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地源热泵系统设计

大学

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

江苏科技大学本科毕业论文

地源热泵系统设计

Designofgroundsourceheatpumpsystem

摘要

近几年，随着节约能源的观念在人们心中日益加深，人们开始崇尚一些绿色、环保、可再生的新能源。

地源热泵以其节能环保的特性，开始逐渐受到社会的关注。

地源热泵系统空调，相比于其它传统的中央空调系统，节约能耗达到了50%，其超高的经济性，远超传统空调。

并且，地源热泵的冷热源全年温度比较稳定，一般维持在9—16℃，因此，地源热泵空调系统的制冷制热性能也是不错的。

本课题主要研究的是上海市某别墅采用地源热泵空调系统实现夏季制冷，冬季供热工况的设计方案。

本设计地源热泵系统的地下换热器埋管方式采用了垂直U型埋管，解决了传统空调运行费用高、运行效率低、噪音大、维护费用高、使用寿命短等缺点，真正做到了高效、节能、环保、舒适的要求。

在本次毕业设计中，我先通过计算各个房间的负荷，确定各个房间的风机盘管型号，再布置新风系统，然后进行水力计算，确定个管段的管径，最后进行选择地源热泵机组以及地埋管设计的工作。

关键词：

地源热泵的工作原理及形式；空调系统；垂直U型埋管

Abstract

Inrecentyears,withthedeepeningoftheconceptofenergysavingintheheartsofthepeople,peoplebegantoadvocategreennewenergy,environmentalprotection,renewable.Groundsourceheatpumpbasedonthecharacteristicsofenergysavingandenvironmentalprotection,graduallybegantopayattentionto.Groundsourceheatpumpairconditioningsystem,comparedtootherconventionalcentralair-conditioningsystem,savingenergyconsumptionreached50%,itshigheconomy,farmorethanthetraditionalairconditioning.Andcoldandheatsourcetemperaturethroughouttheyear,groundsourceheatpumpisrelativelystable,generallymaintainedat9-16℃,therefore,refrigerationandthermalperformanceofgroundsourceheatpumpairconditioningsystemisalsogood.

ThemainresearchtopicisavillainShanghaiusinggroundsourceheatpumpairconditioningsystemdesignofrefrigerationinsummer,winterheatingconditions.ThedesignofgroundsourceheatpumpsystemofundergroundheatexchangerswiththeverticalUtube,tosolvethetraditionalair-conditioninghighoperatingcosts,lowefficiency,highnoise,highmaintenancecost,shortservicelifeofdisadvantages,trulyefficient,energysaving,environmentalprotection,comfortrequirements.

Inthisgraduationdesign,Ifirstbycalculatingeachroomload,determinethefancoiltypeineachroom,decoratethefreshairsystem,andthendeterminethehydrauliccalculation,asectionofthepipeline,thefinalselectionofgroundsourceheatpumpandgroundtubedesign.

Keywords:

Theworkingprincipleandtheformofgroundsourceheatpump;airconditioningsystem;theverticalUtube

第一章绪论

1.1研究背景

地热是一种可以再生的自然能源。

目前，尽管它的使用范围还远远没有像传统能源比如煤、石油、天然气等能源那样广泛，不过由于地壳中的地热能储量异常的丰富，尤其是在能源匮乏程度相当高的今天，关于地热能利用的话题已经开始进入了许多国家的视线。

地源热泵中央空调系统的原理是，把地球表面浅层地热资源（一般不超过400米深）当作空调运行时的冷热源，通过换热器进行能量转换的高效率、节约能源的空调系统。

通过向机组输入少许的电能，地源热泵从而能都实现能量转移的过程。

冬天的时候，地能要做为热泵向屋内供热的热源，夏天的时候，地能要做为向屋内供冷的冷源。

也就是说冬天的时候，地源热泵要取出地能中的热量，经过设备将温度提高后，然后再通向室内用于房屋的采暖；相反冬天相反，夏季的时候，热泵要取出室内的热量，将热量输送到地底下，从而实现房屋的制冷。

一般来说，用户如果想要得到4kW以上的冷热量，地源热泵仅仅只需要消耗1kW的电能。

1.2国内地源热泵发展

地源热泵技术进入我国的时间相比于西方国家来说相对较晚，二十世纪五十年代，我国天津大学才开始从事于地源热泵研究的相关工作，从此时起至八十年代末时，地源热泵技术的研究形成了一股潮流，各大院校开始纷纷涌入这股潮流中去。

最近这些年里，地源热泵技术的推广工作在全国逐步进行中，有些企业已经能够实现设备的中小规模生产。

当前，国内设备厂商主要生产的是常温地源热泵机组，当然，也有一些设备厂商已经研发出了高温地源热泵机组，其研发产品的出水温度可超过常温机组的55℃出水温度，达到75℃，国内有关高温地源热泵机组技术空白也被这项技术填补了。

从应用方向上来看，只有一些大型工程才应用地源热泵系统作为其采暖、制冷空调系统，小型工程的空调系统一般不会采用地源热泵，但也会有个例，比如一些高档别墅。

从发展的角度上来看，地源热泵市场正在变得愈发规范，因此，越发迫切的需要一个行业标准调整市场格局。

因此，国家颁布的《地源热泵供热空调技术法规》将对地源热泵项目的未来起到重要的指导作用。

《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》于1955年，由中国与另一个国际发达国家美国共同签订，并且，两年后的1957年，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》又由中美两国共同签订。

在这份协议之中，地源热泵空调技术成为了两国许多合作项目中的一项，这一举措又非常大的促进了地源热泵技术的在国际上的合作与推广。

1998年是我国在地源热泵技术这个领域里程碑式的一年，自这一年起，国内许多家高校建立了研究地源热泵的实验台。

在这些高校之中最具代表性的就是：

1992年在重庆建工学院建设的实验装置，其实验装置涵盖浅埋竖管与水平埋管换热器在内；1998年青岛建工学院建设的实验装置，其实验装置涵盖聚乙烯垂直地源热泵设备在内；1992年同济大学建设的实验装置，其实验装置涵盖垂直地源热泵设备装置等。

另一方面，生产地源热泵设备的厂家在国家政策的支持下，数量正在逐步的增加，地源热泵的一系列产品也能够进行批量的生产。

由于高校科研单位与企业之间的形成相互合作的关系，已经在中国的地源热泵技术的研究取得了很大的进步，已经做了大量的实验研究，大量的示范项目的建设，有很多有效的数据，因此，我国发展地源热泵的步伐正在大步的向前迈进。

《地源热泵系统工程技术规范国家标准》于2006年，由国家建设部修订。

同年9月份，沈阳作为辽宁省会，被国家建设部批准作为试点城市，承担了推广地源热泵技术应用的任务。

目标是在2010年之前，使全市的供暖用户中，至少有三分之一的用户采用的供暖系统是地源热泵采暖系统。

2006年12月，国家建设部发布文件《“十一五”重点推广技术领域》。

其中，水源热泵技术凭借其高效率与可再生的特性，成为了一种新能源技术，成功的被编写进了目录中。

1.3地源热泵的特点

（1）土壤源热泵技术是可再生能源的利用技术。

由于地源热泵是利用了地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的空调系统。

地表浅层的地热资源可称之为地能。

地表浅层相当于一个非常巨大集热器，每日不间断的聚集太阳所散发的热量，每年大概会收集了47%的太阳能，差不多是人类每年利用能量总和的500多倍。

由于地能在某种意义上来说是无穷无尽的，因此，地能也可以说是清洁可再生的能源。

（2）地源热泵的高效节能使其具有很高经济性。

地源热泵的COP（热能能效比）值可以突破4，一般来说，用户如果想要得到4kW以上的冷热量，仅仅只需要消耗1kW的电能。

（3）地源热泵环境效益非常高。

设备的运行相当环保，不会产生任何的污染物。

系统能够承担居民区的供暖、制冷，系统的运行没有燃烧，没有烟雾，没有任何废弃物，而且热量是在近处的居民区内使用，不需要输送到较远的地方。

（4）地源热泵一台机器能够承担多种用途，有相当广泛的应用范围。

地源热泵系统除常规的能提供供暖、制冷的用途之外，还可以取代锅炉的作用完成提供生活热水功能，地源热泵系统完全可以替代原来由锅炉以及中央空调系统组成的两套系统。

地源热泵系统的应用范围相当广，学校、商场、办公楼以及宾馆之类的建筑完全可以安装地源热泵空调系统，别墅住宅特别适合于安装地源热泵空调系统。

（5）地源热泵空调系统维护费用相对于其它中央空调机组比较低。

承担机械运动的零件在热泵机组中相当少，而且所有的部件都不与外部环境直接相接触，因此，即使是在恶劣的自然环境，也无法影响到地源热泵；有高程度自动控制，可无人值守。

1.4地源热泵的优缺点分析与适用条件

地源热泵系统是以地下30～300m深的土壤、沙土、岩石与含水层作为热泵系统的源与汇，此浅层温度低且一年四季恒温，不仅不受地表温度变化的影响，也不受地心高温的影响。

所以，地源热泵机组的第一个优点其输出常年稳定的制冷量和制热量。

高效率是地源热泵的第二个优点。

夏季制冷时地下的汇温度一般能维持在20℃左右，冬季制热时地下的源温度一般能维持在10℃左右,因此，相比于空气源热泵效率，其制冷与制热效率一般均可高出20%一40%。

第三个优点是当地源热泵工程夏季向地下累计放热量等于冬季从地下累计取热量,冷却塔与辅助加热设备就可以不必安装在地源热泵系统上,从而减少了设备的保养费用。

夏季制冷时的冷凝热可以被地源热泵系统充分利用是第四个优点,冷凝热储存于地下,能够减轻城市的夏季热岛效应,同时也方便人们能够使用全年的生活热水。

地源热泵系统也是有缺点的，首先是就是地源热泵系统投资比较高，第二个缺点是地源热泵系统的全年供冷供热性能与经济性强烈依赖于建筑的冷、热负荷计算,设备选用以及地埋管或水井设计计算与施工，精心设计与精心施工的工程与粗制滥造的工程会有非常大的差别。

第三个缺点是国内缺少熟悉地源热泵系统的合格设计者。

第四个缺点是国内没有足够多的有经验的、合格的承包商。

地源热泵系统既不是一种万能的系统,也不是在任何地方都能建设的系统。

地源热泵系统的适用条件和场所为:

l）全年室外空气平均温度（或地下恒温带温度）处于10一20℃的地域;2）具有经济打井的地质条件和拥有合适浅层地下水资源的地域;3）全年向地下总排热量和总取热量相等或接近的供热、供冷工程;4）夏季供冷温度不低于5℃,冬季供热温度不高于60℃的工程[1]。

第二章空调设计依据

2.1室外气象参数

（1）地理位置：

本别墅位于上海市，东经121.45°，北纬31.40°。

（2）夏季大气压力：

100570.00Pa；

冬季大气压力：

102650.00Pa。

（3）室外气象设计条件：

夏季空调室外干球温度34.60℃；

夏季空调室外湿球温度28.20℃；

夏季空调室外平均温度31.30℃；

夏季室外平均风速3.40m/s；

冬季空调室外干球温度-1.20℃；

冬季空调室外相对湿度73%;

冬季室外平均风速3.40m/s。

（4）地表面温度：

地表面最冷月平均温度4.10℃；

地表面最热月平均温度31.40℃。

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

冬季

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，建筑面积大约为385.6m2，空调面积大约为227.97m2。

建筑高度约为12.85米。

各层房间有卧室、厨房、客厅、饭厅及卫生间等。

一层层高为3.6米，二、三层层高均为3.3米，门高2.1米，窗高1.5米。

2.4设计原则

由于上海市属于夏热冬冷地区，夏季降温应成为热泵的设计的主体，兼顾冬季供暖。

而一般冬季地下管群的传热量大于夏季的传热量，因此系统在夏季运行能满足要求，冬季一般也可以满足要求，故本空调系统参照夏季工况进行设计。

所设计的空调系统必须满足国家及行业相关规范、规定的要求，使用国内外先进的空调技术和设备，创建更加健康舒适的室内空气环境。

第三章负荷计算

3.1冷负荷计算

表3-1围护结构参数

序号

维护名称

类型

传热系数

传热衰减

传热延迟

外墙

混凝土加气混凝土280（087001）

0.71

0.36

10.0

外窗

单层塑钢窗

4.7

0.3

内门

木（塑料）框单层实体门

3.35

0.99

0.5

内墙

砖墙（003003）

2.38

0.58

5.2

外门

节能外门

3.02

0.99

0.6

楼板

楼面-2

0.65

0.22

11.1

这里取2001卧室进行负荷计算。

3.1.1外墙和屋面逐时传热引起的冷负荷

在日射和室外气温综合作用下，外墙瞬时变传热引起的注释冷负荷可按下式计算:

Qc（τ）=AK（（tc（τ）+△td）kαkρ-tR）（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·℃）；

tc（τ）—外墙和屋面冷负荷计算温度的逐时值，℃；

△td—地点修正值；

kα—吸收系数修正值；

kρ—外表面换热系数修正值。

tR—室内计算温度，℃。

表3-2北外墙瞬时冷负荷

时间

12:

13:

14:

15:

16:

17:

18:

19:

20:

21:

tc（τ）

31.4

31.3

31.2

31.3

31.4

31.6

31.8

32.1

32.4

△td

1.2

kα

0.97

kρ

0.94

t’c（τ）

29.7

29.5

29.6

29.7

29.9

30.1

30.4

30.6

0.71

12.87

Qc（τ）

33.8

32.0

32.9

33.8

35.6

37.5

40.2

42.0

表3-3西外墙逐时冷负荷

时间

12:

13:

14:

15:

16:

17:

18:

19:

20:

21:

tc（τ）

35.9

35.5

35.2

34.9

34.8

34.9

35.3

35.8

36.5

△td

0.5

kα

0.97

kρ

0.94

t’c（τ）

33.2

32.8

32.6

32.3

32.2

32.3

32.6

33.1

33.7

0.71

17.16

Qc（τ）

87.8

83.0

80.5

76.9

75.6

76.9

80.5

86.6

93.9

3.1.2内维护结构冷负荷

当邻室为通风良好的非空调房间时，通过内墙何楼板的温差而产生的冷负荷，按式（3-2）计算；当邻室有一定的发热量时，通过空调房间内窗、隔板、楼板或内门等围护结构的温差传递而产生的冷负荷，可视做不随时间变化的稳定传热，可按下式计算：

Qc（τ）=KiAi（tom+△tα-tR）（3-2）

式中Ki—内围护结构传热系数，W/（m2·℃）；

Ai—内围护结构的面积，m2；

tom—夏季空调室外计算日平均温度，℃；

△tα—附加温升。

tR—室内计算温度，℃。

表3-4内墙的逐时冷负荷

时间

12:

13:

14:

15:

16:

17:

18:

19:

20:

21:

△td

2.38

tom

31.3

30.03

Qc（τ）

593.2

3.1.3外玻璃窗逐时传热形成的冷负荷

在室外温差作用下，通过外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷可按下式进行计算：

Qc（τ）=CwkWAw（（tc（τ）+△td）-tR）（3-3）

式中Qc（τ）—外玻璃窗的逐时冷负荷，W；

CW—玻璃窗传热系数的修正值

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。

tR—室内计算温度，℃。

表3-5北外窗逐时冷负荷

时间

12:

13:

14:

15:

16:

17:

18:

19:

20:

21:

tc（τ）

30.8

31.5

31.9

32.2

32.0

31.6

30.8

29.9

29.1

△td

31.8

32.5

32.9

33.2

33.0

32.6

31.8

30.9

30.1

△td

5.8

6.5

6.9

7.2

7.0

6.6

5.8

4.9

4.1

1.0

4.7

1.5

Qc（τ）

40.9

45.8

48.6

50.8

49.4

46.5

40.9

34.5

28.9

表3-6西外窗逐时冷负荷

时间

12:

13:

14:

15:

16:

17:

18:

19:

20:

21:

tc（τ）

30.8

31.5

31.9

32.2

32.0

31.6

30.8

29.9

29.1

△td

31.8

32.5

32.9

33.2

33.0

32.6

31.8

30.9

30.1

△td

5.8

6.5

6.9

7.2

7.0

6.6

5.8

4.9

4.1

1.0

4.7

1.5

Qc（τ）

40.9

45.8

48.6

50.8

49.4

46.5

40.9

34.5

28.9

3.1.4地面传热形成的冷负荷

对于舒适性空调，夏季通过地面传热形成的冷负荷所占比例很小，可以忽略不计。

3.1.5透过玻璃窗日射得热引起的冷负荷

透过玻璃窗进入室内的日射得热分为两部分，即透过玻璃窗直接进入室内的太阳辐射和窗玻璃吸收太阳辐射后传入室内的热量：

Qc（τ）=CαAwCsCiDjmaxCLQ（3-4）

式中Qc（τ）—透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷,W；

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。

表3-7北窗透入日射的人引起的冷负荷

时间

12:

13:

14:

15:

16:

17:

18:

19:

20:

21:

CLQ

0.83

0.79

0.71

0.60

0.61

0.68

0.17

0.16

0.15

Djmax

115

1.0

0.5

1.5

Cα

0.85

Qc（τ）

60.8

57.9

52.0

44.0

44.7

49.8

12.5

11.7

11.0

表3-8西窗透入日射的人引起的冷负荷

时间

12:

13:

14:

15:

16:

17:

18:

19:

20:

21:

CLQ

0.20

0.34

0.56

0.72

0.83

0.77

0.53

0.11

0.10

0.09

Djmax

539

1.0

0.5

1.5

Cα

0.85

Qc（τ）

68.7

116.8

192.4

247.4

285.2

264.6

182.1

73.8

34.4

30.9

3.1.6照明散热形成的冷负荷

本设计招募灯具为荧光灯，其形式的冷负荷按下式计算：

Qc（τ）=1000n1n2NCLQ（3-5）

式中Qc（τ）—照明散热形成的逐时冷负荷，W；

N—照明灯具所需功率，kW；

n1—镇流器消耗功

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