毕业设计之土壤源热泵系统的设计方法资料.docx
《毕业设计之土壤源热泵系统的设计方法资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计之土壤源热泵系统的设计方法资料.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
毕业设计之土壤源热泵系统的设计方法资料
土壤源热泵系统的设计方法
0引言
随着我国建筑业持续发展，对建筑节能的要求越来越高，而供热系统和空调系统是建筑能耗的主要组成部分，因此，设法减小这两部分能耗意义非常显著。
地源热泵供热空调系统是一种使用可再生能源的高效节能、环保型的系统[1]。
冬季通过吸收大地的能量，包括土壤、井水、湖泊等天然能源，向建筑物供热；夏季向大地释放热量，给建筑物供冷。
相应地，地源热泵系统分土壤源热泵系统、地下水热泵系统和地表水热泵系统3种形式。
土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。
地下水热泵系统分为开式、闭式两种：
开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。
地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。
虽然采用地下水、地表水的热泵系统的换热性能好，能耗低，性能系数高于土壤源热泵，但由于地下水、地表水并非到处可得，且水质也不一定能满足要求，所以其使用范围受到一定限制。
国外（如美国、欧洲）主要研究和应用的地源热泵系统以及我国理论研究和实验研究的重点均是土壤源热泵系统。
目前缺乏系统设计数据以及较具体的设计指导，本文进行了初步探讨，以供参考。
1土壤源热泵系统设计的主要步骤
（1）建筑物冷热负荷及冬夏季地下换热量计算
建筑物冷热负荷计算与常规空调系统冷热负荷计算方法相同，可参考有关空调系统设计手册，在此不再赘述。
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[2]计算：
kW
（1）
kW
（2）
其中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
一般地，水源热泵机组的产品样本中都给出不同进出水温度下的制冷量、制热量以及制冷系数、供热系数，计算时应从样本中选用设计工况下的COP1、COP2。
若样本中无所需的设计工况，可以采用插值法计算。
（2）地下热交换器设计
这部分是土壤源热泵系统设计的核心内容，主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等。
（在下文将具体叙述）
（3）其它
2地下热交换器设计
2.1选择热交换器形式
2.1.1水平（卧式）或垂直（立式）
在现场勘测结果的基础上，考虑现场可用地表面积、当地土壤类型以及钻孔费用，确定热交换器采用垂直竖井布置或水平布置方式。
尽管水平布置通常是浅层埋管，可采用人工挖掘，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多[3]，并且往往受可利用土地面积的限制，所以在实际工程中，一般采用垂直埋管布置方式。
根据埋管方式不同，垂直埋管大致有3种形式：
（1）U型管
（2）套管型（3）单管型（详见[2]）。
套管型的内、外管中流体热交换时存在热损失。
单管型的使用范围受水文地质条件的限制。
U型管应用最多，管径一般在50mm以下，埋管越深，换热性能越好，资料表明[4]：
最深的U型管埋深已达180m。
U型管的典型环路有3种（详见[1]），其中使用最普遍的是每个竖井中布置单U型管。
2.1.2串联或并联
地下热交换器中流体流动的回路形式有串联和并联两种，串联系统管径较大，管道费用较高，并且长度压降特性限制了系统能力。
并联系统管径较小，管道费用较低，且常常布置成同程式，当每个并联环路之间流量平衡时，其换热量相同，其压降特性有利于提高系统能力。
因此，实际工程一般都采用并联同程式。
结合上文，即常采用单U型管并联同程的热交换器形式。
2.2选择管材
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，土壤源热泵系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。
2.3确定管径
在实际工程中确定管径必须满足两个要求[2]：
（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与管道内壁之间的传热。
显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑。
一般并联环路用小管径，集管用大管径，地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s以下,对更大管径的管道，管内流速控制在2.44m/s以下或一般把各管段压力损失控制在4mH２O/100m当量长度以下[1]2.4确定竖井埋管管长
地下热交换器长度的确定除了已确定的系统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等。
文献[2]介绍了一种计算方法共分9个步骤,很繁琐，并且部分数据不易获得。
在实际工程中，可以利用管材“换热能力”来计算管长。
换热能力即单位垂直埋管深度或单位管长的换热量，一般垂直埋管为70～110W/m（井深），或35～55W/m（管长），水平埋管为20～40W/m（管长）左右[3]。
设计时可取换热能力的下限值，即35W/m（管长），具体计算公式如下：
（3）
其中Q1＇——竖井埋管总长，m
L——夏季向土壤排放的热量，kW
分母“35”是夏季每m管长散热量，W/m
2.5确定竖井数目及间距
国外，竖井深度多数采用50～100m[2]，设计者可以在此范围内选择一个竖井深度H，代入下式计算竖井数目:
（4）
其中N——竖井总数，个
L——竖井埋管总长，m
H——竖井深度，m
分母“2”是考虑到竖井内埋管管长约等于竖井深度的2倍。
然后对计算结果进行圆整，若计算结果偏大，可以增加竖井深度，但不能太深，否则钻孔和安装成本大大增加。
关于竖井间距有资料指出：
U型管竖井的水平间距一般为4.5m[3]，也有实例中提到DN25的U型管，其竖井水平间距为6m，而DN20的U型管，其竖井水平间距为3m[4]。
若采用串联连接方式，可采用三角形布置（详见[2]）来节约占地面积。
2.6计算管道压力损失
在同程系统中，选择压力损失最大的热泵机组所在环路作为最不利环路进行阻力计算。
可采用当量长度法，将局部阻力件转换成当量长度，和管道实际长度相加得到各不同管径管段的总当量长度，再乘以不同流量、不同管径管段每100m管道的压降，将所有管段压降相加，得出总阻力。
2.7水泵选型
根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。
根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号及台数。
2.8校核管材承压能力
管路最大压力应小于管材的承压能力。
若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承受的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和[1]，即：
其中ｐ——管路最大压力，Pa
ｐ０——建筑物所在的当地大气压，Pa
ρ——地下埋管中流体密度，kg/m3
g——当地重力加速度，m/s2
h——地下埋管最低点与闭式循环系统最高点的高度差，m
ρh——水泵扬程，Pa
3 其它
3.1与常规空调系统类似，需在高于闭式循环系统最高点处（一般为1m）设计膨胀水箱或膨胀罐，放气阀等附件。
3.2在某些商用或公用建筑物的地源热泵系统中，系统的供冷量远大于供热量，导致地下热交换器十分庞大，价格昂贵，为节约投资或受可用地面积限制，地下埋管可以按照设计供热工况下最大吸热量来设计，同时增加辅助换热装置（如冷却塔＋板式换热器，板式换热器主要是使建筑物内环路可以独立于冷却塔运行）承担供冷工况下超过地下埋管换热能力的那部分散热量。
该方法可以降低安装费用，保证地源热泵系统具有更大的市场前景，尤其适用于改造工程[1]。
4设计举例
4.1设计参数
上海某复式住宅空调面积212m2。
4.1.1室外设计参数
夏季室外干球温度tw＝34℃,湿球温度ts＝28.2℃
冬季室外干球温度tw＝-4℃,相对湿度φ＝75％
4.1.2室内设计参数
夏季室内温度tn＝27℃,相对湿度φn＝55％
冬季室内温度tn＝20℃,相对湿度φn＝45％
4.2计算空调负荷及选择主要设备
参考常规空调建筑物冷热负荷的计算方法，计算得到各房间冷热负荷并选择风机盘管型号；考虑房间共用系数（取0.8），得到建筑物夏季设计总冷负荷为24.54kW，冬季设计总热符负荷为16.38kW，选择WPWD072型水源热泵机组2台，本设计举例工况下的COP1＝3.3，COP2＝3.7。
4.3计算地下负荷
根据公式
（1）、
（2）计算得
kW
kW
取夏季向土壤排放的热量 Q1＇进行设计计算。
4.4确定管材及埋管管径
选用聚乙烯管材PE63（SDR11），并联环路管径为DN20，集管管径分别为DN25、DN32、DN40、DN50，如图1所示。
4.5确定竖井埋管管长
根据公式（3）计算得
m
4.6确定竖井数目及间距
选取竖井深度50m，根据公式（4）计算得
个
圆整后取10个竖井，竖井间距取4.5m。
4.7计算地埋管压力损失
参照本文2.6介绍的计算方法，分别计算1－2－3－4－5－6－7－8－9－10―11―11′－1′各管段的压力损失，得到各管段总压力损失为40kPa。
再加上连接到热泵机组的管路压力损失，以及热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，所选水泵扬程为15mH2O4.8校核管材承压能力
上海夏季大气压力ｐ０＝100530Pa，水的密度ρ＝1000kg/m３，
当地重力加速度g＝9.8m/s2，高度差h＝50.5m
重力作用静压ρgh＝494900Pa
水泵扬程一半0.5ρh＝7.5mH2O＝73529Pa
因此，管路最大压力ｐ＝ｐ０＋ρgh＋0.5ρh＝668959Pa（约0.7Mpa）
聚乙烯PE63（SDR11）额定承压能力为1.0MPa，管材满足设计要求。
5结论
地源热泵系统在我国长江流域及其周围地区具有广阔的应用前景，但有关影响土壤源热泵系统广泛应用的主要因素（如地下热交换器的传热强化、土壤性质等）的研究还很有限，设计时大致可以遵循以下原则：
（1）若建筑物周围可利用地表面积充足，应首先考虑采用比较经济的水平埋管方式；相反，若建筑物周围可利用地表面积有限，应采用竖直U型埋管方式。
（2）尽管可以采用串联、并联方式连接埋管，但并联方式采用小管径，初投资及运行费用均较低，所以在实际工程中常用，且为了保持各并联环路之间阻力平衡，最好设计成同程式。
（3）选择管径时，除考虑安装成本外，一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m（当量长度）以下，同时应使管内流动处于紊流过渡区。
前言
我国每年大约有20亿平方米的建筑总量，接近全球年建筑总量的一半，建筑能耗约占全国社会终端总能耗的27.6％，因此建筑节能势在必行。
可再生能源在建筑中的应用是建筑节能工作的重要组成部分。
地源热泵系统作为可再生能源应用的主要途径之一，同时也是最利于与太阳能供热系统相结合的系统形式，近年来在国内得到了日益广泛的应用。
在大型商业建筑和公用建筑中,合理空调方案的确定是个至关重要的问题。
按负担室内空调负荷所用介质分类，空调系统可分为全空气系统、全水系统、空气-水系统和冷剂系统。
每种空调系统都有各自的适用性，对于建筑空间大，易于布置风道且对室内温、湿度洁净度控制要求严格的场合，适合用全空气系统。
全水系统适合用于建筑空间小，不易于布置风道的场合。
空气-水系统适用于室内温、湿度控制要求一般且层高较低，冷、湿负荷也较小的场合。
对于空调房间布置分散，要求灵活控制空调使用时间且无法设置集中式冷、热源的场合适合用冷剂系统。
通过毕业设计消化和巩固大学四年学习的本专业全部理论知识和实际知识，并将它应用到工程实践中去解决工程的实际问题，熟悉有关的技术法规内容，培养施工设计的思维能力和制图技巧及对工程技术的认真态度。
第1章概述
1.1建筑概况
1.1.1设计地点
山东省青岛市。
1.1.2建筑物土建资料
见土建资料图纸。
1.1.3建筑物使用功能
本次设计为商住两用建筑，一到五号楼。
本次设计不考虑住宅部分。
总占地面积约为8000㎡，空调面积为约18807㎡。
楼底部作沿街店铺，小区配套服务设施，及设备用房。
台湛路一层二层做商场，延安三路一层二层作沿街商铺。
工程地下室作为地下车库。
1.1.4建筑物的周围环境
本设计建筑物位于青岛市市北区，延安三路与台湛路交界处。
1.1.5建筑物所在地区土质资料
根据勘探井的资料得知设计地点土质为粉质粘土，轻微潮湿，土壤导热系数为1.8W/（m.K）左右，且地下八十米以上是非岩层地带，土壤导热情况良好，适合于作为热泵系统的冷热源。
1.2土壤源热泵
1.2.1热泵系统的特点
a.热泵空调系统是利用低位再生能的热泵技术，其特点如下：
（1）用能遵循了能量的循环利用原则，避免了常规空调系统用能的单向性。
所谓用能的单向性是指“热源消耗高位能（电、燃气、油与煤等）——向建筑物内提供低温的热量——向环境排放废物（废热、废气、废渣等）”的单向性用能模式。
它是一种仿效自然生态过程物质循环模式的部分热量循环使用的用能模式，实现热能的级别提升。
（2）合理利用高位能的模范。
热利用高位能作为驱动能源，推动动力机（如电机、燃气机、燃油机等），然后再由动力机驱动工作机（如制冷机）运行。
工作机像泵一样，把低位热能输送至高位以向用户供暖实现了科学配置能源。
（3）用大量的低温再生能源替代常规空调中的高位能。
通过热泵技术，将贮存在土壤、地下水、地表水或空气中的自然低品位能源，以及生产和生活中排放的废热，用于建筑物的采暖和热水供应。
（4）暖通空调供热一般来说都是低位热源，如风机盘管只需要50—60℃热水，地板辐射采暖一般要求提供的热水温度低于50℃，这为使用热泵创造了提高性能系数的条件。
也就是说，在暖通空调工程中采用热泵有利于提高它的制热性能系数
b.实际工程中较常见的有空气源热泵和地源热泵，地源热泵又包括地下水源热泵，地表水热泵，土壤源热泵。
（1）空气源热泵
系统简单，初投资较低。
但是不够稳定，其效率容易受室外气象参数的影响，在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率较低，而这时候热负荷和冷负荷的需求都比较大。
但是在供热季节，如果室外气温过低，空气源热泵的供热能力衰减大，并且有的蒸发器结霜之虞，需要进行定期除霜，增加系统运行能耗。
（4）地源热泵
①.地下水源热泵
此种系统采用地下水，会对地下生态造成一定的影响。
②.地表水热泵
由提供的设计原始资料，未发现该建筑周围由大量的地表水资源。
③.土壤源热泵
根据本建筑所处地理位置，离江河湖泊较远，同时考虑到对地下生态环境的影响，采用地埋管热泵系统。
因每年传给土壤的冷热量不同，夏季采用冷却塔辅助散热，维持地下的热平衡。
地源热泵的地下换热器所处的位置是在地壳中的浅层地表土壤中土壤的类型、热特性、热传导性、密度、湿度等对地源热泵系统的性能影响较大。
根据地质钻探可知济南地区浅层土是以粘土、亚粘土及粉砂为主的软土，属于第四世纪沉积层，且土壤潮湿，地下水位高，是埋管系统较适合的土壤类型。
由于本次设计中建筑物分布较密集，所留空间不适宜做水平埋管，因此本次设计选用垂直埋管系统形式。
在2011年聊城举办的《山东省暖通空调制冷学术年会》上，中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院徐伟院长，做的《中国地源热泵应用适宜性评价》学术报告中指出，青岛是适宜采用土壤源热泵的地区。
该学术报告，从岩土体资源性条件和土壤源系统系条件两方面，有针对性的做了土壤源热泵适宜性研究分析，该分析具体从土壤平均温度、节能性、经济型、环保性、平衡性，包括系统能效比，投资回收期，标煤替代量，吸排热量不平衡率等方面，综合分析比较后，给出了中国土壤热泵适宜性分区图，济南处于采用土壤源热泵系统的适宜性分区范围内。
该分区图如下所示：
图1-1中国土壤源热泵系统适宜性分区图
因此，本设计空调系统的冷热源采用土壤源热泵。
1.3空调系统
1.3.1常用空调系统的比较【1】
在大型商业建筑和公用建筑中,合理空调方案是个至关重要的问题。
按负担室内空调负荷所用介质分类，空调系统可分为全空气系统、全水系统、空气-水系统和冷剂系统。
其各自的特点如下：
a.全空气系统工作原理及特点
用于消除室内显热冷负荷与潜热冷负荷的全空气系统。
该系统中空气必须经冷却和去湿处理后送入室内。
至于房间的采暖可以用这同一套系统来实现，即在系统内增设空气加热和加湿（也可以不加湿）设备；也可以用另外采暖系统来实现。
集中式全空气空调系统是用得最多的一种系统形式，尤其是空气参数控制要求严格的工艺性空调大多采用这种系统。
图1-2系统原理和构成
图1-3组合式空调处理机
组合式空调处理机构成：
混合段、表冷段、加热段、风机段、过滤段、加湿段
中间段等。
全空气系统中央空调在北美地区应用广泛，在加拿大、美国别墅及娱乐场所基本都是采用这种系统来制冷供暖。
全空气系统中央空调是真正意义上的四度空调:
除了解决基本的冷暖、对室内空气的新鲜度、洁净度、湿度都可以自由调节。
温度:
可通过系统的温控器来自由调节室内理想舒适的温度。
空气新鲜度:
系统可把室外的新鲜空气过滤处理后进行室内空气更换,让室内环境更加清新，春秋两季可单独开启换气新风而不开空调，因此节能。
空气湿度:
中央加湿系统与空气系统有机地结合。
利用中央加湿器调节室内湿度，从此不会再因空气干燥而出现静电、皮肤干燥等状况。
空气洁净度:
空气净化系统可除去花粉、烟气、灰尘等细小杂质,让室内更加洁净健康和舒适。
但是全空气系统也有一些不可避免的缺点，由于风道尺寸大，所占空间较大，因此空调机房较大，难以设置；送风动力大，与空气一水方式比较耗电多。
b.空气-水系统工作原理及特点
空气-水系统工作原理：
冷、热源由空调机房提供，房间内设置风机盘管，承担冷、热负荷，新风系统向房间内补充新风，承担新风负荷。
本次设计采用风机盘管+新风的方案。
下图是本次设计采用的典型的风机盘管和空气处理机-全热交换器。
图1-4卧室暗装风机盘管
风机盘管加新风系统具有诸多优点，根据房间的使用状况确定风机盘管的启停,具有个别控制的优越性，控制灵活，可灵活地调节各房间的温度;容易实现系统分区控制，冷热负荷能够按房间朝向，使用目的，使用时间等把系统分割为若干区域系统，实施分区控制；风机盘管机组体型小，占地小，布置和安装方便，甚至适合于旧有建筑的改造。
风机盘管加新风系统也具有如下的缺点：
室内空气品质比较差，很难进行二级过滤且易发生凝结水渗顶事故，因机组分散设置，台数较多，维修管理工作量大。
c.冷剂系统工作原理及特点
VRV空调系统是在电力空调系统中，通过控制压缩机的制冷剂循环和进入室内换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷热负荷要求的高效率冷剂空调系统。
其工作原理是：
由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和表征制冷系统运行状况的状态参数，根据系统运行优化准则和人体舒适性准则，通过变频等手段调节压缩机输气量，并控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等一切可控部件，保证室内环境的舒适性，并使空调系统稳定工作在最佳工作状态。
下图是该系统的工作原理图:
图1-5VRV系统工作原理图
VRV系统由室外机、室内机和冷媒配管三部分组成。
一台室外机通过冷媒配管连接到多台室内机，根据室内机电脑板反馈的信号，控制其向内机输送的制冷剂流量和状态，从而实现不同空间的冷热输出要求。
VRV系统具有节能、舒适、运转平稳等诸多优点，而且各房间可独立调节，能满足不同房间不同空调负荷的需求。
但该系统对管材材质、制造工艺、现场焊接等方面要求非常高，且其初投资比较高。
其控制系统由厂家进行集成，因此无需进行后期开发，多数厂家更在其产品基础上推出了多种功能齐全的智能控制系统，如大金的i-Manager系统，用于大型楼宇的集中管理，相对传统中央空调，其集控的设计、施工、使用更加便利，功能也更人性化。
但是它也有一些缺点：
设备初投资高；低温条件下、制热性能下降
1.3.2本项目空调系统设计方案
通过对几种空调系统形式的比较分析，结合本项目建筑物特点，功能及房间温湿度洁净度及舒适度等要求最终确定本项目采用全空气系统及风机盘管加独立新风综合调节的系统形式。
对于沿台湛路一层二层的商场为大空间，选用全空气系统。
对于店铺及商铺及社区服务用房由于房间分布密集，面积较小选用风机盘管加独立新风系统。
第2章空调系统负荷计算
2.1室内外空气的空调设计参数
2.1.1青岛地区室外气象参数
由《采暖通风与空气调节设计规范》【2】GB50019-2003查得：
表2-1青岛市冬夏季室外设计参数
基
本
参
数
国家
省份
城市
经度（°E）
纬度（°N）
中国
山东省
青岛
120.20
36.04
海拔（m）
年平均
气温（℃）
极端最低气温（℃）
极端最高气温（℃）
大气透明度等级
76
12.2
-15.5
35.4
5
冬
季
参
数
冬季大气压（Pa）
冬季室外通风计算干球温度（℃）
冬季室外空调计算干球温度（℃）
冬季室外空调相对湿度（%）
冬季室外平均风速（m/s）
101690
-1
-9
62
5.7
夏
季
参
数
夏季大气压（Pa）
夏季室外空调计算日平均温度（℃）
夏季室外空调计算干球温度（℃）
夏季室外空调计算湿球温度（℃）
夏季室外平均风速（m/s）
99850
27.2
29
26
4.9
2.1.2室内控制参数参数
《公共建筑节能设计标准》【3】（GB50189-2005）的相关规定，室内设计参数如下所示。
表2-2室内控制参数汇表
商场
店铺
商铺
老年活动中心
物业管理中心
卫生站
门厅走道
夏季
室温℃
25
25
25
23
25
25
25
湿度%
60
60
60
60
60
60
60
冬季
室温℃
20
20
20
15
20
20
16
湿度%
50
50
50
50
50
50
50
设备功率（w/m^2）
13
13
13
13
13
13
0
照明功率（w/m^2）
20
20
20
11
11
11
20
人员密度
人/m^2
0.3
0.3
0.3
0.5
0.3
0.3
0.3
新风量（m^3/人）
20
20
20
30
20
20
20
2.1.3围护结构性能参数
从建筑图纸可看出，此建筑外围护结构部分朝向为玻璃幕墙结构，除了外窗以外其他外围护结构为普通外墙。
其窗墙比设为0.28；体形系数为0.125，根据《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）【
升级会员 