水源熱泵發展可再生能源是優化我國能源結構和改善環境質量的要求。地源熱泵利用散布在地球表面淺層水源和淺層土壤中的低品位熱能，是一項節能環保的可再生能源技術。地源熱泵包括土壤源熱泵、地下水源熱泵和地表水源熱泵。土壤源熱泵和地下水源熱泵在我國已經有一些應用，但地表水源熱泵的應用較少，地表水源熱泵研究方面的積累也較少。本文結合我國南方地區的地表水溫特點和氣候特點，對地表水源熱泵系統的運行特性和運行優化問題進行了研究。論文的第一部分對開式地表水源熱泵、閉式地表水源熱泵、混合地表水源熱泵的運行特性以及地表水源熱泵運行時地表水溫的變化進行了一系列試驗與理論研究；第二部分研究了地表水源熱泵系統的運行優化問題。論文的工作和所獲得的成果具有明确的工程應用價值，主要的工作和成果有：

(1)在對國内外研究現狀進行分析和總結的基礎上，自主設計了湖南省湘潭市城市中心區大型地表水源熱泵區域供冷供熱系統。對該系統夏、冬季實際運行情況進行了全面的測試，包括水質、湖水溫度恢複情況、氣溫、進出水溫度、COP等。還對南方地區地表水源熱泵系統與風冷熱泵的性能進行了對比測試。為今後國内發展大型地表水源熱泵區域供冷供熱系統積累了設計與運行數據，提供了參考依據。

(2)完整、系統地建立了閉式地表水源熱泵系統的動态模型，應用該模型能夠根據逐時的負荷和氣象參數模拟出閉式系統全年運行的動态特性。對位于長沙市的一處拟建的閉式地表水源熱泵系統在制冷制熱期的動态特性進行了模拟。分析了水底盤管大小對進液溫度的影響；分析了水體深度、面積對進液溫度和底層水溫的影響；比較了無負荷和有負荷時的底層水溫變化；分析了該系統的性能。

(3)在工程應用中會出現地表水量不穩定或不足的情況，有必要發展混合地表水源熱泵系統。針對本文提出的帶噴泉的混合地表水源熱泵系統，建立了預測水池噴淋冷卻效果的簡化模型。對某種型号噴嘴的噴淋冷卻效果進行了模拟，模拟結果與實測結果吻合得較好。該模型的輸入參數少，可以方便地用于設計帶噴泉的混合地表水源熱泵系統。

(4)地表水源熱泵、冷水機組的冷卻水以及工業冷卻水排入地表水體後，會使水溫發生變化，并可能會影響到水體的生态環境。論文研究了地表水作為熱泵低位熱源時的水溫恢複機理，并提出了弱溫水體得熱系數的計算公式。

針對封閉地表水體與外界換熱以及受納廢熱的特點，将水溫變化過程看成是一個随機過程，首次建立了封閉地表水體水溫變化的随機模型，并且給出了随機微分方程解過程的數字特征的求解方法。在已知當地氣象參數的随機特性的條件下能夠求出水溫變化的随機特性。計算結果有助于深刻認識封閉地表水體水溫變化的特點，并且能以不保證率的形式給出地表水源熱泵系統進液溫度的上限建立了一個河流溫排水的簡化二維預測模型，并推導出該模型的解析解。采用該模型對株洲電廠溫排水對其下遊的湘江水溫的影響進行了預測，并與實測結果進行了對比。該模型的精确程度能夠滿足水環境管理和熱污染控制的計算實踐中的精度要求。

(5)針對定溫差控制法應用中存在的控制效果與控制适應性差的缺點，論文提出了一種水-水熱泵機組的水源側和冷水機組的冷卻水系統變流量運行時的自适應控制方法，該方法能夠跟蹤機組負荷率以及冷凝器參數的變化，使機組和水泵的總功率接近最小。建立了相應的控制模型，提出了控制模型參數的在線辨識方法以及控制系統的設置與構成。建立了系統仿真模型，對一個實例進行了仿真實驗，仿真結果表明部分負荷時采用該控制方法具有很好的整體節能效果。

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