冷热源设计.docx
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冷热源设计
《冷热源工程》课程设计说明书
济南市某办公室空调冷热源工程设计
学院：
土木工程学院
系别：
建筑设备工程系
专业：
建筑环境与设备工程专业
班级：
学生姓名：
指导教师：
完成日期：
2012年6月
《冷热源工程》课程设计任务书
一、目的
《冷热源工程》课程设计是《冷热源工程》的主要教学环节之一，通过这一教学环节使学生了解空调冷热源系统设计的内容、程序和基本原则，学习设计计算的步骤和方法，巩固和深化所学的理论和实际知识，并培养学生应用所学知识解决工程问题的能力。
二、题目：
济南市某办公楼空调冷热源工程设计
三、设计任务
已知济南市某办公楼建筑面积共9400平方米，共5层，主要功能为办公室。
空调系统夏季供冷、冬季供暖。
空调总冷负荷为884kW，冬季总热负荷为572kW，以风机盘管为末端装置，要求夏季冷冻水供回水温度为7/12℃，冬季供回水温度为55/45℃。
机房设置在地下室。
甲方要求采用土壤源热泵垂直埋管方式。
四、原始资料
1、甲方提供自来水源，水量供应充足；
2、甲方提供380/220V电源，供电量充足；
3、现场共钻孔90眼，井径120mm，深100m，孔间距5m，孔内安装单U管，共埋管14400m，管材为PE-3407，管径32，垂直管路用水平管道连接，并通过循环水泵与热泵机组连接，形成一个闭式回路。
4、机房面积、高度、尺寸由学生根据实际要求确定，并提供资料给土建专业进行设计。
五、设计内容和要求
（一）设计说明书内容
1、绘制冷热源系统图；
2、热泵机组型号与台数的选择；
3、系统水力计算，选择循环水泵；
4、水系统附件选择（软水机、储水箱、恒补装置、水过滤器的选择；除垢仪的选择；阀门的选择；温度计、压力表的选择；柔性接头的选择）。
说明书应按规定格式编写，内容包括封面、目录、设计任务书、正文、参考文献。
其中：
正文内容包括：
系统方案、热泵机组选择、水力计算及循环水泵选择；水系统附件选择。
说明书统一按A4纸打印（正文为小四宋体，1.5倍行距，各标题加黑，页边距距上3CM，下2CM，左3CM，右2CM），左侧装订，不少于10页。
封面按要求统一填写。
（二）设计图纸
要求2号图两张。
图纸图签按要求统一填写。
1、冷热源机房平面图。
要求：
设备布置、管路上各种阀门及附件的布置、标示管径、定位尺寸。
2、冷热源水系统图。
要求：
系统图应包括热泵机组、循环泵、软水机、储水箱、恒补装置、管道附件等。
六、时间：
1周
目录
1工程概况…………………………………………………………………………3
1.1建筑概况
1.2地理概况
2系统方案…………………………………………………………………………4
2.1设计原则
2.2地源热泵系统……………………………………………………………4
2.2.1.地源热泵系统技术
2.2.2.地源热泵技系统分类
2.3选择系统方案……………………………………………………………4
2.3.1工程要求
2.3.2土壤源热泵的优点………………………………………………………5
2.4地源热泵地埋管
2.4.1工程数据
2.4.2管路设计及示意图………………………………………………………5
2.5定压方式………………………………………………………………………6
3热泵机组选择……………………………………………………………………7
3.1制冷设备容量及台数的选择
3.1.1地源热泵系统制冷（热）量
3.2热泵机组的选型
3.2.1考虑因素
3.2.2热泵机组性能参数
3.2.3机组资料………………………………………………………………8
3.3运行方案…………………………………………………………………………9
4水力计算及循环水泵选择…………………………………………………………10
4.1地埋管水力计算方法
4.1.1埋管水力计算1~2管路计算（举例）
4.1.2管件当量长度表……………………………………………11
4.1.3各管段阻力部件当量长度表………………………………………12
4.1.4各管段阻力计算统计表……………………………………………………13
4.2冷热源机房管道水力计算…………………………………………………14
4.2.1冷热源机房扬程阻力计算
4.4.2机房管道接头局部阻力计算………………………………………………15
4.2.3机房各类阀门局部阻力计算………………………………………………16
4.2.4冷热源机房总阻力
4.3水泵的选择…………………………………………………………17
4.3.1水泵管道的设置
5水系统附件选择……………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………23
1工程概况
1.1建筑概况
本工程为济南市某办公楼建筑地源热泵工程。
已知济南市某办公楼建筑面积共9400平方米，共5层，主要功能为办公室。
空调系统夏冷、冬季供暖。
空调总冷负荷为884kW，冬季总热负荷为572kW，以风机盘管为末端装置，要求夏季冷冻水供回水温度为7/12℃，冬季供回水温度为55/45℃。
机房设置在地下室。
1.2地理概况：
（1）气候：
济南地处中纬度，属于暖温带大陆性季风气候区，四季分明，日照充分，年平均气温14.3℃。
冬季最冷月平均气温在0℃以下，极端最低温度平均在-20℃以下，低于-10℃的严寒日数98%集中在冬季。
最大冻土深度为45厘米左右，最大积雪深度为20厘米左右。
冬季降水量在20～25毫米，仅占全年总降水量的3.0～3.7%，整个冬季雨雪稀少，北风频吹，干燥寒冷。
夏季炎热，季平均温度在26℃左右，极端最高温度超过40℃，日最高气温≥40℃的酷热日数均出现在夏季。
夏季不仅炎热，且多降水，雨热同季。
夏季降水量全市各县区平均都在400毫米以上，全年60%的降水量集中在夏季，7月份降水日数平均在15天左右，日降水量≥50毫米的暴雨日数集中在7、8两月，占全年暴雨日数的70%。
（2）地质：
全市有棕壤、褐土、潮土、沙姜黑土、水稻土、风砂土6个土类。
其中，以棕壤、褐土两大土类为主。
地表水3．06亿立方米，地下水11．73亿立方米，地下水源丰富，符合地源热泵设计的要求。
2系统方案
2.1设计原则
济南市夏热冬冷，地源热泵的设计应满足夏季降温为主，和冬季供暖，而夏季空调总冷负荷为884kW，需求量较大，冬季总热负荷为572kW，需求量较少。
空调系统满足国家及行业有关规范、规定的要求，利用已经学习到的知识，结合查找相关文献，设计一个符合舒适性、经济性、节能性要求的空调系统。
2.2地源热泵系统
2.2.1.地源热泵系统技术概念
地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的低温低位热能资源，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移，既可供热又可制冷的高效、环保、节能的热泵技术。
2.2.2.地源热泵系统分类
地源热泵中央空调系统主要分三部分：
室外地能换热系统、水源源热泵机组和室内采暖空调末端系统。
地源热泵中央空调系统按照室外换热方式不同可分为四类：
（1）土壤源热泵中央空调系统；
（2）地下水源热泵中央空调系统；（3）单井换热热井中央空调系统；（4）地表水源热泵中央空调系统。
根据室外循环水是否为密闭系统，分为开环系统和闭环系统。
2.3选择系统方案
2.3.1.工程要求
甲方要求采用土壤源地源热泵垂直埋管方式。
2.3.2土壤源热泵的优点
1．资源可再生利用
2.运行费用低
3.机房占地面积少
4.绿色环保
5.自动化程度高
6.一机多用
土壤源热泵是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。
冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。
它以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。
全年能耗可节省40%左右,初投资偏高，机房面积较小，节省常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低，不产生任何有害物质，对环境无污染，实现了环保的功效。
综上所述，本项目采用土壤源地源热泵系统。
2.4地埋管换热器布置形式
2.4.1工程数据
现场共钻孔90眼，井径120mm，深100m，孔间距5m，孔内安装单U管，共埋管14400m，管材为PE-3407，管径32，垂直管路用水平管道连接，并通过循环水泵与热泵机组连接，形成一个闭式回路
2.4.2管路设计及示意图
地下换热器管路连接方式分为串联和并联两种。
采用串联还是并联取决于系统的大小、埋管深浅及安装成本的高低因素。
对竖直埋管系统，并联方式的初投资及运行费均较经济。
因此本项目采用U型管并联系统。
本项目采用的是竖直单U型管地埋管换热器，同时，为保持各环路之间的水力平衡,采用同程式系统。
示意图：
2.5定压方式
系统工作压力为1.0MPa，采用补水设备进行系统定压。
3热泵机组选择
3.1制冷设备容量及台数的选择
冷热源设备的选择计算主要根据工艺的要求和系统总耗冷量来确定的，是在耗冷量计算的基础上进行的。
冷热源设备选择的适当与否，将会影响整个冷源装置的运行特性，经济性能指标以及运行管理。
冷热源设备的选择一般按下列步骤进行。
1.确定制冷系统的总制冷量
2.确定制冷剂种类和系统形式
3.确定系统的设计工况
4.制冷机组的选择
根据实际情况，热泵机组的制冷量和制热量要满足：
制冷量：
制热量：
3.2热泵机组的选型
3.2.1选型原则：
（1）热泵机组的选型一般原则有：
满足系统的设计负荷；系统的初投资与运行费小。
（2）水源热泵机组选型时，应尽量接近设计冷（热）负荷。
若机组偏大时 ，运行间短，激活频繁。
机组容量合适，运行时间长，有利于除湿。
（3）本次系统设计工况中热泵主机蒸发器出口的流体温度高于0℃，不加防冻液所以不用考虑记住的防腐蚀。
3.2.2热泵机组性能参数
设备型号
台数
冷负荷（KW）
耗电量（KW）
热负荷（KW）
耗电量（KW）
CYWH56O
1
560
106
633
139
CYWH920
1
462
89
528
117
标准运行制冷工况:
冷冻水（用户）进水7℃,出水12℃；冷却水（热源）进水18℃,出水29℃。
标准运行制热工况:
冷冻水（用户）进水50℃,出水45℃；冷却水（热源）进水15℃,出水7℃。
3.2.3机组资料
特性：
1．满液型水源热泵机组采用满液式蒸发器，换热效率高。
采用独特的回油系统及制冷剂流量精密控制系统。
计算机电脑芯片自动化控制，只能调节机组的最佳运行状态，运行费用低。
2.高效性（A）水源热泵机组采用高效制冷压缩机，分级能量调节，控制灵活防办，运行稳定可靠。
制冷系统控制元件均采用国际优质品牌不见，保证机组在宽广的使用工况范围内稳定高效地工作。
换热器具有“大温差、小流量”工作特性，尽量节省水资源，降低机组运行费用。
机组数据：
CYWH56O
CYWH460
名义制冷量（kW）
560
462
输入功率（kW）
106
89
名义制热量（kW）
633
528
输入功率（kW）
139
117
制冷工况冷却水阻力（kPa）
38
36
制冷工况冷却水流量（
）
52
43
制热工况冷冻水阻力（kPa）
26
24
制热工况冷冻水流量（
）
52
43
进出水管（mm）
125
125
机组外型尺寸：
长x宽x高（mm）
3200x1300x1650
3300x1350x1700
标准运行制冷工况:
冷冻水（用户）进水7℃,出水12℃；冷却水（地下）进水18℃,出水29℃。
标准运行制热工况:
冷冻水（用户）进水50℃,出水40℃；冷却水（地下）进水15℃,出水7℃。
3.3运行方案
因为建筑的冷负荷与热负荷相差加大，所以选用一台功率稍大与一台较小功率的机组协调运行，既能满足符合要求，更能达到节能目的.
夏季供冷
两台全开
逐级开启水源热泵机组作为空调的冷源,提供7℃的冷冻水,对建筑物进行制冷（机组最大制冷量为1022KW，满足空调的需求）
冬季热
停开CYWH460
逐级开启水源热泵机组作为空调热源，提供50℃的热水,对建筑物进行制热（机组最大制热量为633KW，满足空调的需求）
过渡季节
可用于正常的机组日常维护与保养。
4水力计算及循环水泵选择
4.1地埋管部分水力计算方法
采用假定流速法，其计算步骤如下：
（1）绘制冷水系统图，对管段编号，标注长度和流量；
（2）确定合理的流速；
（3）根据各个管段的水量和选择流速确定管段的直径，计算最不利环路阻力；
（4）并联管路的阻力平衡；
（5）计算系统的总阻力
由热泵的主要技术参数得：
在设计工况下热泵机组的制冷性能参数:
在设计工况下热泵机组的制热性能参数:
由室外地热能换热系统负荷应满足地源热泵系统实际最大释热量和最大吸热量的要求。
室外地能换热系统最大释热量：
Q1=
室外地能换热系统最大吸热量：
Q2=
4.1.11~2管路计算
选取最不利环路，并为其编号，如图：
1~2管段的水力计算
冷冻水的进水温度为18℃，出水温度为29℃。
考虑到水的比热容随温度的变化很小，取其计算平均温度
查饱和水的热物理性质的，
应用假定流速法确定其管径：
假定流速V=1.5m/s
查标准管径，去DN=140
那么
4.1.2管件当量长度表
4.1.3各管段阻力部件当量长度表
管段
管径D（mm）
阻力部件当量长度le（m）
总当量长度lz（m）
90℃弯管
180℃弯管
直流三通
旁路三通
1~2
140
0
0
0
0
0.00
2~3
110
2.0
6.4
8.4
3~4
110
2.0
2.0
4~5
110
2.0
2.0
5~6
110
2.0
2.0
6~7
50
1.0
2.0
3.0
7~8
50
1.0
1.0
8~9
50
1.0
1.0
9~10
50
1.0
1.0
10~11
50
1.0
1.0
11~12
50
1.0
1.0
12~13
50
1.0
1.0
13~14
50
1.0
1.0
14~15
32
0.7
1.7
1.0
3.4
15~16
110
2.0
5.2
7.2
16~17
110
2.0
5.2
2.0
9.2
17~18
140
3.7
3.7
4.1.4各管段阻力计算统计表
管段
Qv（L/s）
管长l（m）
管径D（mm）
流速v（m/s）
局部阻力部件当量长度le（m）
总长度lz（m）
比摩阻Rm（Pa/m）
总阻力P（Pa）
1~2
22.87
20
140
1.49
0.00
20
200
4000.00
2~3
11.44
30
110
1.20
8.4
38.4
180
6912.00
3~4
9.15
5
110
0.96
2.0
7
110
770.00
4~5
6.86
5
110
0.72
2.0
7
50
350.00
5~6
4.57
5
110
0.48
2.0
7
30
210.00
6~7
2.28
6
50
1.16
3.0
9
300
270.00
7~8
2.03
5
50
1.03
1.0
6
280
1680.00
8~9
1.78
5
50
0.91
1.0
6
220
1320.00
9~10
1.53
5
50
0.78
1.0
6
180
1080.00
10~11
1.28
5
50
0.65
1.0
6
120
720.00
11~12
1.03
5
50
0.52
1.0
6
80
480.00
12~13
0.78
5
50
0.40
1.0
6
50
300.00
13~14
0.53
5
50
0.27
1.0
6
30
180.00
14~15
0.28
205
32
0.14
3.4
208.4
60
12504.00
15~16
11.44
45
110
0.24
7.2
52.2
180
9396.00
16~17
11.44
40
110
1.2
9.2
49.2
180
8856.00
17~18
22.87
20
140
1.49
3.7
23.7
200
4740.00
阻力
求和
53768.00
地埋管的总压降为
=53.768m
4.2冷热源机房管道水力计算：
4.2.1冷热源机房扬程阻力计算：
冷热源机房扬程阻力计算表：
计算管段
管段内径（mm）
管段长度（m）
比摩阻（Pa/m）
总阻力（Pa）
集水器至循环水泵干管
140
4.65+0.7=5.35
200
1070
循环水泵入口支管
125
1.0+4=5
80
400
循环水泵出口支管
125
1.0+4=5
80
400
循环水泵出口干管至冷水机组冷凝器干管
140
0.7+5.1=5.8
200
1160
热泵机组冷凝器入口支管
125
2
80
160
热泵机组冷凝器至分水器
140
4.8+0.175+1.03+0.85=6.855
200
1371
冷热源机房扬程阻力（Pa）
1070+400+400+1160+160+1371=4561
（注：
比摩阻查相关图表得到）
4.2.2机房管道接头局部阻力计算：
冷热源机房接头局部阻力表：
计算管段
接头类型
数量
接头当量长度（m）
单个接头阻力（Pa）
总阻力（KPa）
集水器至循环水泵干管（DN140）
直流三通
1
2.78
556
556
90度弯头
1
4.4
880
880
循环水泵入口支管
（DN140）
直流三通
1
2.78
556
556
90度弯头
1
4.4
880
880
循环水泵出口支管循环水泵至冷水机组冷凝器干管
（DN140）
直流三通
3
2.78
556
1668
90度弯头
1
4.4
880
880
热泵机组冷凝器入口支管（DN125）
直流三通
1
2.5
220
220
热泵机组冷凝器至分水器（DN140）
直流三通
1
2.78
556
556
冷热源机房管段接头局部阻力阻力（Pa）
556*3+880*3+1168+220=5696
（管件当量长度根据管件当量长度表得到）
4.2.3机房各类阀门局部阻力计算
各类阀门所在管段位置以及局部阻力计算表：
所在管段
阀门类型
数量（个）
局部阻力系数
局部阻力和
所在管段直径DN（mm）
管段流速（m/s）
总局部阻力
（Pa）
地源侧循环水泵给水管
蝶阀
3
0.54
1.08
140
1.49
1199
地源侧循环水泵至机组冷凝器
蝶阀
3
0.54
1.62
125
1.32
5053
止回阀
1
2.0
20
125
1.32
闸阀
1
0.18
0.18
125
1.32
压力旁通阀
1
2.0
2.0
125
1.32
机组冷凝器至室外地源换热系统
蝶阀
4
0.54
2.16
140
1.49
3097
闸阀
1
0.18
0.18
140
1.49
阀门局部阻力（Pa）
1199+5053+3097=9349
（其中局部阻力按照p=
ρν²/2计算）
4.2.4冷热源机房总阻力计算
总阻力计算表：
阻力类型
位置
沿程阻力（kPa）
接头局部阻力
（kPa）
阀门局部阻力（kPa）
冷凝器压力降（kPa）
集水器
（kPa）
分水器
（kPa）
冷热源机房
4.561
5.696
9.349
38
26
32
总阻力（KPa）
4.561+5.696+9.349+38+26+32=19.606=115.606m
最不利环路总阻力=地埋管阻力+机房阻力=53.768m+115.606m=169.374m
4.3水泵的选择
选用水泵流量和扬程皆考虑10%的余量，则选用的水泵的流量参数为：
Q=82.332x1.1=90.5652m3/h，扬程：
1.1x169.374=186.3mH2O
根据此参数得出选用的水泵：
型号
流量（m3/h）
扬程
（m）
效率
（%）
转速
r/min
电机功率（KW）
台数
IS100-80-125
100
196
70
2900
11
2
4.3.1水泵管道的设置
进行水泵的配管布置时，应注意以下几点：
（1）安装软性接管：
在连接水泵的吸入管和压出管上安装软性接管，有利于降低和减弱水泵的噪声和振动的传递。
（2）出口装止回阀：
目的是为了防止突然断电时水逆流而时水泵受损。
（3）水泵的吸入管和压出管上应分别设进口阀和出口阀；目的是便于水泵不运行能不排空系统内的存水而进行检修。
。
（4）水泵的出水管上应装有温度计和压力表，以利检测。
如果水泵从地位水箱吸水，吸水管上还应该安装真空表。
（5）水泵基础高出地面的高度应小于0.1m，地面应设排水沟。
5水系统附件选择
5.1压力表
根据规范要求，压力在+40kPa以上时，一般选用弹簧管压力表或波纹管压力计。
选择型号为Y-60T的弹簧管压力表，量程：
-0.1~0.3Mpa使用温度：
-40~70度
弹簧管压力表通过表内的敏感元件--波登管的弹性变形，再通过表内机芯的转换机构将压力形变传导至指针，引起指针转动来显示压力，适用测量无爆炸，不结晶，不凝固，对铜和铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽的压力。
5.2Y型过滤器
根据《上海大田阀门管道产品手册》，选用Y型法兰过滤器，TYPE-DN140，采用法兰连接，相关产品参数：
公称通径
DN140
公称压力
1.6-4.0MPa
最高允许温度
425°C
外形尺寸L
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