毕业论文范文——3kw分体式水源热泵空调机组设计

郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 3kw分体式水源热泵 空调机组设计学生姓名 专业班级 热能 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 3kw分体式水源热泵空调机组设计目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 热泵简介11.1.1 背景介绍11.1.2 热泵的定义及其原理41.1.3 热泵的分类51.2 水源热泵61.2.1 水源热泵的发展61.2.2 水源热泵机组组成及原理101.2.3 水源热泵的特点111.3 总结122 水源热泵系统的设计步骤133 水源热泵系统的设计153.1 制冷剂论证153.1.1 制冷剂的选用原则153.1.2 制冷剂的分类163.1.3 制冷剂的选用163.2 热力计算183.3 压缩机的选择203.4 冷凝器的设计计算213.4.1 冷凝器分类213.4.2 冷凝器的传热管选择及参数计算233.5 蒸发器的设计计算263.5.1 蒸发器的选型263.5.2 蒸发器的设计计算283.6 外购配套零部件的选择计算323.6.1 节流机构的选择计算323.6.2 热力膨胀阀的选择323.6.3 气液分离器的选择计算333.6.4 油分离器的选择计算343.6.5 油过滤器的选择计算353.6.6 干燥过滤器的选择计算363.6.7 截止阀的选择373.6.8 油冷却器383.6.9 止回阀393.6.10 电磁阀的选型403.6.11 视液镜的选型414 机组系统的维护与保养424.1 机组运行中的一般维护和保养424.1.1 机组水系统的反冲清洗424.1.2 机组水系统的设施434.1.3 机组制冷系统的清洁434.1.4 机组制冷系统吹污的一般要求434.1.5 机组制冷系统的检漏444.2 制冷运转的操作规程444.2.1 制冷运转前的检查444.2.2 制冷运转的启动程序444.2.3 机组的的运行控制44结束语46致 谢46参考文献48 3kw分体式水源热泵空调机组设计摘 要水源热泵是一种利用地下水地热资源既可供热又可制冷的高效节能空调系统。它通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能的转移，从而达到高效、节能、环保的效果。本文首先介绍了热泵系统的原理、特点、应用以及研究发展方向。其次，详尽介绍了水源热泵系统的对比与研究，再次，说明了设计过程，包括换热器的热力计算、结构计算、阻力校核，并按照设计题目完成计算说明书。在整个水源热泵设计过程中，热力计算是首要因素，它包括温差、传热系数和换热面积等的设计，这部分内容适合各种类的热泵系统。结构设计主要是设计热泵系统的蒸发器和冷凝器，本系统蒸发器采用套管式，冷凝器也采用套管式，要确定换热管数量以及其他相关尺寸等。关键词: 水源热泵/节能/环保/应用前景I The design split type water source heat pump air conditioning unit of 3kwABSTRACT In todays society, environment pollution and energy crisis has become a top priority of threats to human life, and how to solve this problem has become a topic of all mankind. The water source heat pump is an air conditioning system of high efficiency and energy saving, which can both heat and be cooling by use underground water resources. It through a small amount of high power input, realize transfer of heat from low to high, so as to achieve the high efficiency, energy saving, environmental protection effect.Firstly, the paper introduces the principle of heat pump system, character-ristics, application and research development. Secondly, it describes the differences of other heat pumps in detail. Thirdly, the paper notes the design process, including the heat exchanger calculations, structural design, the resistance calculations. Finally, it completes the calculation in accordance with a design manual. In the design process, thermal calculation is the primary factor. The thermal calculation includes tempera- ture, heat transfer coefficient and heat transfer area, and other calculations, which are the same parts of other heat pump systems. Structural design is to determine the size of heat pump system evaporator and the condenser. Plate heat exchanger is used as the system evaporator and shell and tube heat exchanger is used as the condenser. Structural design is to calculate the plate number, the number of tubes and other relevant dimensions.III Key word: water source heat pump,energy saving,environmental protection,application prospecIII 1 绪论1.1 热泵简介1.1.1 背景介绍当今社会中能源和环境污染问题是人们面临的重大问题之一。能源是现代社会生活的物质基础，但近些年来随着人口和经济的迅速增长，能源消耗加剧，环境污染日益加重。人们生活与能源消费息息相关，人的生活中各个方面都需要消耗大量的能源。随着社会的发展世界各国生产用电大幅度增加。特别民用电量比例增大。同时随着人们对舒适生活条件的要求提高，用于采暖和空气调节用能量平均以5%左右的速度增长。因此，采暖和空气调节的节约能源问题十分重要。重视和研究热泵装置是解决当前供热、通风和空气调节上用能源的供需矛盾，减少环境污染的有效而可靠的办法之一。借助热泵装置，人们能把自然界或废弃的工业低温余热，变为较高温度的有用热能，供应生产和生活上的需要。随着热泵及其各种驱动装置的研制和热泵系统的试验研究工作的开展，热泵技术将在我国得到日益广泛的应用，在节能工作中发挥应有的作用。早在1912年，瑞士的HZoelly首次提出利用浅层地热能(水源能)作为热泵系统低温热源的概念，但由于当时一次能源充足，用热泵供暖的社会需求不足，导致热泵技术没有得到重视和发展。直到1948年，Zoelly的专利技术才真正引起普遍的关注，尤其是欧洲和美国。20世纪50年代，美国和欧洲国家开始研究和利用水源热泵，但当时能源价格较低，使用热泵系统并不经济，因而没有得到推广。但是随着人们生活水平的提高以及人们对矿物燃料在迅速枯竭以及大量消耗矿物燃料带来的严重的环境污染这一严峻性的全球问题的重视，具有显著节能、环保特点的水源热泵得到了迅速发展1。水源热泵技术是可利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地表水、岩土体或地下水等)的既可供热又可制冷的高效节能空调系统，它采用热泵原理，即通过少量的高位热能的输入，把不能直接利用的低位热能转化为可以利用的高位能，从而达到节约部分高位能的目的。1974年以后，由于石油危机的出现和环境的恶化，引发了人们对新能源的开发和利用，因而开始了对水源热泵的研究和利用。20世纪70年代石油危机以后，美国和加拿大开始在建筑物的供热和空调中大量采用水源热泵技术，但此时主要采用水平埋管的方式，自20世纪80年代以来，在北美也形成了利用水源热泵建筑物进行冷热联供的研究和工程实践的新一轮高潮，技术逐渐趋于成熟。这一阶段的水源热泵主要采用垂直埋管的换热器，埋管的深度通常达100-200米，因此占地面积大大减小，应用范围也从单独居民的空调向较大型的公共建筑扩展。如今国外在水源热泵的应用方面已趋于产业化，热泵技术已经比较成熟。而在我国，对于水源热泵技术的研究才刚刚起步，同国外相比，还存在着差距。在中国的传统的空调系统概念中，由于国家的经济发展状况和政策的影响，在相当长的时期中，北方一般以燃煤锅炉解决冬季取暖问题，在南方以水冷机组解决夏季制冷问题。在二十世纪八十年代以后，制冷机组的方式开始多样化，此时，出现了溴化锂机组、风冷机组，机组的容量也从原有的大中型机组过渡为大中小型机组，在二十世纪九十年代以后，对于取暖方式也开始有新的尝试和探讨，特别是随着可持续发展和公众环保意识的提高，世界和中国能源利用的结构都正在转变，从原有的煤、石油取暖过渡到以天然气及电等清洁能源。但是，替代能源虽然可以部分解决大气污染的问题，可天然气和石油等都属于不可再生的能源，从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源，而水源热泵机组就是比较理想的一种设备。虽然我国对水源热泵的研究和应用较晚，但发展势头很好，水源热泵发展已列入国家新能源和可再生能源产业发展十五规划。1978年-1999年，中国制冷学会第二专业委员会举办了9届“全国余热制冷与热泵技术学术会议”，从90年代开始，每届全国暖通制冷学术年会上都有“热泵应用”的专题，2000年6月19至23日，中美水源热泵技术交流会在北京召开，会议介绍了水源热泵技术，国外的应用状况和在中国的推广。在2001年宁波召开的全国热泵和空调技术交流会和2002年在北京召开的国际热泵会议上，国内外有关人士开始关注中国这个很有发展潜力的大市场2。近几年来国内加强了地热源热泵的应用研究力度，自行研究和生产水源热泵机组的厂家已达几十家，另外国外很多知名公司已经在中国设立了销售部。目前我国水源热泵工程正逐年增加，并取得了初步效果。采用水源热泵技术可以有效地提高一次能源利用率,减少温室效应气体和其它燃烧产生的污染物的排放,是一种可持续发展的建筑节能新技术。水源热泵适用范围广,运行费用低,节能和环保效益显著,并且在北美和欧洲的许多国家已得到广泛的应用,是一种成熟的技术,在我国一些大中城市也得到了较多应用。到目前为止，我国地热直接利用量位于世界第一,1999年地热热水的总流量达64416kg/s,其提供的热功率为16209 MW,热能为162009TJ/年。在我国，水源热泵作为一项较新的技术,可以实现“一机三用”,即供暖、制冷和供应热水,在地热能源利用中发展最为迅速,年增长速度为10%3。但从总体上看，中国水源热泵的发展还不够规范，基础研究上还有待于进一步完善，行业之间缺少必要的合作交流，这些因素都或多或少影响着这项技术的推广。需要说明的是,水源热泵机组尤其是土壤源热泵机组要求全年冷负荷和热负荷基本均衡,这样才不至于发生地下热环境恶化,导致机组能效比降低。可见,水源热泵机组适用于我国北方采暖、制冷期差别区域供热期不大的地区。在我国南方,夏季供冷季很长,且冷负荷比较大,而冬季供热需求很小,导致冷热负荷很不均衡,形成地下热积聚,所以在这些地区,如果没有什么额外的供热需要,原则上夏季制冷不推荐使用水源热泵机组尤其是土壤源热泵机组中央空调系统。由此可知，我国水源热泵的发展还不够规范，基础研究上还有待于进一步完善，行业之间缺少必要的合作交流，推广水源热泵技术需要政府政策引导、需要提高公众对水源热泵技术的了解程度。通过政府部门、科研机构和工程技术人员的共同努力,借鉴国外的成功经验, 我国的水源热泵应用将得到较快的推广和发展。据统计，我国总的能源利用率约为30%，这仅相当于发达国家50年代的水平。建筑能耗目前占到全社会总能耗27%左右，其中建筑物供热制冷的能耗大概占到整个建筑能耗的60%左右4，因此，如何在改善建筑热舒适性的条件下降低采暖制冷能耗是建筑节能工作中的重点。水源热泵作为一种建筑物供热制冷新技术可以通过消耗少量的电能或热能来有效地利用地热能达到这样的目的。传统的供暖、空调方式分别解决冬季供暖和夏季制冷。其系统投资大、占地多，且对环境的影响很严重。大气是人类赖以生存的最基本环境要素之一。然而，由于冬季采用煤炭、燃油和天然气等作为燃料，燃烧产生的大量污染物，包括大量的SO2，NO2，CO2等气体造成的大气污染，严重破坏着大气环境，降低了人们的生活质量。夏季使用的空系统同样存在着CO2排放，作为重要的温室气体，CO2是造成全球性气候变化的主要因素之一，将大量废热排入大气，产生了热岛效应。而水源热泵则利用大地的蓄热能力，把夏季多余的热能排入大地留作冬季取用，把冬季多余的冷能留作夏季取用，源头上根除了空调系统对城市热岛效应。水源热泵的污染物排放很低，系统所使用的制冷剂在工厂里注入并被完全密封，使用过程中绝无泄漏，用户任何时候均不必添补制冷剂，因而减少了对臭氧层的破坏。热泵系统没有燃烧，没有排烟；也没有废弃物，极大限度地改善其他空调方式的CO2及颗粒物等污染物的排放量。水源热泵所使用的地下水可全部回灌，不会对水质产生污染；水源热泵系统不直接消耗煤或燃油、天然气等矿物燃料，从而达到了绿色环保的要求。传统的空调系统不论是水冷还是风冷，换热环境均为大气，由于它的换热器必须置于暴露的空气中，故不可避免地受到环境条件变化的影响，降低换热效率和使用寿命，并且影响了建筑物的外观；而水源热泵以地下水作为热源的主要优点在于水温度的相对稳定，基本不受外界环境的影响；热泵系统设计简单，运动部件比常规系统少，且安装在室内，自动控制程度高，可无人值守；系统安全无燃烧设备，不存在爆炸、燃烧的隐患；由于系统不暴露在风雨中，因而维护简便，机组使用寿命均在20年以上；水源热泵系统的供冷、供热平稳，降低了停、开机的频率和空气过热和过冷的峰值；把水源热泵换热器埋于地下室，也不会破坏建筑物的外观。1.1.2 热泵的定义及其原理热泵是从低温热源吸热送往高温热源的循环设备，以消耗部分低位能源(机械能、电能或高温热能)为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。热泵(Heat Pump)是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。通常用于热泵装置的低温热源是我们周围的介质空气、河水、海水，城市污水，地表水，地下水，中水，消防水池，或者是从工业生产设备中排出助工质，这些工质常与周围介质具有相接近的温度。热泵装置的工作原理与压缩式制冷机是一致的；在小型空调器中，为了充分发挥它的效能，在夏季空调降温或在冬季取暖，都是使用同一套设备来完成的。在冬季取暖时，将空温器中的蒸发器与冷凝器通过一个换向阀来调换工作。由下图1-1中可看出，在夏季空调降温时，按制冷工况运行，由压缩机排出的高压蒸汽，经换向阀(又称四通阀)进入冷凝器，制冷剂蒸汽被冷凝成液体，经节流装置进入蒸发器，并在蒸发器中吸热，将室内空气冷却，蒸发后的制冷剂蒸汽，经换向阀后被压缩机吸入，这样周而复始，实现制冷循环。在冬季取暖时，先将换向阀转向热泵工作位置，于是由压缩机排出的高压制冷剂蒸汽，经换向阀后流入室内蒸发器(作冷凝器用)，制冷剂蒸汽冷凝时放出的潜热，将室内空气加热，达到室内取暖目的，冷凝后的液态制冷剂，从反向流过节流装置进入冷凝器(作蒸发器用)，吸收外界热量图1-1工作原理图而蒸发，蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气(或循环水)中的热量“泵”入温度较高的室内，故称为“热泵”。1.1.3 热泵的分类热泵的种类很多，分类方法各不相同，通常分为以下几种类型。1 按低位热源种类分一、空气源热泵空气作为低位热源，取之不尽，用之不竭，处处都有，可以无偿地获取。其主要特点是：室外空气的状态参数随地区季节的不同而有很大变化，这对热泵的容量和制热性能系数影响很大；一般来说，当室外空气相对湿度大于70%，温度为35时，机组室外换热器就会结霜，致使空气源热泵的制热量、制热性能系数和可靠性下降；空气的热容量小，为了获取足够的热量，则需要较大的空气量，因而风机的容量较大，致使空气源热泵装置的噪声较大。二、水源热泵水源热泵的优点：水的热容大，传热性能好，所以换热设备较紧凑；水温较稳定，因而使热泵的运行工况较稳定。缺点：热泵装置必须靠近水源，并且对水质有一定的要求，应进行水质分析后采用合适的换热器材质和结构形式，以防止出现腐蚀等问题。三、土壤源热泵用土壤热能作为低位热能的热泵装置，称为土壤源热泵。四、太阳源热泵太阳能热泵是一种把温度较低的太阳能提升到3050，再进行供热的装置。优点：可以采用结构简单，与建筑物做成一体的低温平板集热器。其效率较高；热泵用的集热器成本较低是它的最大优点；热泵可不设除霜装置。其缺点是：要解决太阳能利用的间歇性和不可靠性的问题；投资高。2 按热泵的驱动方式分一、机械压缩式热泵机械压缩式热泵是一种以机械能驱动的热泵。按驱动装置的形式，压缩式热泵又分为电动机驱动的热泵、柴油机驱动的热泵、汽油机驱动的热泵、燃气机驱动的热泵、蒸气透平驱动的热泵等。二、吸收式热泵吸收式热泵是一种以热能直接驱动的热泵，它又分为第1类吸收式热泵和第2类吸收式热泵。1.2 水源热泵1.2.1 水源热泵的发展热泵系统技术在上世纪初已经得到应用并逐步发展成熟。水源热泵机组在上世纪60年代的美国加利福利亚州开始应用。1955年该技术申请专利，由于其优越性能，投资及运行费用较其他类型机组都低，广泛运用于工业厂房、舰船、宾馆、医院等。近几十年来，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得较快的发展。20世纪80年代初，我国在一些外商投资的建筑中采用水源热泵空调系统，由于环保节能、经济适应等优势，90年代水源热泵技术在我国得到较广泛应用。目前国内多家大学和研究机构都在对水源热泵技术进行研究。成绩比较显著的是清华大学研究的多工况水源热泵，其已经形成产业化，并已经建成多个工程投入使用。特别是在20世纪90年代后，随着公众环保意识和对世界资源拥有量的重新认识，在能源利用方式上有了很大的转变，使用的能源由一次能源逐渐向清洁及可再生能源方向发展，水源热泵就是比较理想的一种设备，虽然我国的水源热泵的研究和应用起步较晚，在热泵机组的优化和工程应用方面与国外相比存在较大的差距，但是中国市场被普遍看好。水源热泵，以水为热源。作“制冷机”应用时，水为高温热汇，作“热泵”应用时，水为低温热源。水源热泵与水源热泵，其共性是以水(或者其他液态媒质)作传媒。水源热泵是目前应用比较广泛的形式；水源热泵是目前正处于积极开发的机型。水源热泵，夏季作“制冷机”应用时，通过冷却塔与空气进行热(湿)交换，最终的高温热汇，与空气热源热泵一样，仍为大气。但其效率因利用空气的特征湿球温度低于干球温度，而高于空气空气或空气水热泵；可是，冬季作“热泵”应用时，如该场合中，无废热可利用，又不利用太阳能，则需另设辅助热源，其效率又低于空气空气或空气水热泵。水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)。由于地热温度全年较为稳定，一般为1025，其制冷或制热工作性能系数均可达到3.54.4，与空气源热泵(空气空气或空气水热泵)相比，要高40%左右5。因此，近五年来，水源热泵空调系统在北美，如美国、加拿大及中北欧，如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，我国水源热泵市场也正在日趋活跃。水源热泵，通常指整体式水源热泵，即以一台机组的形式，向环境(水热源)放热或吸热，而以水(或者其他液态媒质)或空气，间接或直接地冷却(或加热)被控对象；水源热泵，又发展为分离式水源热泵，即以多台机组组合，通过水环路向环境(水热源)放热或吸热，同样以水(或者其他液态物质)或空气，间接或直接地冷却(或加热)被控对象。该类水源热泵又谓：水环路热泵。水源热泵在制冷工况时，其最终的高温热汇仍可为大气；在制热工况时，其最终的低温热源又可以是大气、太阳、废热、或辅助热源等。因而，水源热泵的应用是有一定地域与场合的限制。水源热泵，其最终的高温热汇或低温热源均是地热。只是在制冷工况时，以地热为高温热汇，向地热放热；在制热工况时，以地热为低温热源，向地热吸热。水源热源的不同形式，又使该类热泵之构成有所差异：如以地表水为热源，可以直接(或间接通过热交换器)排放(或吸取)热量；如以地下水为热源，需设置取水井与回灌井排放(或吸收)热量；如以土壤为热源，需设置地下水平(或垂直)埋管排放(或吸取)热量。因而，前二种形式比后一种形式，在初投资和施工，以及应用过程中热量交换之速率上，都有一定优胜，也是目前国内在很多地区正在实验的形式。但是如果地下水应用不当，会造成地面下沉和地下水污染。土壤水源热源除初投资和施工问题外，城市土地紧缺，地下埋管不足，土壤传热性能又差，容易造成夏季土壤热量难以散失，损及持久运行；冬季土壤热量不易吸取与补充，土壤会形成冻结，破坏地下结构，损及建筑基础。因而，水源热泵的应用也是有一定地域与场合的限制。从制冷行业的产品发展史看，以水为高温热汇的制冷机，先于以空气为高温热汇的制冷机；以空气为低温热源的热泵，又先于以水为低温热源的热泵；其后，才出现以地热热源为低温热源的热泵。我国制冷空调制造行业基本也遵循上述过程发展的。中国最早在上世纪50年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授就开展了我国热泵的最早研究，1965年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。目前，国内的清华大学、天津大学、重庆建筑大学、天津商学院、中国科学院广州能源研究所等多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。其中清华大学在多工况水源热泵经过多年的研究已形成产业化的成果，已建成数个示范工程6。以水源热泵产品切人家用与大中型中央空调市场，不仅为前几年的实践所证明是十分有效的措施，也是许多生产厂之未来打算。国内的水源热泵制造厂商中清华同方人工环境设备公司、山东海阳富尔达是比较早的水源热泵制造厂家，但目前也有相当多的制冷空调厂家将其普通的水冷机组改造为水源热泵。通过利用地下水这一大地耦合方式，采用抽水回灌方式节约能源。山东际高以蒸发冷凝方式，引进瑞典专利技术，生产小型水冷冷水机组，在北方市场销路良好。广州中宇开发水环路分离式水源(水源)热泵空调系统，在两广与浙江地区得到广泛应用。美国能源部和中国科技部于1997年11月签署了中美能源效率及可再生能源合作议定书，其中主要内容之一是“水源热泵”，该项目拟在中国的北京、杭州和广州3个城市各建一座采用水源热泵供暖空调的商业建筑，以推广运用这种“绿色技术”，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。据称“华亭嘉园”即是此项目的应用。2000年6月19至23日在北京由国家科学技术部高新技术开发与产业化司召开了中美地热泵技术交流会，会议的主题就是“提供运用地热泵技术为住宅小区或公用楼宇采暖制冷，大幅降低运行费用的节能解决方案”的主题7。在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持较高速度的增长，另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用效率，要求能源结构调整。能源利用效率提高，会鼓励各种节能设备和技术的推广，能源结构调整的方向就是从以煤为主转为以燃气，直至以电为主。在中国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。为了适应市场要求和参加国际竞争，我们必须加快中国品牌的水源热泵的产业化研究开发。目前中国水源热泵推广应用中存在的问题是：水源热泵作为一种新型的制冷供暖方式，从技术的角度，尤其是热泵机组的角度上看应当是相当成熟、没有问题的。但考虑到中国的国情，以及将水源热泵制冷供暖作为一个整体的系统来推广应用时，还是存在一些问题：1) 水源的使用政策我国目前为了保护有限的水资源，制订了中华人民共和国水法，各个城市也纷纷制订了自己的城市用水管理条理。这些政策均强调用水审批，用水收费。而审批的标准中对类似水源热泵技术的要求没有规定，所以水源热泵很容易被用水指标所限制。即使通过了用水审批，由于有些地方将水源的抽取和排放两次受费，受费的标准全国又不统一，所以结果可能导致水费偏高，使得水源热泵的运行节能费用不足增加的水费，水源热泵的经济性变查。所以水源热泵的推广需要政府从可持续发展的角度，综合能源环保和资源各个方面的考虑，调整水源热泵水源使用的政策，需重新确定水源如何管理和收费，才能促使其大规模的发展。2) 水源的探测开采技术和费用在中国，目前对水源，尤其是城市水源的的探测开采技术应当提高，水源热泵的应用的前提之一就是必须了解当地的水源的情况，在水源热泵使用的前期，必须实地对水源的状况进行调查，地下水量是否有水、水量是否会足够，场地是否适合打井和回灌。而探测开采的技术的提高和费用的降低，会推动水源热泵机组的更好应用。3) 地下水的回灌技术水源热泵若利用地下水，必须考虑水源的回灌，对于回灌技术，必须结合当地的地质情况来考虑，来考虑回灌技术方式。我们对不同地区的地质结构了解的还不多，这也制约了水源热泵机组的推广使用。4) 整体系统的设计水源热泵系统的节能作为一个系统，必须从各个方面考虑，如果水源热泵机组可以做到利用较小的水流量提供更多的能量，但系统设计对水泵等耗能设备选型不当或控制不当，也会降低系统的节能效果。同样，若机组提供了高的水温，但设计的空调系统的末端未加以相应的考虑，也可能会使整个系统的效果变差，或者使得整个系统的初投资增加。所以，水源热泵的推广应用，需要更多的各个专业各个领域的人来共同努力共同配合，从政府政策、主机设计制造、系统的设计和运行管理等各个方面都来共同参与。1.2.2 水源热泵机组组成及原理水源热泵空调系统是替代传统采暖与制冷方式的热泵型专用机组。水源热泵空调系统是利用一定温度的水源作为低位热源，消耗电能，将低位热源“水”中的热量转移到需要加热或升温的地方(如室内采暖系统)；同时还可以将室内或降温过程的余热转移到低位热源“水”中，达到降温或制冷的目的。一台机组，既能制冷，又能制热。机组工作的具体过程：在制冷状态，系统水通过蒸发器被制冷，能量被转移到冷凝器，通过热交换将被利用的热源带到地下、江河、湖泊之中；在制热状态，蒸发器吸收所有热源中的热量，将热量转移到冷凝器，以加热系统循环水，达到制热的目的。换句话说：水源热泵空调系统就是同一台机组，利用不同工况下的两个过程：即制冷循环与热泵循环来满足冷热的需求。图1-2示出水源热泵空调机组在制冷和制热不同工况下的原理。在制热状态下，其工作过程如下：1) 制冷剂液体在蒸发器内以低温与水发生热交换，吸收水的热量并气化。2) 产生的制冷剂低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。3) 压缩机排出的高压气态制冷剂进入冷凝器，放出热量传给冷却介质，凝结成高压液体，其放出的热量包括从水中吸收的热量和压缩机做功产生的热量。4) 高压液体流经膨胀阀节流，变成低压低温的气、液两相混合物，进入蒸发器，其中的液体制冷剂在蒸发器中蒸发吸收水中的热量，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸入，如此周而复始，形成循环，热量能源源源不断的从水中传递给温度较高的室内。在制冷状态下，其工作过程如下：1) 制冷剂在蒸发器中与载冷剂发生热交换，吸收载冷剂的热量并气化。2) 产生的制冷剂低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。3) 压缩机排出的高压气态制冷剂进入冷凝器，放出热量传水，凝结成高压液体。4) 高压液体流经膨胀阀节流，变成低压低温的气、液两相混合物，进入蒸发器，其中的液体制冷剂在蒸发器中蒸发吸收水中的热量，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸入，如此周而复始，形成循环，热量由室内低温热源不断地向地下水这个高温热源转移，从而向房间内提供了冷气。 图1-2 原理图水源热泵机组的主要由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀4个部件组成，通过管道将它们连接一个密封系统。1.2.3 水源热泵的特点由于水源热泵技术利用地表水和地下水作为机组的冷热源，所以其具有以下优点：一、属可再生能源利用技术：水源热泵是利用了地球水体储藏的太阳能资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流和湖泊以及海洋等。二、节能效果突出：水源热泵机组可利用的水体温度冬季为1222，水体温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度高，而夏季水体为1835，水体温度比环境温度低，所以制冷剂的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率提高。三、运行稳定可靠：水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于空气的运动，是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性，不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。而且其制动控制程度高，使用寿命可达到15年以上。四、环保效果显著：系统运行过程中，无燃烧，无渗漏，无任何固态、液体和气态污染物排放，也不排放造成温室效应的二氧化碳(CO2)等，是“绿色”供暖的环境系统工程。水源热泵的污染物排放与空气源热泵相比，相当于减少40%以上；与电供暖相比，相当于减少70%以上。如果结合其他的节流措施，节能减排会更加明显。五、“三联供”提高生活品质：水源热泵系统可供暖、空调，还可以供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点，不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供冷和供热的要求，减少设备的初投资。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅住宅的供暖、空调。其优点：能效比高，工程投资周期短，投资灵活、成本低，机组体积小，安装简易、灵活。而在分体水源热泵机组中分为内机、外机两个部分，内机结构近似于暗装直冷式风机盘管。外机主要结构包括压缩机、冷凝器、四通筏等制冷、制热部件，名为“外机”，实际上一般安装于室内。将压缩机、冷凝器等与送风盘管分开来，一方面减小了机组尺寸，使内机高度低于250mm，外机高度低于500mm，便于隐藏安装，节省空间，提高安装的灵活程度；可根据装饰需要，全力配合装潢设计进行安装。另一方面降低了室内的噪音，外机可安装于走廊、洗手间、厨房吊顶、阳台等位置，避免噪声影响室内。其缺点是：(1)制冷量较大(10kW以上)的水源热泵空调机组，由于机组内压缩机的功率大，因而噪声较大，在设计安装时要考虑一些降低噪声的措施。(2)利用新风比较麻烦，新风管道必须敷设到安装水源热泵空调机的房间，对于要求较高的房间，如空气净化、加湿等有要求的房间，附加措施就更为复杂。(3)水源热泵空调机多数为暗装，必须同建筑和室内装潢紧密配合，如空调机质量不好，会给维护带来麻烦。(4)因为水源热泵空调机系统是分散性的中央空调，由于机组分散，每一空调区内的热泵空调机均要有稍许余量，所以当水源热泵空调机数量较多时总用电容量可能偏高，而实际上由于安装的水源热泵空调机不可能同时达到最大用电量，所以实际用电量并不高。1.3 总结综上可以看出水源热泵系统优点突出，近年来在我国应用日益广泛，但是我国的发展和应用情况与国外相比，仍存在一定差距，除了设计经验不足之外，更重要的是缺乏对该系统的深入了解。在未来的几年中，中国面临巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持高速的增长；另一方面，又必须考虑环保和可持续发展的问题，所以要求提高能源利用效率，鼓励各种技能设备和技术的推广。在中国的能源消耗中，建筑耗能的比例想当高。为了适应市场需求和参加国际竞争，我们必须加快中国水源热泵的产业化研究开发。水源热泵的一些研究进展：(1)地热水水源热泵，地热水水源热泵系统不仅可以单独作供暖用,也可以同时供暖、供生活热水,还可兼顾夏季空调,运行成本较低。针对地热水温度高、腐蚀性强、矿化度高等特点,可以考虑使用井下换热器技术来利用地热水热能,其优点是:只取热,不取水,对环境的影响小,不会引起地面沉。(2)深井蓄热型地下水热泵系统是对地下水水源热泵系统的一种改进。该系统采用“冬灌夏用”、“夏灌冬用”的地下水使用技术,在供冷时,冷水井为抽水井,热水井为回灌井;而在供热时,则以热水井为抽水井,冷水井为回灌井。这样,利用深井地下水的蓄热特性,就可以充分利用热泵产生的冷量和热量。(3)地表水水源热泵，地表水换热系统分为两种:开式地表水换热系统和闭式地表水换热系统。开式地表水换热系统是将地表水在循环泵的驱动下,处理后直接流经水源热泵机组或通过中间换热器进行热交换的系统。闭式地表水换热闭式地表水换热系统是将封闭的换热盘管按照特定的排列方法放入具有一定深度的地表水体中,传热介质通过换热管管壁与地表水进行热交换的系统,与土壤源热泵一样,冬季北方地区应进行防冻处理。(4)此外还有水源热泵中央空调在各工程中的应用研究，水源热泵技术在油田采暖系统中的应用研究，水源热泵适宜性分区研究，水源热泵系统水问题的研究，分体式水源热泵在制冷方面的研究等等。2 水源热泵系统的设计步骤水源热泵的设计主要包括五大部分：总的热力计算、压缩机的选择、冷凝器的热力计算和结构计算、蒸发器的热力计算和结构计算、其他零部件的选择与计算。2.1 总的热力计算具体步骤如下：(1) 确定制冷循环热力状态参数(2) 单位质量制冷量(3) 单位容积制冷量(4) 单位指示功(5) 单位冷凝热(6) 制冷剂质量流量(7) 压缩机理论排量(8) 制冷系数(9) 卡诺循环制冷系数(10) 热力完善度(11) 压缩机输入电功率(12) 冷凝负荷(13) 能效比2.2 压缩机的选择根据热力计算所确定的理论输气量选配合适的压缩机2.3 冷凝器热力计算和结构计算(1) 冷凝器传热管的选择及参数计算(2) 冷凝器热负荷及冷却水流量(3) 冷凝器机构的初步规划(4) 管内水侧表面传热系数(5) 计算管外R22蒸气冷凝表面传热系数(6) 计算传热系数和面积热流量(7) 计算所需要的传热面积(8) 计算冷却水侧流动阻力2.4 蒸发器的热力计算和结构计算(1) 初步结构设计(2) 管内R22的表面传热系数(3) 水侧表面传热系数的计算(4) 传热系数的计算(5) 管内流动阻力和平均传热温差的计算(6) 面积热流量及传热面积的计算(7) 冷水侧流动阻力计算3 水源热泵系统的设计3.1 制冷剂论证3.1.1 制冷剂的选用原则在蒸气压缩式制冷机中，对制冷剂共性要求主要有以下几点：(1)应是环境可接受物质。即应对环境无破坏作用或破坏作用轻微。(2)临界温度要高。由于临界温度是制冷剂可以加压液化的最高温度，临界温度低的制冷剂在常温或普通低温下有可能不会液化，此时将需要温度很低的冷却介质；且由于当制冷剂在节流前的温度接近临界温度时，制冷剂的气化潜热很小，节流损失就会很大，循环的经济性将很差；因此希望制冷剂的临界温度比环境温度高的多。(3)有合适的饱和蒸气压。希望在使用条件下蒸发压力最好不低于大气压，以避免空气漏入制冷系统内部；还希望冷凝压力不太高，通常应低于2.5MPa，以免压缩机和冷凝器等设备过于庞大；同时冷凝压力与蒸发压力之比不过大，以免压缩终温过高，压缩机的输气系数过低；冷凝压力与蒸发压力之差也希望尽可能的小，以降低对压缩机强度的要求。(4)化学稳定性和热稳定性好。不燃烧、不爆炸、无毒；不腐蚀常用工程材料、与润滑油不起化学反应；在使用温度下不分解、不变性。(5)凝固温度要低。以免制冷剂在蒸发温度下凝固。(6)粘度和密度要小。目的是减小制冷剂的流动阻力。(7)导热系数要高。这样可提高换热器的传热系数，减小传热面积，降低材料消耗。(8)绝热指数要小。可使压缩过程耗功减少，降低压缩终温。(9)液体比热要小。这样在节流时液体降温放出的热量少，节流产生的闪发蒸气量小，节流损失较小。(10)汽化潜热要大。可获得较大的单位制冷量，同时节流后的干度较小。(11)价廉易得。完全满足上述各种要求的制冷剂并不存在，各种制冷剂都是某些方面较优，而另一些方面不足。应根据工程实际要求，在满足特定要求的前提下，权衡取舍，找出最佳方案。3.1.2 制冷剂的分类制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。制冷剂主要有以下分类8：常用制冷剂的特点比较如下表3-1所示。表3-1 主要制冷剂特点比较制冷剂特点R12R12是氟利昂簇制冷剂中最早得到广泛应用的一种传统制冷剂。特别是它的冷凝压力较低，等熵指数较小，因此在相同的高低温介质温度条件下，它的排气温度和压力较氨和R22低，在空调、小型冷库、冷柜、电冰箱制冷系统中，一直长期使用。但R12的单位容积制冷量较小，远低于氨和R22，因此在空调制冷系统中，逐渐被R22所替代。目前主要应用在中、小型低温制冷系统及车辆空调制冷系统中。R22R22的综合性能极佳，具有良好的热力性能。如：运行压力适中；单位容积制冷量大仅次于氨；等熵指数较小；而且无毒、无燃烧及无爆炸等优点。R22的出现并随其价格的逐渐降低，它在空调制冷系统中得到了广泛应用。R134a一种较新型的制冷剂，其蒸发温度为-26.5。它的主要热力学性质与R12相似，不会破坏空气中的臭氧层，是近年来推荐使用的环保冷媒，会造成轻度温室效应，是比较理想的R12替代制冷剂。R717R717除了毒性大以外，是一种很好的制冷剂。它的最大优点是单位容积制冷量大，蒸发压力和冷凝压力适中，制冷效率高；而且，破坏臭氧层潜能值ODP和温室效应潜能值WGP均为0。氨的最大缺点是有强烈的刺激性，对人体有害。氨中含有水分对铜和铜合金有腐蚀作用。（1）在压缩式制冷剂中广泛使用的制冷剂是氨、氟里昂和烃类。按照化学成分，制冷剂可分为五类：无机化合物制冷剂、氟里昂、饱和碳氢化合物制冷剂、不饱和碳氢化合物制冷剂和共沸混合物制冷剂。根据冷凝压力，制冷剂可分为三类：高温(低压)制冷剂、中温(中压)制冷剂和低温(高压)制冷剂。（2）无机化合物制冷剂：这类制冷剂使用得比较早，如氨(NH3)、水(H2O)、空气、二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)等。对于无机化合物制冷剂，国际上规定的代号为R及后面的三位数字，其中第一位为“7”后两位数字为分子量。如水R718等。(3) 氟里昂(卤碳化合物制冷剂)：氟里昂是饱和碳氢化合物中全部或部分氢元素(CL)、氟(F)和溴(Br)代替后衍生物的总称。国际规定用“R”作为这类制冷剂的代号，如R22.等。(4) 饱和碳氢化合物：这类制冷剂中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和环状有机化合物等。代号与氟里昂一样采用“R”，这类制冷剂易燃易爆，安全性很差。如R50、R170、R290.等。(5)不饱和碳氢化合物制冷剂：这类制冷剂中主要是乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)和它们的卤族元素衍生物，它们的R后的数字多为“1”，如R113、R1150.等。(6)共沸混合物制冷剂：这类制冷剂是由两种以上不同制冷剂以一定比例混合而成的共沸混合物，这类制冷剂在一定压力下能保持一定的蒸发温度，其气相或液相始终保持组成比例不变，但它们的热力性质却不同于混合前的物质，利用共沸混合物可以改善制冷剂的特性。如R500、R502等。3.1.3 制冷剂的选用CFCs由于对臭氧层的严重破坏将被替代，HFCs被认为可作为CFCs的长期替代工质。然而，由于HFCs本身有一定的温室效应，且在使用过程中表现出较低的能效比又间接加剧了温室效应，故列为限制排放的六种温室气体之一。但HFCs的温室效应完全可以通过设法提高这类工质的能效比来减弱。目前正在研制非共沸制冷剂替代HCFCs。现阶段涡旋式、活塞式或螺杆式的大多数压缩机仍采用R22，R134a的制冷剂，空调用冷水机组的冷凝器常采用低肋外螺纹紫铜管壳管式冷凝器，蒸发器常采用低肋内螺纹紫