转换和热量传递耦合的特征，宜采用基于 和火积的综合评价新方法对其热力过程不可逆性进行评价。（5）喷射式换热机组的运行性能受喷射器的运行调节性影响较大，喷射器性能的提升有助于改善喷射式换热机组的运行调节特性。（6）通过设置增压机可改善喷射器的运行调节性能。相对于引射流体增压，混合流体增压的喷射式换热机组具有较好运行调节性能，能够很好的适应于变工况运行要求。在此基础上，制定引射流体增压机组和混合流体增压机组运行调节策略，绘制了热网水温度调节曲线。（7）喷射式换热机组具有较好的传热特性、热力学特性以及运行特性，可用于大温差集中供热系统和工业余热回收利用。
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参考文献（略）