别墅空气源热泵冷热水系统.docx
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别墅空气源热泵冷热水系统
本科毕业设计说明书
题目：
650m2独立别墅的空气源
热泵冷热水系统的设计
院（部）：
专业：
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
完成日期：
目录
摘要IV
ABSTRACTV
1前言1
1.1空气源热泵的概念与性质2
1.2空气源热泵的出力与气候3
1.3中国热泵的发展现状与未来展望4
2原始资料9
2.1工程概况9
2.2气象参数9
2.3能源资料10
3空调夏季冷负荷的计算11
3.1冷负荷的计算方法11
3.2房间冷负荷的计算15
3.3各房间冷负荷汇总19
3.4总负荷的逐时值30
4湿负荷的计算31
5空调方式的确定32
5.1各种空调系统的适应条件32
5.2房间送风方式的确定32
5.3新风量的确定32
6空调处理设备的选择计算34
6.1风机盘管的选型计算34
6.2新风机组的选型计算35
7送、回风口的选择计算38
7.1风口的选择步骤38
7.2风口形式和数量38
7.3卫生间排风38
8气流组织的计算39
9管道的水力计算40
9.1风管的水力计算40
9.2水管水力计算42
10各房间热负荷的计算45
10.1热负荷计算方法45
10.2101房间采暖热负荷的计算48
10.3各房间冬季采暖热负荷的汇总49
11空气源热泵的选型50
11.1空气源热泵的选型50
11.2制冷制热量的校核50
12地板采暖的设计数据51
13加热管间距的确定及水力计算52
14地板采暖的水力计算53
15其他设备的选型54
15.1分集水器的选型54
15.2水泵的选型54
16管道的消声减震保温防腐说明55
16.1管道的消声减振设计55
16.1.1消声设备选型55
16.1.2空调装置的防振55
16.2管道的保温防腐设计55
16.2.1保温材料的选用55
16.2.2保温材料的特点56
16.2.3管道保温及防腐要求56
17结论58
谢辞59
参考文献60
摘要
本设计为650m2农家别墅应用空气源热泵的冷热水空调设计，前半部分对制冷系统进行了设计计算，制冷系统采用风机盘管加独立新风系统。
设计首先对各个房间的冷负荷进行了计算，对设备进行了选型，并对房间的气流组织进行了校核计算。
然后对风管系统以及水管系统进行了设计和水利计算。
最后对管道的消声防震及保温措施进行了简要的说明。
后半部分为采暖系统的设计计算，采暖系统采用地板采暖，首先对地热盘管间距进行了计算，在布管完成后进行了水力计算，并对分集水器等设备进行了选型。
制冷系统和采暖系统是一个整体，由空气源热泵提供冷热水。
关键词：
空气源热泵；风机盘管；独立新风系统；地板采暖
Thedesignofhotandcoldwaterairconditionofair-source
heatpumpofa650m2peasantvilla
ABSTRACT
Thisdesignisaboutthehotandcoldwaterairconditionofair-sourceheatpumpofa550m2peasantvilla.Thefirstpartofthedesignisaboutthedesignandcalculationoftherefrigerationsystem,whichadoptsfan-coilunitandindependentfreshairsystem.Firstly,thecoolingloadofeachroomiscalculated,thentheequipmentisselected,andlastlytheairflowofeachroomiscalculated.Theductworksystemandthepipesystemaredesigned,soisthehydraulicconservancy.Nextarebriefexplanationoftheattenuationandshockproofofthepipe.Thesecondpartofthedesignisthecalculationoftheheatingsystem,whichappliesthefloorheating.Firstly,thecoilofterrestrialiscalculated.Thenhydrauliccalculationisdoneafterthecompletionofthepipe.Finelythemanifoldisselected.Therefrigerationsystemandtheheatingsystemareinseparable.Thecoldandhotwaterisprovidedbytheair-sourceheatpump.
Keywords:
Air-sourceheatpump;Fan-coilunit;Independentfreshairsystem;Floorheating
1前言
能原始人类懒以生存和发展的物质基础。
随着人类文明的进步和社会发展，人类对能源的消耗愈来愈多，若不采取措施，将导致能源枯竭、环境恶化等严重后果。
因此，大力发展新能源与可再生能源已成为我国21世纪发展国民经济和建设小康社会刻不容缓的主要任务和战略目标。
热泵技术是应用低位可再生能的重要技术措施之一。
人们越来越关注如何通过热泵技术，将贮存在土壤、地下水或空气中的太阳能之类的自然能源以及生活和生产排出的废热，用于建筑物采暖和热水供应等方面，从而有效的降低高位能的耗散速度。
按照《采暖通风空气调节技术语标准》（GB50155-92），热泵被定义为能实现蒸发器与冷凝器功能转换的制冷机。
我们也可以称热泵为基于逆卡诺循环原理工作，既可以用来制冷，又可以用来供热的机组。
热泵的分类多种多样，如果按同热泵的蒸发器和冷凝器换热的介质不同分类，热泵可以分为：
空气-空气热泵，空气-水热泵，水-水热泵、水-空气热泵、土壤-空气热泵及土壤-水热泵等。
其中空气-水热泵机组，即空气热源热泵式冷热水机组在工程上的应用更为广泛。
热泵机组的研究、生产与应用，在二十世纪七十年代才开始在美国等发达国家走上良性发展的道路。
1980年我国在上海自行设计与生产了第一台以R12为工质，压缩机功率为55KW的空气—水热泵机组，并投入了实际工程应用。
一直至二十世纪八十年代末，空气源热泵冷热水机组的研究、生产、应用在我国才有了较快的发展。
刚开始，应用热泵的工程主要为没条件设置锅炉或地价房价太贵或无空间设冷冻机房的建筑，可供选用的只有少数几个进口品牌的机组，机组形式比较单一，多为活塞压缩整体式风冷热泵机组。
这几年采用热泵的工程，无论在地域上或在建筑功能与规模上都有了很大的突破，热泵机组的品牌、种类的选择空间大为扩大，既有许多进口品牌，又有不少国产品牌，有活塞压缩式热泵机组，又有螺杆式机组，有整体式机组，又有模块式热泵机组，单台机组制冷量从3RT-400RT，应有尽有，而且机组的制冷、制热性能、质量、可靠性等都有明显的提高。
1.1空气源热泵的概念与性质
空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。
空气源热泵系统通过自然能（空气蓄热）获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取（供）暖或供应热水，整个系统集热效率甚高。
空气源热泵冷热水机组有如下特点：
1、空调系统冷热源合一，且置于建筑物屋面，不需要设专门的冷冻机房、锅炉房，也省去了烟囱和冷却水管道所占有的建筑空间。
对于寸土寸金的城市繁华地段的建筑，或无条件设锅炉房的建筑，空气源热泵冷热水机组无疑是一个比较合适的选择。
2、无冷却水系统，无冷却水系统动力消耗，无冷却水损耗。
空调系统如采用水冷式冷水机组，自来水的损失不仅有蒸发损失、漂水损失、还有排污损失、冬季防冻排水损失，夏季启用时的系统冲洗损失，化学清洗稀释损失等等，所有这些损失总和约折合冷却水循环水量的2—5%，根据不同性质的冷水机组，折合单位制冷量的损耗量为2-4t/100RT·h。
这对我们某些严重缺少的城市来说，是一个比较可观的数量。
另外，相当一部分工程在部分负荷情况下冷却水循环量保持不变。
或根据主机运行台数，只作相应的台数调节。
我们以前的经济比较很少重视这一点。
3、由于无锅炉、无相应的燃料供应系统，无烟气，无冷却水，系统安全、卫生、简洁。
对于暖道专业来说，锅炉房最有可能存在安全隐患，另外，冷却水污染形成的军团菌感染的病例已有不少报导，从安全卫生的角度，空气源热泵具有明显优势。
4、系统设备少而集中，操作、维护管理简单方便。
一些小型系统可以做到通过室内风机盘管的启停控制热泵机组的开关。
5、单机容量从3RT至400RT，规格齐全，工程适应性强，利于系统细化划分，可分层、分块、分用户单元独立设置系统等。
6、夏天运行COP值较水冷机组较低，耗电较多，冬季运行节省能源消耗。
对于南京这样冬冷夏热城市的一般建筑而言，热泵系统的全年能耗低于水冷机组加锅炉的空调系统，但按目前的能源价格，热泵系统的全年运行费用高于水冷机组加锅炉方案。
7、造价较高。
作为空调系统的冷热源方面的设备投资，空气源热泵冷热水机组造价较高，比水冷式机组加锅炉的方案的系统综合造价贵20—30%，如只算冷热源设备，热泵的价格约为水冷机+锅炉的1.5-1.7倍。
8、空气源热泵冷热水机组常年暴露在室外，运行条件比水冷式冷水机组差，其寿命也相应要比水冷式冷水机组短。
9、热泵机组的噪音较大，对环境及相邻房间有一定影响。
热泵通常直接置于裙楼或顶层屋面，隔振隔音的效果，直接影响到贴邻房间及周围一些房间的使用。
合理的位置设置与隔振隔音措施的到位，热泵噪音的影响可以基本消除。
10、空气源热泵的性能随室外气候变化明显。
室外空气温度高于40-45℃或低于-10～-15℃时,热泵机组不能正常工作。
1.2空气源热泵的出力与气候
在额定工况下，气温35℃，出水7℃，空气源热泵夏季制冷性能系数COP值在3.0左右，冬季（空气7℃，出水45℃）如不计化霜损失，制热系数COPH值也在3.0左右，空气源热泵的制冷、制热性能与室外气候有直接的关系,空气源热泵冷热水机组供冷能力随室外温度的升高而降低，机组消耗功率随室外环境温度的升高而增加。
当室外空气温度增至40℃时，制冷量一般要下降5—7%左右。
空气源冷热水机组正常制冷的上限温度一般在40-45℃，个别品牌设有冷凝器风扇速度逐步控制系统，最大允许室外温度可达50℃左右。
需要指出的是，跟冷却塔不一样，制冷工况下相对湿度对空气源热泵没不利影响，相反，相对湿度大，对冷却有利。
空气源热泵冷热水机组的制热特性更为复杂，当盘管表面温度低于空气露点温度时，空气会结露，此时盘管表面发生了相变换热，有利于提高热泵机组的制热能力，但当盘管表面温度低于空气冰点温度（0℃以下）时，如果空气中的相对湿度同时达到某一程度，盘管表面就会结霜，如不及时化霜，霜层会越结越厚，影响空气实际流通量，并阻碍了盘管上的热交换，重者会结冰，压缩机出现低压保护停机。
对应不同迎面风速和气候条件，热泵机组室外侧空气盘管上湿空气存在着三种状态，即结霜区，凝露区，干冷区（不结霜也不凝露）。
热泵机组盘管上出现结霜，会影响机组的正常有效的供热，故必须定时化霜。
目前大部分机组采用反向循环来化霜，此时不仅这一部分压缩机停止供热运行，而且作制冷运转，故系统供热量受明显影响。
结霜严重时，平均半小时化一次霜，一次化霜的时间为5分钟左右，因化霜减少的供热量达17%左右。
另外，室外温度降低时，热泵机组的出力明显减少。
0℃条件下，热泵机组的实际出率为额定工况下的70%左右。
-6℃情况下，出力只有额定工况下的62%左右，-10℃条件下供热量只有额定工况下的55%左右。
雨雪寒冷天气对热泵出力有明显影响，重则影响正常运行，一些用户采用人为延长化霜时间、浇温水等方法去除冰霜。
环境气温低于-10℃—-15℃时，热泵机组一般都不能正常运行。
1.3中国热泵的发展现状与未来展望
当今社会，环境污染和能源危机已成为威胁人类生存的头等大事，如何解决这一问题，已成为全人类的课题。
在这种背景下，以环保和节能为主要特征的绿色建筑及相应的空调系统应运而生，而热泵系统正是满足这些要求的新兴中央空调。
至于热泵行业在中国的应用情况究竟如何，本文将从热泵行业的背景、现状以及技术发展几个方面向大家介绍。
1.3.1热泵发展的现状
近几年来，我国热泵发展很快，主要表现在如下几个方面。
1、据统计，1996年我国空调设备（指电动冷热水机组、吸收式冷热水机组、房间空调器以及单元空调机组，但不包括进口机组）的总制冷能力约为2000万kW，其中热泵型机组的制冷能力约占60%。
在全部热泵型机组中，电驱动热泵容量约为1070kW，占90%；吸收式热泵容量约为130万kW,占10%。
2、近几年来，我国的吸收式制冷装置发展迅速。
据统计，1996年销售的溴化锂吸收式制冷机约3000多台，其中直燃机1115台。
3、热泵在工业中的应用已见端倪，木材、食品（茶和水果）、陶瓷、造纸、印刷、石油和化工等工业生产过程已采用了蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵和电驱动热泵。
例如，目前大约有400台热泵式木材干燥机正在运行，年处理能力约为200千立方米。
1.3.2热泵发展的背景
1、能源政策
我国一次能源年保有总量（不包括生物质能和新能源）为14亿吨标准煤，其中原煤14.6亿吨，原油1.7亿吨，天然气300亿立方米，水电2400亿kWh，核电250kWh，进口石油4～6亿吨，火电电力装机容量2.9～3亿kW（平均每年增加装机容量1500kW）。
据1997年统计，我国电厂热效率为32.95%，电厂供热效率为83.68%，能源转换总效率为38.07%。
采用热电冷三联供系统或称总能系统（TES——TotalEnergySystem），燃气热泵（GEHP）后，通过热力学第一定律的热效率分析和热力学第二定律的效用率分析说明：
由于利用废热，GEHP的综合利用可达到80%～85%；若通过轴动力传动热泵，利用了低位热能，故综合热效率可达到150%～170%。
对于TES方式，实现热电冷三联供后，其综合利用率可达到65%～80%。
《中华人民共和国节约能源法》第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，促进了热泵事业的发展。
2、环境保护政策
采用热驱动热泵，CO2排放量亦明显降低。
通过改善热泵性能，降低工质泄漏与使用新工质，热泵将在环境保护上发挥更大的作用。
3、建筑节能法
实施《民用建筑节能设计标准》后，提高了建筑隔热保温性能，降低了建筑采暖能耗，结果是大幅度地降低了热泵采暖方式的年运行费用，增加了热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。
4、城市能源结构的改变
大中城市人口集中，能源消耗量大，污染问题最突出，因此，必须实施国家能源政策，改善能源结构，提倡使用清洁优质能源，限制煤炭的使用，这就为热泵的应用创造了条件。
1.3.3热泵技术发展的展望
1、热泵技术的现状
所有型式的热泵都有蒸发和冷凝两个温度水平，节流采用膨胀阀或毛细管。
只是压力的增加有不同的形式，主要有机械压缩式，热能压缩式、喷射蒸汽压缩式。
目前我国热泵发展有三种趋势：
·风冷热泵型热水机组发展迅速，1996年比1995年增长近二倍。
·直燃式溴化锂冷热水机组发展较快，占全部溴化锂吸收式热水机组的56%。
·房间空调器比重最大。
热泵型窗式、分体式和10kW冷量以下的单元空调机占总冷量的45%。
但技术上存在以下几方面的问题：
·风冷热泵型机组存在体型较大，噪声较高，除霜技术尚不完善等问题。
主要应用风冷热泵的地区是长江流域，该地区夏季闷热，冬季湿冷，1月份平均气温0℃～10℃，相对湿度大于75%。
因此，要求热泵必须适应0℃以下低温高湿气候环境。
·吸收式溴化锂制冷机组效率偏低。
·房间空调器存在噪声污染、热污染（大量电机功率转化的热量排入住宅）和制冷剂污染，特别是（分体式空调机安装和使用时的泄漏）。
1996年我国大约安装300万台分体机和40万台单元空调机，以每台安装时的排放量为50g计算，则泄漏总量达170t/年。
2、热泵技术发展的展望
技术发展总趋势是发展高效率的供热、供冷热泵和超级热泵系统。
例如机械压缩式热泵的发展将主要从以下四方面来进行：
（1）制冷剂侧的热泵控制。
（2）压缩机能量控制。
（3）压缩机设计
（4）新工质技术
1.3.4热泵市场发展的展望
1、热泵市场发展的有利因素
我国的能源政策和环境保护政策是促进热泵技术迅速发展的主要因素。
自从我国政府1978年出台改革开放、节能政策以来，长江流域经济得到迅速发展，生活水平也获得了大幅度的提高。
这一地区的气候特点是夏季炎热，冬季不太冷（一月份平均室外温度变化范围为0℃～10℃，年平均室外温度低于或等于5℃的时间为0～90天。
七月室外平均温度范围为25℃～30℃，年平均温度高于25℃的天数为40～110天）。
根据上述原因，加以国外产品的大量进口，热泵空调系统在中国的应用迅速增长，目前家用空调器总量60%为热泵型甚至在较为寒冷的北京地区，有许多用户也喜欢在集中采暖期前后应用热泵型空调机组来采暖，冬季供应热水，夏季供应冷水的电动风冷机组在集中式空调系统中得到了广泛的应用，今后的应用将更为普及。
我国建筑市场巨大，1995～2000年，预计每年全国城市新建住宅建筑面积约2.4亿㎡，其中上海每年新建约1500万㎡，北京约1000万㎡，天津约600万㎡，大连约260万㎡。
2000～2010年，每年新建住宅建筑面积约3.4亿㎡。
我国工业余热的资源很丰富，利用的潜力很大分布也很广，如化工工业占8.8%，石化工业占30.9%，轻纺工业占4.0%。
石化厂、造纸厂、制药厂、冶金厂、食品加工厂和农业部门对热泵的应用进行了开发研究，如木材采用了电驱动高效热泵干燥机实现了工厂节能的目的；如石化厂广泛采用了蒸汽喷射式热泵回收生产过程中的余热用于生产和生活，取得了明显的经济效益，为今后热泵市场的开拓创造了条件。
2、热泵市场发展的展望
（1）建筑业应用热泵的展望
热泵适用区域为过渡区域和部分集中采暖区域，该区域包括上海、江苏、浙江、山东、安徽、湖北、河南及福建、湖南的部分地区，据预测，该地区2000年城镇房屋建筑面积38.5亿㎡，其中住宅20.7亿㎡，（约占53.8%）。
公共、商业建筑6.5亿㎡（16.9%），从中国经济发展形势来看，该地区至2000年空调普及率约为10%，预测的各种房屋建筑的需热量和热泵供热量见表1.1。
表1.1 各种房屋建筑的需热量和热泵供热量
总热需要量（MW）
热泵供热量（MW）
多层住宅
2万
1.2万
商业/公共建筑
1.35万
0.4万
小区/供热
-
0.41万
据预测，2000年我国房间空调器需求量约为1000万台，其中包括制冷量在10kW以下的单元空调机，空调用总制冷量约为3500万kW。
据预测，九五期间吸收式溴化锂制冷机预计将以8%～10%的速度增长，即市场需求量将以每年200～250万台速度增长，至2000年，全国的需求量约为4000台。
（2）工业中应用热泵的展望
工业中应用热泵的潜力很大，据预测，至2000年工业中应用热泵的数量为：
化工行业约300台；食品行业约150台；纸浆造纸约130台；农业约5～10台；冶金行业约150台；木材干燥约400台及制药行业约100台。
总而言之，节能始终是空调领域的重要研究课题之一，热泵技术能提高能源利用率，是合理利用能源的典范，正因为热泵的节能效益，才使热泵在20世纪70年代后在空调领域获得广泛地应用与发展，业内曾将这一时期称为热泵发展的第一兴旺期，并有人预言由于全球温暖化问题成为世人瞩目的焦点，人们要求减少温室效应，也就是说：
空调能源效率再次变得最重要，有人说热泵是个拳头技术，特别在风冷方面，这不是由于经济问题，而是出于环境原因，根据预计，暖通空调行业将会经历热泵发展的第二次兴旺期，我们应当从思想上作好准备，加强有关热泵空调方面的研究工作，积极推广应用热泵空调。
2原始资料
2.1工程概况
本设计为独立别墅空气源热泵冷热水机组的设计，设计详情可参见图纸。
建筑层高为3米（H=3m）
外墙为加气混凝土280（087001）即（外粉刷20mm+钢筋混凝土30mm+加气混凝土泡沫混凝土700150mm+混凝土板、喷白浆100mm），传热系数为：
0.71W/m2K。
内墙为加气混凝土板即（水泥砂浆20mm+加气混凝土泡沫混凝土700100mm+水泥砂浆100mm）,传热系数为：
1.37W/m2K。
窗户为单层塑钢窗（平板玻璃12mm），传热系数为:
0.76W/m2K；铝合金中空玻璃窗（平板玻璃5mm+热流水平/垂直10mm+平板玻璃5mm），传热系数为：
1.7W/m2K。
2.2气象参数
1、室外计算参数（济南）
表2.1室外计算参数
季节
空气调节干球温度
室外湿球温度
计算日较差
室外平均风速
夏季
35.8oC
27.7oC
7.3oC
2.6m/s
季节
室外计算干球温度
室外计算采暖干球温度
室外平均风速
冬季
-10oC
-7oC
4.3m/s
2、室内设计参数
表2.2室内设计参数
空调房间用途
夏季
冬季
新风量
干球温度相对湿度
干球温度相对湿度
M3/h.人
客厅
25℃40-65%
20℃30-60%
30
餐厅
25℃40-65%
20℃30-60%
30
卧室
25℃40-65%
20℃30-60%
30
书房
25℃40-65%
20℃30-60%
30
活动厅
25℃40-65%
20℃30-60%
30
起居室
25℃40-65%
20℃30-60%
30
棋牌室
25℃40-65%
20℃30-60%
30
2.3能源资料
夏季由空气源热泵供冷，冬季由空气源热泵并采用地板辐射采暖。
3空调夏季冷负荷的计算
3.1冷负荷的计算方法
空调冷负荷是指为维持室内的设定温度，在某一时刻必须由空调从房间带走的热量。
空调房间冷负荷是由室内得热量形成的。
但得热量和冷负荷是两个概念不同而相互又有关系的量。
房间的得热量是指某一时刻由室外和室内热源进入房间的热量的总和。
空调房间的的热量有下列各项得热量组成：
（1）通过维护结构传入室内的热量；
（2）通过外窗进入室内的太阳辐射热量；
（3）人体散热量；
（4）设备、器具、管道及其他室内热源的散热量；
（5）食品或物料的散热量；
（6）伴随各种散湿过程的散热量。
（7）照明散热量。
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