某别墅地源热泵空调系统毕业设计.docx
《某别墅地源热泵空调系统毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《某别墅地源热泵空调系统毕业设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
某别墅地源热泵空调系统毕业设计
本科毕业设计（论文）
学院能源与动力工程学院
专业建筑环境与设备工程
学生姓名XXX
班级学号**********
指导教师XXX
二零一二年六月
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南京某别墅夏季制冷，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
Abstract
Groundsourceheatpumpisakindofshallowanddeepearthenergy,includingsoil,groundwater,surfacewaterandothernaturalenergysourcesasthewinterheatandsummercoolingsource,andthenbytheheatpumpunittothebuildingcoolingandheatingsystemisakindsofrenewableenergybothheatingbutalsocoolingthenewcentralairconditioningsystem.Ground-sourceheatpumpheattransferbyenteringthesmallnumberofhigh-gradeenergy（egelectricity）,toachievebythelowlevelheatenergytothehigh-temperaturebit.Usuallygroundsourceheatpumpsconsume1kwofenergy,theusercangetmorethan4kwheatorcold.
ThemaintopicisthedesignofthestudyofgroundsourceheatpumpsystemtoNanjingforavillainsummercoolingandwinterheating.ThisprogramthegroundheatexchangerpipewayverticalU-shapedpipetosolvethelowoperatingefficiencyofconventionalairconditioning,powerconsumption,highoperatingcosts,noise,maintenancecostsandwillhavemoldcontamination,shortlifeshortcomings.Itcanachieveefficient,energysaving,environmentalprotection,comfortrequirements.
Keywords:
Groundsourceheatpump;air-conditioningsystems;verticalpipe
第一章绪论
1.1研究背景
地热是一种可再生的自然能源。
虽然目前它的应用还不像传统能源（煤、石油、天然气、水力能和核能）那样广泛，但是由于地壳里蕴藏着丰富的地热能，特别是在传统能源越来越匮乏的今天，许多国家已经对地热能的利用有了相当的重视。
地源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的高效节能空调系统。
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。
地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。
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。
地表浅层地热资源可以称之为地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低位热能。
地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了大约47%的太阳能，要比人类每年利用能量的500倍还多。
它不仅不受地域、资源等限制，而且无处不在。
这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也成为清洁的可再生能源一种形式。
地源热泵中央空调系统与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70—90%的燃料内能转化为热量供用户使用，因此地源热泵中央空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵中央空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为9—16℃，其制冷、制热系数可达3.5—6.3，与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，其运行费用为普通中央空调的50—60%。
地源热泵中央空调系统的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40%以上，与常规电供暖相比，相当于减少70%以上，如果结合其他节能措施减排会更明显。
虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25%的充灌量。
该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。
1.2地源热泵发展简史
地源热泵自1912年被提出距今已经整整100年了，美国是世界上地源热泵生产、使用和发展的头号大国，美国安装的地源热泵的台数从1985年的14,000台迅速发展到2005年的1,000,000台。
2005年加拿大的地源热泵系统新增比例增加了50%。
而瑞士、挪威是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家，应用比例高达96%。
奥地利应用比例为45%。
丹麦应用比例为35%。
日本是亚洲地源热泵技术最先进，使用比例最高的国家。
1.2.1国外地源热泵发展
“地源热泵”的概念，最早于1912年由瑞士的专家提出，而该技术的提出始于英、美两国。
1946年，美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。
1973年，美国阿克拉荷马大厦安装了地源热泵空调系统，并且进行全面的系统研究。
1978年，美国能源部（DOE）开始对地源热泵投入了大量的科技研发基金。
1979年，美国阿克拉荷马州能源部成立了地源热泵系统科技研发基金会。
1987年，国际地源热泵协会（IGSHPA）在阿克拉荷马州大学成立。
1988年，美国俄克拉荷马商务部开始对地源热泵进行商务推广。
1993年，美国环保署（EPA）大力宣传地源热泵系统，加深美国民众对地源热泵的认识。
1994年，美国政府第一套地源热泵空调系统在俄勒冈州国会大学安装，地源热泵从此在美国政府，军队，电力公司等得到了大量应用。
1998年，美国环保署（EPA）颁布法规，要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。
美国总统布什在他的得克薪斯州宅邸中也安装了地源热泵空调系统。
目前，全球75%的地源热泵系统安装在北美地区。
根据国际地热联合会（Thegeothermalheatpumpconsortium）的统计，到2003年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为3720万平方米，瑞典为2000万平米，德国为560万平米，加拿大为435万平米。
但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。
北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。
在美国，政府投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，政府和学校经过多年的努力，建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商，ASHERE也针对系统特殊要求在机组设计上建立了标准，同时政府支持在大地换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策来鼓励地能热泵系统的推广，如专门的补贴、政府推广网站等。
从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统，尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。
美国著名的地能热泵制造商有CLIAMTMASTER、WATERFURNACE等，他们提供符合ARI的专门用于地能系统的标准系列产品。
而对于大地换热器，北美采用的多是单U型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,钻孔深度为50—160米。
在欧洲，由于环保和节能的要求，目前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。
而对于大地换热器，欧洲采用的多是双U型的垂直埋管方式。
1.2.2国内地源热泵发展
我们国家对地源热泵技术的研究开发起步较晚，上世纪50年代，天津大学对热泵技术进行了相关的研究，直到上世纪80年代末，国内各大院校才开始掀起研究地源热泵的热潮。
近几年，地源热泵技术开始推广，并实现了中小规模生产，目前，国内市场主要以常温地源热泵机组为主，国内也有一些公司也推出了高温地源热泵机组，出水温度可达75℃以上，这项技术填补了国内空白。
从工程看，国内地源热泵系统应用主要以大型工程为主，小型空调系统应用地源热泵较少，主要应用于别墅建筑。
从发展态势来看，地源热泵正在走一个规范化的道路，需要建立一个行业标准，国家出台了《地源热泵供暖空调技术规程》将对今后的地源热泵工程起到重要的指导作用。
地源热泵并不是一种新的空调系统，早在20世纪30年代，欧洲就已经出现了工程的应用，当时主要用于冬季的供暖。
20世纪70年代，出现能源危机，地源热泵系统的工程应用形成高潮，技术日趋成熟。
由于中国空调技术应用较晚，地源热泵作为传统空调的一个分枝，对大多数人说，确实较为陌生。
我国在地源热泵领域的研究始于20世纪80年代初的天津大学和天津商学院。
自此，其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但是，由于我国能源价格的特殊性，以及其他一些因素的影响，地源热泵的应用推广非常缓慢。
20世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。
1995年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了《中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书》，并于1997年又签署了该合作协议书的附件六--《中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书》。
其中，两国政府将地源热泵空调技术纳人了两国能源效率和可再生能源的合作项目，这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。
1998年是我国在该领域的一个里程碑，从这一年开始，国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。
其中，1998年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置；1998年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置；1998年湖南大学建设了水平埋管地源热泵实验装置；1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置等。
同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。
这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展，做了许多实验研究和工程示范，产生了很多有效数据，这些宝贵的经验教训势必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。
中国（China）1997年，美国能源部（DOE）和中国科技部签署了《中美能效与可再生能源合作议定书》，其中主要内容之一是“地源热泵”项目的合作。
1998年，国内重庆建筑大学、青岛建工学院、湖南大学、同济大学等数家大学开始建立了地源热泵实验台，对地源热泵技术进行研究。
2006年1月，国家建设部颁布《地源热泵系统工程技术规范国家标准》。
2006年9月，沈阳被国家建设部确定为地源热泵技术推广试点城市，到2010年底，实现全市地源热泵技术应用面积约占供暖总面积的1/3。
2006年12月，建设部发布文件《“十一五”重点推广技术领域》。
作为新型高效，可再生能源新技术的水源热泵技术被列入目录。
1.3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。
1.4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
江苏省南京市，位于东经118.80°，北纬32°。
（2）室外气象设计条件
夏季：
干球温度35℃，湿球温度28.3℃
冬季：
干球温度-6.0℃，相对湿度73%
（3）地表面温度
地表面最冷月平均温度3.10℃
地表面最热月平均温度30.9℃
（4）大气压力
夏季：
100400.00Pa
冬季：
102520.00Pa
（5）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
26
55
冬季
18
55
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335.7m2，空调面积约186m2。
建筑高度约6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米，门高2米，窗高1.8米。
2.4设计原则
由于南京属于夏热冬冷地区，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
表3.1维护结构参数
序号
围护名称
类型
传热系数
（w/㎡.℃）
传热系数
（w/㎡.℃）
传热
衰减
传热延迟（h）
夏季
冬季
01
外墙
砖墙02-370
1.49
1.52
0.15
12.6
02
外窗
单框双玻璃钢窗
2.71
2.78
1.00
0.40
03
内墙
砖墙002002
2.02
2.02
0.50
6.60
04
内门
木框单层实体门
3.35
3.35
1.00
0.40
05
楼板
楼面-2
0.65
0.65
0.32
10.3
06
屋面
预制01-2-35-3
0.89
0.90
0.55
6.50
3.1.1外墙和屋面瞬变传热引起的冷负荷
（3-1）
式中Qc（τ）—外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷，W；
A—外墙和屋面的面积，m2；
K—外墙和屋面的传热系数，W/（m2·℃）；
td—室内计算温度，℃；
tc（τ）—外墙和屋面冷负荷计算温度的逐时值，℃；
—地点修正值；
kα—吸收系数修正值，取kα=0.98；
kρ—外表面换热系数修正值，取kρ=0.9。
3.1.2内围护结构冷负荷
（3-2）
式中
—内围护结构传热系数，W/（m2·℃）；
—内围护结构的面积，m2；
to.m—夏季空调室外计算日平均温度，℃；
—附加温升。
3.1.3外玻璃窗逐时传热形成的冷负荷
（3-3）
式中Qc（τ）—外玻璃窗的逐时冷负荷，W；
Kw—外玻璃窗传热系数，W/（m2·℃）；
Aw—窗口面积，m2；
tc（τ）—外玻璃窗的冷负荷温度的逐时值，℃；
cw—玻璃窗传热系数的修正值；
td—地点修正值。
3.1.4透过玻璃窗的日射得热形成的冷负荷
（3-4）
式中Cα—有效面积系数；
Aw—窗口面积，m2；
Cs—窗玻璃的遮阳系数；
Ci—窗内遮阳设施的遮阳系数；
Djmax—日射得热因数；
CLQ—窗玻璃冷负荷系数，无因次。
3.1.5设备散热形式的冷负荷
（3-5）
式中
—设备和用具显热形成的冷负荷，W；
—设备和用具的实际显热散热量，W；
—设备和用具显热散热形成的冷负荷系数。
3.1.6照明散热形式的冷负荷
白炽灯
（3-6）日光灯
（3-7）
式中N—照明灯具所需功率，kw；
n1—镇流器消耗功率系数，当明装荧光灯的镇流器装在空调房间内时，取n1=1.2，当明装荧光灯的镇流器装在空调房间内时，可取n1=1.0；
n2—灯罩隔热系数，当荧光灯灯罩上部穿有小孔（下部为玻璃板），可利用自然通风散热于顶棚内时，取n2=0.5~0.6；而荧光灯的灯罩无通风孔时，n2=0.6~0.8；
CLQ—照明散热冷负荷系数。
3.1.7人体散热形成的冷负荷
（1）人体显热散热形成的冷负荷
（3-8）
式中qs—不同室温和劳动性质成年男子显热散热量，W；
n—室内全部人数；
φ—群集系数；
CLQ—人体显热散热冷负荷系数；
（2）人体潜热散热引起的冷负荷
（3-9）
式中ql—不同室温和劳动性质成年男子潜热散热量，W；
n—室内全部人数；
φ—群集系数。
3.2人体散湿负荷
人体散湿量可按下式计算
（3-10）
式中
——人体散湿量，kg/s；
φ——群集系数；
n——计算时刻空调房间内的总人数；
g——成年男子的小时散湿量,g/h。
［2］
3.3工程负荷统计
表3-2工程负荷统计
季节
总负荷（含新风/全热）（W）
夏季
冬季
17074
13240
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（
）
制冷量（W）
制热量（W）
1001[餐厅]
FP-6.3WA
2
660.00
3650.00
5850.00
1002[卧室]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
1003[休息室]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
1004[客厅]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
2001[男孩房]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
2002[休闲区]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
2003[主卧室]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
2004[套房]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
2005[小孩房]
FP-7.1WA
1
750.00
4110.00
6600.00
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
升级会员 