第五届大学生创新立项结题汇报 (2)

项目名称：沼气热泵系统建模与特性研究汇报人：钟涛专业班级：建环10012013年6月青岛农业大学项目指导教师：徐振军项目总负责人：钟涛(建环1001)项目小组成员：王冰洁(建环1002)朱桦鑫(建环1001)窦小川(建环1001)项目研究背景及意义1项目中文摘要及关键词2项目研究的主要内容3项目执行情况概述4项目研究遇到的困难5主要成果展示6经费使用情况7项目总结及设想8随着国民经济的高速发展，农民生活水平和居住环境质量都在提高。但是，农村电网整体水平比较落后，不能够满足农村的供电要求，大规模推行电动空调，农网很难承受。而且在200年和约40年内，地球上蕴藏的可开发利用的煤、石油等化石燃料会消耗殆尽，天然气按储采比也只能用60年。沼气具有资源广泛、废物利用、价格便宜、排放清洁等特点,作为一种可再生能源，已愈来愈受到广泛重视。沼气热泵(BHP)是燃气机热泵的一种形式，以沼气为输入能源，以沼气发动机机为动力源，驱动压缩式热泵系统运行的供热制冷装置。BHP系统通过多个换热器组成网络来利用系统热量和回收废气余热和缸套散热量，显著提高一次能源利用率(PER)。针对燃气热泵（包括沼气热泵）的性能优化已经开展不少研究。本项目申请基于换热器网络优化，本课题组对于沼气热泵性能研究是在掌握了沼气热泵技术基础上结合换热器系统优化的新技术上提出来的，该研究主要通过夹点技术、线性规划方法、遗传算法或者这些方法的综合技术来优化沼气热泵的换热器网络，以期达到系统换热器成本最低、收集系统余热最多。与沼气热泵系统联立，使得该系统一次能源利用率PER显著提高。项目研究背景及意义项目研究背景项目研究意义沼气是清洁的可再生能源，具有资源广泛、废物利用、价格便宜、排放清洁等特点，其环保性和可再生性使之在与严重污染环境、储量有限的化石燃料的竞争中显得越来越重要。本项目针对目前采暖空调设备用能效率低，沼气利用途径少，技术单一以及新农村建筑用能现状，以及沼气热泵一次能源利用率PER还存在提高空间的现实情况，提出基于换热器网络优化的沼气热泵性能优化研究。本项目的实施能够较大的提高沼气热泵的余热回收能力，显著提高沼气热泵一次能源利用率PER，更有效的综合利用沼气，应用与市场前景广阔。该技术碳排放低、能源利用效率高，对于构建节能减排社会意义重大。项目中文摘要及关键词中文摘要针对目前沼气利用技术单一、用能效率低的缺点和不足，结合新农村建设的实际情况，以申请人对沼气热泵技术的研究为基础，研究沼气热泵换热器网络优化技术，得到国内外首创具有自主知识产权的基于沼气热泵换热器余热回收技术，发挥其在节能环保、燃料独立能源及改善能源结构方面的突出作用。最终使该技术成为具有自主知识产权的节能环保高新技术，从而较大提高沼气热泵一次能源利用率，有效缓解新农村能源供需矛盾，满足新农村人们对舒适性人工环境的各种需求，为沼气供能系统产业化奠定基础制冷工质热力参数算法及软件设计研究应用线性插值的数学方法设计了制冷工质热力参数计算查询软件，可以通过软件的界面显示相应的参数值。该软件功能强大可以查询多种制冷工质的热力参数，另外还具有操作简单，使用方便等优点。制冷工质沼气热泵复合发电数学模型软件设计中文关键词项目研究的主要内容（1）系统及各部件之间的最佳匹配及优化设计通过建立部件及系统数学模型，编制产品模块化优化设计软件。通过计算，优化部件匹配，研究系统性能，内容包括部件匹配特性、系统稳态特性。（2）基于换热器网络优化的沼气热泵余热梯级回收研究通过综合技术来优化沼气热泵的换热器，以期达到系统换热器成本最低、收集系统余热最多。与沼气热泵系统联立，使得该系统一次能源利用率PER显著提高。余热梯级回收系统优化技术包括排烟余热回收、冷却水余热回收以及余热回收后利用的仿真，得到余热的最佳梯级回收利用的关键技术。项目研究内容热泵原理热泵工作原理：热泵是一种通过电力做功将低品味热源转化可被人利用的高品质热源的装置。就像水泵把水从低处提升到高处一样，热泵是把热量从低温转移到高温处。运行时，蒸发器从周围环境中吸取热量蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力升高，高温蒸汽通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给储水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀回到蒸发器，再被蒸发，然后继续循环。复合发电系统的沼气热泵空调系统喷水室二次换热器一次换热器发电机蓄电池水泵四通阀OLCNW换热器空调风回风新风AHU沼气水泵排烟换热器压缩机EEV换热器燃气发动机A新农村空调房间排烟复合发电系统的沼气热泵空调系统图复合发电系统的沼气热泵原理：本系统的主机部分是一个沼气发动机带动一套压缩式热泵系统和一套发电系统。发电系统可以产生电力，压缩式热泵系统可以向室内供暖或者供冷，发动机系统的废热收集起来，可以向室内辅助供暖或者提供生活热水。室内风处理设备由两个换热器，一个喷水室以及风机风管等辅助设备构成。夏季，压缩式热泵系统向室内的一次换热器提供冷水，将部分发动机热水送入再热换热器，喷水室关闭。室外新风和室内回风在一次换热器前混合，经过一次换热器实现降温和除湿过程，然后经过再热换热器向室内送风。冬季，热泵系统向室内的一次换热器提供热水，将部分发动机热水送入喷水室。室外新风和室内回风在一次换热器前混合，经过一次换热器实现升温过程，然后经过喷水室升温加湿，向室内送风。发电机向蓄电池提供充电电流，并向沼气热泵系统的用电设备如风扇、水泵、阀等供电。发电机不工作的时候，蓄电池代替发电机向系统供电。50010001500200025003000350040005060708090100110发电电压风机中速电流风机高速电流n/r/minI/A242628303234U/V5001000150020002500300005101520253035n/r/minQ/kW2.53.03.54.04.5EER制冷量放热量EER5001000150020002500300005101520253035404550n/r/minQ/kW3.54.04.55.05.5COP放冷量制热量COP复合发电系统的沼气热泵制冷特性曲线图结论（1）该系统最大COP可以达到5.0以上，随着发动机转速的增加，系统的供热性能系数和制冷性能系数虽有下降，但下降不多，且在很大范围内保持不变。这说明系统部分负荷特性好，可以良好的实现变速调节。（2）发电机发电电压为28.8伏，能够在复杂情况下提供实时连续电供应，所发电力能够满足自身用电。（3）复合发电系统的沼气热泵空调只需要沼气一种输入能源，不依赖外部供电而独立运行，实现供暖、制冷和空气热湿处理的功能。复合发电系统的沼气热泵空调扩展了沼气热泵的功能以及应用范围，尤其适合沼气资源丰富，但电力相对缺乏的特殊地区。数学模型的建立与分析沼气热泵性能计算软件算法软件算法流程算法的基本流程是：当输入一个温度值时，先将数值付给一个变量t，然后进行第一次判断，判断是否属于给定的区间，如果不属于这个区间将会输出提示窗口，提示窗口将会提醒你只能输入某个区间的数值。如果数值属于这个区间将会进行第二次判断，判断是否等于边缘值，如果等于边缘值将会输出边缘值，如果不等于边缘值将会进行计算p=p1(t-t0)+p0(t1-t)/(t1-t0)，并且输出计算结果。致此算法流程结束。开始输入温度值t初始化t=t判断t是否属于某个区间判断t是否等于t0或者t1输出“只能输出某个区间的数值”，“提示窗口”如果t=t0则p=p0如果t=t1则p=p1进行以下计算p=p1(t-t0)+p0(t1-t)/(t1-t0)输出p结束否是否是软件功能说明3.1软件功能由于查询氟利昂工质表不太方便，而且氟利昂表只能查询部分温度和压强所对应的参数的值，所以我们设计了这款软件。你可以通过输入温度和压强的值来查询其他参数的值，使用简单方便。该软件的主要功能就是查询按温度或者按压强查询常用氟利昂的参数值用于工程计算。3.2软件作用如果我们需要某种氟利昂的参数值，我们可以借助这个软件查询到，我们可以通过输入某种氟利昂工质的温度值或者压强值来查询对应的参数值。通过该软件我们可以查到常用氟利昂制冷剂包括人R11、R12、R13、R14、R22、R23、R32、R41、R113、R114、R115、R116、R123、R124、R125、R134a的气态或液态的密度、比焓、比熵。为工程计算提供便利和帮助。这就是该软件的主要作用。沼气热泵性能计算软件界面项目执行情况概述执行情况概述研究计划主要包括系统和部件的设计与匹配，建立系统和设备之间的数学关系，编制设备的模块化设计软件，能够从软件计算出一定量的系统性能。研究计划还包括通过系统性能的研究，以提高系统的一次能源利用效率，获得系统的稳态特性。本研究按照研究计划有步骤的实施，逐条完成了预期计划和目标，并获得了一定的成果。根据实际的研究情况和研究成果，在研究内容上还增加了热力循环工质的研究，并有阶段性成果。项目研究遇到的困难遇到的困难由于在对沼气热泵供能特性研究过程中由于需要建立数学模型，需要查阅大量资料，进行复杂的数据处理，还需要对结论进行反复验证，对结果进行科学性分析，所以会遇到一定困难。另外在软件设计过程中需要编写软件代码和数据处理，有大量制冷工质参数需要输入，比较费时费力，因此也遇到了一些困难。但是经过积极调整学习，我们都克服了困难，按时完成了项目任务。主要成果展示成果展示发表了有影响力的国际或国内研究论文1篇，申请国家软件著作权1项。成果二成果三123成果一论文一：徐振军青岛农业大学建筑工程学院《复合发电系统的沼气热泵供能特性研究》论文二：钟涛，徐振军青岛农业大学建筑工程学院《制冷工质热力参数算法及软件设计研究》软件著作权：沼气热泵性能计算平台v1.0经费使用情况50元100元400元700元800元其他调查费资料费差旅费知识产权论文发表代理费用项目总结及设想项目总结完成课题的计划目标。本课题的完成过程是有艰辛的，但收获了很多东西，组成员感到都很满意。比如学会了广泛查阅各种资料了解相关知识、以调查问卷的方式的统计数据；懂得了如何集体合作但同时有分工明确的去做事情；明白了实践和创新方法的重要性。项目设想通过这次项目的研究积累经验，学会运用数学建模的方法研究问题，对沼气热泵系统进行优化，为沼气供能系统产业化奠定基础。