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河南城建热泵课程设计说明书

河南城建学院

《热泵技术》

课程设计说明书

学号042410150

学生姚猛

专业热能与动力工程

课程名称空气调节课程设计

指导教师周前

能源与建筑环境工程学院

2013年11月

摘要

地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统，是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。

地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。

通常地源热泵消耗1kw的能量，用户可以得到4kw以上的热量或冷量。

本课题主要是研究地源热泵空调系统对合肥某别墅夏季制冷，冬季供热的设计方案。

本方案地下换热器埋管方式采用垂直U型埋管，解决了传统空调运行效率低、耗电量大、运行费用高、噪音大、维护费用高及会产生霉菌污染、使用寿命短等缺点。

真正做到了高效、节能、环保、舒适的要求。

关键词：

地源热泵；空调系统；垂直埋管

目录

目录2

第一章绪论4

1.1地源热泵的发展趋势4

1.2地源热泵的优点4

第二章空调系统设计依据6

2.1室外气象参数6

2.2室内设计参数确定6

2.3设计范围6

2.4设计原则6

第三章负荷计算7

3.1冷负荷计算7

3.2热负荷计算7

3.3工程负荷统计7

第四章末端设备选型8

4.1风机盘管的选型8

第五章空调水系统水力计算9

5.1空调水系统的设计9

5.1.1空调水系统的设计原则9

5.1.2空调供回水管的水力计算9

5.2空调水系统的水力计算9

5.3冷凝水管道设计9

5.3.1设计原则9

5.3.2管径确定10

5.4水系统安装要求10

第六章空调风系统设计11

6.1风系统设计的一般原则11

6.2新风系统11

6.3风口11

第七章地源热泵机组选择计算12

7.1地源热泵机组选型计算12

7.2空调循环水泵设计计算12

7.2.1水泵流量的确定12

7.2.2水泵扬程的确定12

7.3.2 机房系统设计13

第八章地下埋管的设计与计算14

8.1冬夏季地下换热量的确定14

8.2确定地下换热器的埋管形式14

8.3地下换热器埋管管材及管径的确定14

8.3.1埋管管材的确定14

8.3.2确定管径14

8.4竖井埋管管长的确定15

8.5竖井数目及间距的确定15

8.5.1竖井数目的确定15

8.5.2冬夏季热平衡的计算及竖井间距的确定15

8.6地下换热器循环水泵的选型16

8.6.1循环水泵的确定16

8.6.2水泵配管布置17

8.7阀门安装17

结语18

致谢19

参考文献20

第一章绪论

1.1地源热泵的发展趋势

地源热泵与中央空调相连接的供热／制冷系统是目前的发展趋势。

综合利用低品位热能、高效率利用热能、简单化和一体化的地源热泵系统等都是目前地源热泵系统技术的前沿课题。

根据地源热泵20年来的发展趋势，其系统技术的发展大致有如下三个方向：

（1）综合利用热能的趋势。

将来的地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和制冷，更趋向于将供热的废弃能量（冷能）和制冷的废弃能量（热能）综合利用，比如用供热的废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等，用制冷的废弃热能供应温室养殖、种植和生活热水等。

（2）一体化趋势。

随着新材料和新工艺的开发，将来的地源热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化，使采热和传热的效率更高。

（3）实地建造的趋势。

随着人们对居住和生活环境要求的不断提高，越来越多的建筑物需要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。

因此，充分利用建筑物的空间和周边的自然环境和自然能源，因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热泵系统也将是一个发展方向。

1.2地源热泵的优点

高效：

地下土壤温度一年四季基本恒定在16℃左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。

节能、省费用：

冬季运行时，COP约为4.2，即投入1kw电能，可得到4kw的热能，夏季运行时，COP可达5.3，投入1kw电能，可得到5kw的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。

地源热泵空调系统的高效节能特点，决定了它的低运行费用。

同比传统中央空调节能50%-75%以上，让您永无能源涨价危机与隐忧。

零维护费用：

地埋管部分一旦运行使用，基本不需要任何维修费用的投入。

既减少了人力资源，又节约了大量的资金。

绿色环保：

地热资源垂手可得，地源热泵系统通过密闭水循环与土壤进行能源交换，不破坏地层结构，不利用地下水资源、低噪音，又不排放废气和废弃物，对空气不造成热污染，具备零污染的良好环保品质。

（供热时没有燃烧过程，避免了排烟污染，供冷时省了冷却塔，避免了噪音及霉菌污染。

）

性能可靠：

主机及系统匹配科学、合理，并选用世界名牌产品，高强度、高密度的聚氯乙烯管材均为进口原料生产，地耦运用新型的PE管，安全无毒，无腐蚀，柔韧性好、断裂伸长率高，采用热熔和电熔系统密封性能好、不泄漏，提供了安全运行的可靠性。

寿命长：

地埋管采用北欧化工原料，加工工艺及设备有很高的技术要求，其寿命为50-70年，主机寿命为20-25年，基本上属于一次性投资终身受益型项目。

一机多用：

地源热泵系统可供暖，制冷，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。

可再生：

土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。

灵活控制、便于运行管理：

自动化程度高，无需专业人员值守、操控，根据需要灵活控制，开关由己，冷暖自知，可以实现机组独立计费，分户分房间控制，方便业主对整个系统的管理。

第二章空调系统设计依据

2.1室外气象参数

（1）地理位置

合肥市，位于东经117.17°，北纬31.52°。

（2）室外气象设计条件

夏季空调室外干球温度℃

夏季空调室外湿球温度℃

夏季空调日平均温度

35.00

28.20

31.70

夏季室外平均风速（m/s）

夏季空调大气透明度等级

夏季大气压（Pa）

2.60

5

100090

采暖计算温度℃

空调计算温度℃

冬季平均风速m/s

相对湿度%

大气压（Pa）

-3

-7

2.5

75%

102230

（3）室外平均风速

夏季：

2.60m/s

冬季：

2.60m/s

2.2室内设计参数确定

表2-1室内设计参数

季节

温度（℃）

相对湿度（%）

夏季

24

60

冬季

20

60

冬季热负荷类型为空调热负荷。

2.3设计范围

本设计为某别墅地源热泵空调设计，建筑面积约627m2，空调面积约300m2。

建筑高度10.8米。

各层房间有卧室、厨房及卫生间、阳台、休闲区等。

每层层高均为3.6米，门高2.4米，窗高1.5米。

2.4设计原则

由于合肥属于夏热冬冷地区，热泵设计应以夏季降温为主，兼顾冬季供暖，而一般地下管群的传热量冬季大于夏季，因此夏季能满足要求，冬季一般也能达到要求，故本装置按夏季工况设计。

要求空调系统满足国家及行业有关规范、规定的要求，利用国内外先进的空调技术和设备，创建健康舒适的室内空气品质及环境。

第三章负荷计算

3.1冷负荷计算

见附表：

合肥某别墅热负荷计算书

3.2热负荷计算

见附表：

合肥某别墅热负荷计算书

3.3工程负荷统计

季节

总负荷（含新风/全热）（W）

夏季

冬季

41537

37008

第四章末端设备选型

4.1风机盘管的选型

根据已经得出的房间冷负荷、风机盘管风量、水压降等选择风机盘管的型号，各房间选取的风机盘管型号及数量列于下表：

表4-1风机盘管的选型

房间编号

设备型号

数量（台）

风量（kg/h）

制冷量（W）

制热量（W）

1001[工人房1]

RCI-40FSNQ

1

970.433

4596.9

2802.2

1002[工人房2]

RCI-40FSNQ

1

970.433

4596.9

2802.2

1003[多功能厅]

RCI-40FSNQ

1

1012.59

4382.7

3321.3

1004[健身房]

RCI-40FSNQ

1

817.561

4097.7

3187.6

2001[书房]

RCI-40FSNQ

1

444.045

1620.7

2640.1

2002[中式厨房]

RCI-40FSNQ

1

351.826

1753.3

2337.9

2003[西式厨房]

RCI-40FSNQ

1

391.568

1844.4

2919.2

2004[家庭室]

RCI-40FSNQ

1

1053.19

4201.7

1093.4

2005[餐厅]

RCI-40FSNQ

1

700.824

3373.7

1039.4

2006[客厅]

RCI-40FSNQ

1

948.633

4362.7

827.2

3001[卧室1]

RCI-40FSNQ

1

641.903

2319.7

2381.1

3002[更衣间1]

RPK-28FSNQ

1

233.471

927.7

879.5

3003[卧室2]

RCI-40FSNQ

1

204.313

797.7

1133.2

3004[主卧室]

RCI-40FSNQ

1

1175.58

4061.3

3349.6

3005[休息区]

RCI-40FSNQ

1

204.313

4061.3

2697.7

3006[更衣间2]

RPK-28FSNQ

1

444.045

1620.7

873.5

第五章空调水系统水力计算

5.1空调水系统的设计

5.1.1空调水系统的设计原则

空调水系统设计应坚持的设计原则是：

（1）管路考虑必要的坡度以排除空气；

（2）要解决好水处理与水过滤；

（3）力求水力平衡；

（4）变流量系统宜采用变频调节；

（5）防止大流量小温差；

（6）注意管网的保冷与保暖效果。

5.1.2空调供回水管的水力计算

空调水系统按照管道的布置形式和工作原理，一般分为一下主要几种类型：

（1）按供、回水管道数量，分为：

双管制、三管制和四管制；

（2）按供、回水干管的布置形式，分为：

水平式和垂直式；

（3）按供、回水在管道内的流动关系，分为：

同程式和异程式；

（4）按原理分为：

开式和闭式；

（5）按调节方式分为：

定流量和变流量。

系统冷热源的供冷、供热用地源热泵机组供给，房间不需要同时供冷、供热，该设计中管路不与大气接触，在每层水系统的最高点和系统的最高点设排气阀,以排除系统中积存的空气，故选用闭式双管系统，冷水、热水共同使用一个管路，系统简单，初投资较低。

干管的布置采用垂直异程式，一级泵、水泵变流量系统。

5.2空调水系统的水力计算

采用控制比摩阻法，其计算步骤如下：

（1）绘制冷水系统图，对管段编号，标注长度和负荷；

（2）确定合理的比摩阻；

（3）根据各个管段的负荷、比摩阻及局部阻力系数确定管段的直径，计算摩擦阻力和局部阻力；

（4）并联管路的阻力平衡；

（5）计算系统的总阻力。

见附表：

水管水力计算表

5.3冷凝水管道设计

5.3.1设计原则

在风机盘管机组、整体式空调器、组合式空调机组的运行过程中都会产生一定数量的冷凝水，必须及时予以排走，以保证系统安全有效的运行。

排放冷凝水管道的设计，一般采用开式、非满流自流系统。

冷凝水管道设计应注意以下事项：

（1）沿水流方向，水平管道应保持不小于千分之三的坡度，且不允许有积水部位；

（2）当冷凝水盘位于机组内的负压区段时，凝水盘的出水口处必须设置水封，水封的高度应比凝水盘处的负压（相当于水柱高度）大50%左右。

水封的出口，应与大气相通；

（3）冷凝水管道宜用聚氯乙烯塑料管，不必进行防结露的保温和隔气处理；

（4）冷凝水立管的顶部，应设计通向大气的透气管；

（5）设计和布置冷凝水管路时，必须认真考虑定期冲洗的可能性，并应设计安排必要的设施；

（6）冷凝水管的公称直径DN（mm），应根据通过冷凝水的流量计算确定。

5.3.2管径确定

一般情况下，冷凝水管的管径设计遵循：

管段承担冷负荷小于等于7kw时，冷凝管径为DN20，管段承担冷负荷大于7kw小于等于17kw时，冷凝管径为DN25，管段承担冷负荷大于17kw小于等于100kw时，冷凝管径为DN32。

5.4水系统安装要求

（1）闭式系统热水管和冷水管设有0.003的坡度，当多管再一起敷设时，各管路坡向最好相同，以便采用共用支架。

如因条件限制热水和冷水管道可无坡度敷设，但管内水流速不得小于0.25m/s，并应考虑在变水量调节时，亦不应小于此值；

（2）闭式系统在热水和冷水管路的每个最高点（当无坡度敷设时，在水平管水流的终点）设排气装置（集气罐或自动排气阀）。

对于自动排气阀应考虑其损坏或失灵时易于更换的关断措施，即在其与管道连接处设一个阀门。

手动集气罐的排气管应接到水池或地漏，排气管上的阀门应便于操作；自动排气阀的排气管也最好接至室外或水池等，以防止其失灵漏水时，流到室内或顶棚上；

（3）与水泵接管及大管与小管连接时，应防止气囊产生。

大管需由小管排气时，大管与小管的连接应为顶平，以防大管中产生气囊；

（4）系统的最低点设单独放水的设备（如表冷器、加热器等）的下部应设带有阀门的放水管，并接入地漏或漏斗。

作为系统刚开始运行时冲刷管路和管路检修时放水之用；

（5）空调器、风机盘管等的表冷器（冷盘管）当处于负压段时，其冷凝水的排水管设有水封，且排水管应有不小于0.001的坡度。

凝结水管径较大时，最好作圆水封筒；

（6）空调机房内应设地漏，以排出喷水室的放水，水泵、阀门可能的漏水和表冷器的凝结水。

地面的坡度应坡向地漏，地面应作防水处理。

或者将可能有水的地方周围设围堰，围堰内设地漏，地面要防水。

第六章空调风系统设计

6.1风系统设计的一般原则

（1）合理而正确的划分通风与空调风管系统。

风管系统的划分应该遵循满足通风与空调的要求、节能、运行管理方便、节省材料等原则。

按照建筑物的不同使用功能、不同的使用时间、不同负荷的特点、不同的平面布置等正确地划分风管系统。

另外，还应和水管路系统的划分相结合。

在设计中，同时考虑空调风系统与水系统才能获得经济而合理的方案。

（2）合理布置风系统。

风系统的总体布置与空调系统的造价、运行的经济性及运行效果的影响很大。

因此，在设计中，风系统的总体布置方案应该是一个在初投资、运行费用和运行效果之间综合考虑的折中方案。

（3）风管的断面形式应与建筑结构结合，并力争做到与建筑物空间完美统一。

大风量系统断面尺寸过大时，会降低建筑的使用高度，这时可采用多路并联布置方式，以降低风管的截面高度。

（4）在风系统的设计中，如何减少风系统的流动阻力也是要考虑的重要原则。

风系统流动总阻力是由风系统摩擦力和局部阻力组成。

一般来说，减少风系统摩擦阻力的措施主要有：

尽量采用表面光滑的材料制作风管；在允许范围内尽量降低管内的风速；应及时做好风管没的清扫，以减少壁面的粗糙度。

减少风系统的局部阻力的主要措施主要有：

尽量减少或避免风管转弯和风管断面的突然变化；圆形风管弯头曲率径宜大于1.5倍直径；矩形弯头内、外侧均宜采用圆弧；当外侧采用直角时，内侧应采用圆弧或斜边，风管宽大于500mm时，弯头内还应加装导流叶片；支风管与主风管连接时，应避免90度垂直连接避免合流三通内出现气流引射现象等。

风管设计中，应采用必要的噪声控制技术，使建筑物内达到允许的噪声值。

6.2新风系统

为了保证室内空气卫生标准，根据相关规范，必须采用新风系统，结合本设计理念，由于风机盘管承担新风负荷，所以新风系统直接通过风管和引风机从室外引入新风送到室内风机盘管处理到室内状态后跟室内回风一块送到室内。

风管形式及风管尺寸的确定根据新风量及相关规范选择。

6.3风口

风口对气流组织有着关键影响，根据送回风量选择合适的风口，均匀分配，同时避免柱和梁的阻挡，最大可能的减少风量扰动对气流产生的负面效应，才能产生良好的气流组织效果。

本设计风口选取的是海信日立空调-商用变频SET-FREEFSN系列，壁挂式RPK-28FSN和四面出风嵌入式RCI-40FSN，安装高度为3.2m，风口有效面积系数取0.8，颈部风速控制在3～5m/s。

第七章地源热泵机组选择计算

7.1地源热泵机组选型计算

该别墅的最大冷负荷Q=41.537kw，考虑风机、风管、水管、冷水管及水箱温升引起的附加冷负荷，修正后：

Q修正=1.15*Q=47kw，该办公楼的总设计负荷为47kw。

因此，可以选择1台海信日立空调-商用变频SET-FREEFSN系列水—水机组，型号为RAS-500FSNQ，机组重量460Kg。

制冷工况：

冷冻水进/出温度：

12℃/7℃；冷却水进/出温度30℃/35℃。

产品名称：

海信日立空调-商用变频SET-FREEFSN系列水—水机组

热泵机组特点：

（1）一机多用，可以实现夏季制冷和冬季制热，还可提供45℃的生活热水

（2）采用温度相对稳定的地下热源，机组运行稳定，高效节能

（3）先进载荷平衡原理，主轴承设计寿命高达 10 万小时

（4）采用平衡压缩设计，运行噪声和振动极低，机组的应用灵活性更好

（5）多压缩机设计，启动电流小，具有良好的备用功能和优异的部分负荷性能

（6）调节方便，根据负荷需求，自动对压缩机进行开停机及增减载

（7）可利用多种能源：

地下水、土壤及各种余热排水

（8）全新微电脑控制，标准中文触摸显式屏，操作更加方便简捷，可通过调制解调器对机组进行远程监视，并可与楼宇自控系统（BAS）联网

（9）机组工厂运行测试保证运行可靠，测试平台通过美国 ARI 认证

（10）机组生产程序获得 ISO9001 认证

7.2空调循环水泵设计计算

7.2.1水泵流量的确定

L=Q/（∆t×1.163）×（1.15-1.2）

式中L—冷冻水水流量，m3/h；Q—总冷负荷，kw；△t—冷冻水进出水温差，℃，一般取4.5～5。

根据上式计算的L=8.6m3/h。

7.2.2水泵扬程的确定

（1）制冷机组蒸发器水阻力：

一般为5～7mH2O；

（2）末端设备（空气处理机组、风机盘管等）表冷器或蒸发器水阻力：

一般为4～6mH2O；回水过滤器阻力，一般为3～5mH2O；

（3）分水器、集水器水阻力：

一般一个为3mH2O；

（4）制冷系统水管路沿程阻力和局部阻力损失：

沿程阻力一般为比摩阻（100～300Pa/m）每乘以管道长度.局部阻力为沿程阻力的50%。

综上所述，水泵扬程为上述阻力之和。

因此水泵的扬程H=16.5mH2O。

根据计算结果水泵的扬程与流量留一点余量，查《中央空调设备选型手册》可以选择IS立式离心水泵，选用两台，一用一备。

性能参数如下：

型号：

ISG40-125转速：

2900r/min

流量：

4.4～8.8m3/h扬程：

21.0～18.0

电机功率：

1.1kW电机型号：

JG1-1

7.3空调机房设计

7.3.1热泵机组

为了提高热泵机组在供热工况下的能效比,要求尽量提高机组蒸发温度。

系统运行费用的高低是用户首先关心的问题。

供热工况地埋管换热器进出水温度已经确定,即机组蒸发器进出水温度已经确定,提高蒸发温度的唯一办法是减小蒸发温度与蒸发器出水温度的温度差。

《采暖通风与空气调节设计规范》第6.2.2条指出,卧式壳管式蒸发器,蒸发温度宜比冷水出口温度低2～4度。

一般冷水机组生产厂家设计蒸发温度比蒸发器出水温度低4～5度。

笔者设计制热工况时机组蒸发器出水温度为3度,（地埋管换热器供暖工况进水温度为3度）。

这样机组蒸发温度要在0度以下,要求地埋管系统循环水中要加防冻液,这必然提高了工程费用,同时对机房内金属管道及金属分、集水器要作相应的防腐处理。

笔者要求热泵机组蒸发温度与蒸发器出水温度差<2度,此时蒸发温度在0度以上,避免蒸发器内发生冻结现象。

7.3.2 机房系统设计

机房内安装一个高架水箱,该水箱既是地埋管系统的膨胀定压水箱,又是末端系统的给水箱。

除末端系统分水器、集水器,机房内还装有地埋系统分水器、集水器。

通过仪表可观察地埋管系统水温变化及系统阻力。

通过阀门调整使各支路水力平衡。

在地埋管系统集水器的每个支路阀门前装有温度测孔,可分别观察每个支路回水温度,也可通过阀门调整各支路流量以使各支路回水温度接近,充分发挥每个地埋管换热器的换热功能。

供冷、供热工况转换由机房管路上8个阀门启

闭来实现。

供冷时末端系统水流经机组蒸发器,地埋管系统水流经机组冷凝器;供热时末端系统水流经机组冷凝器,地埋管系统水流经机组蒸发器。

两套系统各有专用循环水泵。

第八章地下埋管的设计与计算

8.1冬夏季地下换热量的确定

冬夏季地下换热量分别是指夏季向土壤排放的热量和冬季从土壤吸收的热量。

可以由下述公式计算：

Q1′=Q1×（1+1/COP1）

Q2′=Q2×（1−1/COP2）

式中Q1′—夏季向土壤排放的热量，kW；

Q1—夏季设计总冷负荷，kW；

Q2′—冬季从土壤吸收的热量，kW；

Q2—冬季设计总热负荷，kW；

COP1—设计工况下水源热泵机组的制冷系数；

COP2—设计工况下水源热泵机组的供热系数。

COP在小机组制冷时可取4.5～5.0，制热时取3.2～3.5；

在大机组制冷时可取5.0～5.6，制热时取3.3～3.8。

根据上式计算得Q1′=54.5KW，Q2′=25.4KW。

取夏季地下换热量Q1′=54.5KW进行计算。

8.2确定地下换热器的埋管形式

地源热泵技术的关键是地下换热器的设计,地下换热器设计是整个设计的重点，也是本系统有别于其他系统之所在。

地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，将关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用及系统运行的经济性。

最终确定地下换热器的埋管形式采用垂直U型埋管。

8.3地下换热器埋管管材及管径的确定

8.3.1埋管管材的确定

一般来讲，一旦将换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，这就要求保证埋入地下管材的化学性质稳定并且耐腐蚀。

常规空调系统中使用的金属管材在这方面存在严重不足，且需要埋入地下的管道的数量较多，应该优先考虑使用价格较低的管材。

所以，土壤源热泵统中一般采用塑料管材。

目前最常用的是聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）管材，它们可以弯曲或热熔形成更牢固的形状，可以保证使用50年以上；而PVC管材由于不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此，不推荐用于地下埋管系统。

这里选取聚乙烯（PE100）。

8.3.2确定管径

在实际工程中确定管径必须满足两个要求：

（1）管道要大到足够保持最小输送功率；

（2）管道要小到足够使管道内保持紊流以保证流体