地源热泵本科毕业设计论文

1、前 言中国的建筑行业正处于飞速发展的阶段，人们对生活环境的要求也越来越高，而生活环境最主要的就是居住环境，这种需求带动了中国的空调制冷业的发展，特别是在“非典”之后，人们对室内空气品质（iaq）有了更深刻的认识，室内空气的好坏直接影响到人们的健康，原来使用的空调技术已经不能满足人们的要求，对环境的需求意识已经不是简单的冷热意识，而是趋向于健康化、卫生化的需求。因此采用更先进的空气调节方法提高空气品质满足人们的要求成了当前制冷行业发展的热点和重点之一。从2001年至今，电力紧缺的问题一直困扰着我们，现在的情形更为严重，一方面是我国的经济每年以两位数的飞速发展，另一面是全球性的能源紧缺，再加上去年

2、的全国性的冰灾，据有关部门预计，今年我国南方尤其是经济发达的广东地区缺电达30%，不少工厂被迫“开四停三”，严重影响到了经济的持续发展。电厂的发展又不能盲目的增加发电量，或者增建新的电厂，必须依靠宏观的发展才能不至于发生电力过剩的尴尬局面，而且电厂发电对环境的污染也会随着电厂的增加而增加，在这种情况下，空调作为用电大户，充分利用现有的自然能，如太阳能、地热能、生活垃圾等可利用的能量资源既减轻了当前电力的负担，又增加了空调的环保能力，因此，利用自然资源，保护环境也成了当前各国空调制冷行业的研究方向。还有一个问题也是我们比较关心的问题，那就是“可持续发展”的观点，根据1987年9月16日在加拿大的

3、蒙特利尔会议上通过的联合国环境规划署组织制定的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，对cfc及哈龙两类中8种破坏臭氧层的物质进行限控，规定发达国家2000年完全停止使用这些物质，发展中国家2010年完全停止使用这些物质。我国已经确定了2010年全面淘汰的方案和行动计划，并且开展了替代品及替代技术的研究与开发。当前空调行业的已经在这些方面有了一定的进步，许多节能性空调如变频空调正越多的得到使用，而在中央空调方面，溴化锂双吸收式制冷等保护环境的制冷剂设备也发展的越来越快。热泵技术的使用既有效利用了自然能源，节省了能量，同时又保护了环境。设计不足之处在所难免，望各位老师批评指正。学生 毕明品 2011

4、.12第一章 绪论11设计背景地热是一种可再生的自然能源。尽管目前它的应用还不能像传统能源(煤、石油、天然气、水力能和核能)那样广泛，但由于地壳里蕴藏着丰富的地热能，特别是在传统能源越来越缺乏的今天，地热能利用在许多国家已得到了相当的重视。地源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于400米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳能，比人类每年利用能量的500倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存

5、于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵中央空调系统是利用水与地源(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为“热泵”；夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地源为“冷源”。地源热泵中央空调系统通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90以上的电能或7090的燃料内能转化为热量供用户使用，因此地源热泵中央空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于地源热泵

6、中央空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为916，其制冷、制热系数可达3.56.3，与传统的空气源热泵相比，要高出40左右，其运行费用为普通中央空调的5060。地源热泵中央空调系统的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40以上，与常规电供暖相比，相当于减少70以上，如果结合其他节能措施减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少25的充灌量。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。1.2 国内地源热泵发展简史地源热泵并不是一种新的空调系统，早在20世纪30年代，欧洲就已经出现了工程的应用，当时主

7、要用于冬季的供暖。20世纪70年代，出现能源危机，地源热泵系统的工程应用形成高潮，技术日趋成熟。由于中国空调技术应用较晚，地源热泵作为传统空调的一个分枝，对大多数人说，确实较为陌生。我国在地源热泵领域的研究始于20世纪80年代初的天津大学和天津商学院。自此，其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但是，由于我国能源价格的特殊性，以及其他一些因素的影响，地源热泵的应用推广非常缓慢。20世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势，这项技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。1995年，中国国家科技部与美国能源部共同签署

8、了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，并于1997年又签署了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。其中，两国政府将地源热泵空调技术纳人了两国能源效率和可再生能源的合作项目，这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。1998年是我国在·该领域的一个里程碑，从这一年开始，国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。其中，1998年重庆建工学院建设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置；1998年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置；1998年湖南

9、大学建设了水平埋管地源热泵实验装置；1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置等。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展，做了许多实验研究和工程示范，产生了很多有效数据，这些宝贵的经验教训势必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。1.3 地源热泵发展趋势地源热泵与中央空调相连接的供热制冷系统是目前的发展趋势。综合利用低品位热能、高效率利用热能、简单化和一体化的地源热泵系统等都是目前地源热泵系统技术的前沿课题。根据地源热泵20年来的发展趋势，其系统技术的发展大致有如下三个方向：(1) 综合利用热能的趋势。将来的

10、地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和制冷，更趋向于将供热的废弃能量(冷能)和制冷的废弃能量(热能)综合利用，比如用供热的废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等，用制冷的废弃热能供应温室养殖、种植和生活热水等。(2) 一体化趋势。随着新材料和新工艺的开发，将来的地源热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化，使采热和传热的效率更高。 (3) 实地建造的趋势。随着人们对居住和生活环境要求的不断提高，越来越多的建筑物需要常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空间和周边的自然环境和自然能源，因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热泵系统也将是一个发展方向。1.4 国外地源

11、热泵的发展地能热泵系统在北美和欧洲都应用的比较普及，根据国际地热联合会（ the geothermal heat pump consortium ）的统计，到 2003 年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为 3720万平方米，瑞典为 2000万平米，德国为 560万平米，加拿大为 435万平米。但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。在美国，政府投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，政府和学校经过多年的努力，建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商， ashere 也针对系统特殊要求在机组设计

12、上建立了标准，同时政府支持在大地换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策来鼓励地能热泵系统的推广，如专门的补贴、政府推广网站等。从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统，尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。美国著名的地能热泵制造商有 cliamtmaster 、 water furnace 等 ，他们提供符合 ari 的专门用于地能系统的标准系列产品。而对于大地换热器，北美采用的多是单 u 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,钻孔深度为 50 -160 米 。 在欧洲，由于环保和节能的要求，目

13、前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。而对于大地换热器，欧洲采用的多是双u 型的垂直埋管方式。1.5 地源热泵技术在中国的发展优势1) 初期投资费用少。随着改革开放的不断深入，人们生活水平的不断提高，持续的高速经济增长导致人们对舒适生活的追求，从而使地源热泵这项崭新的技术在中国具有巨大的市场潜力。同时我们也要注意到，我国城市的建设步伐正在加快，每年城镇新建住宅2.4亿平方米。而在建设新建筑之前并入集中地源热泵系统，其成本要远远低于旧建筑的改造(甚至可以低

14、于一般空调系统!)，这对我们这个“严寒”与“寒冷”采暖区几乎占了国土面积的70和全国总建筑面积的50的国家而言，节省的费用是巨大的。在美国，由于能源相对的便宜(与中国相近)，而人工费用很高，一般一个家庭的安装费用在3000美元左右，地源热泵仍然具很强的市场竞争力。而我国由于人工费用比较低，与西方发达国家相比，我国的基建费用低。基建费用是地源热泵最主要的成本增加部分。由此可见，我国与国外发达国家相比，初期投资相对要少一些。2) 能够提高城市环境质量。随着人们生活水平的提高，对生活质量的要来越高，环保意识增强，人们开始认识到高品质的空气是人类健康的保障。目前居民对空气污染的关注程度越来越高，城市(

15、包括室内)对人们生活以及身体的影响日益受到重视，在碰到身体不适的时候，很多居民开始考虑空气因素的影响。根据1997年中国环境状况公报，我国城市空气质量仍处于较重的污染水平。据统计，世界大气污染最严重的10座城市中，中国就占了7席，这也从一个侧面反映出我国城市空气质量不容乐观，加强空气治理，已经到了刻不容缓的时候。目前我国的能源结构中有一个最为不利的因素，即长期以来在能源的生产和消费中煤炭的比例占70左右。为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国政府正在规划改变以煤为主的能源结构，以实现可持续发展战略。北京等城市正在考虑以电代煤的方法来解决城市污染的问题。每千瓦电能带来3至4千瓦热量的地源热泵将

16、是极具竞争力的技术。由于电力是地源热泵的唯一动力，因此没有燃料分散燃烧所造成的大气污染。与此同时由于厂家密封制剂。使用过程中不泄露，不补充，减少了对臭氧层的破坏。分析和调查表明，地源热泵的应用对降低温室效应起了积极作用。可见，这项技术应用于中国将缓解城市空气污染问题。3) 能够缓解能源紧张问题。进入新世纪，在生产力高速发展的条件下，人们越来越认识到地球上的资源和能源日益匣乏。我国能源短缺是一个不争的事实，与此同时，我国又存在能源利用率低的矛盾。据统计，我国总的能源利用率约为30，这仅相当于发达国家90年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的25，其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格

17、越来越接近发达国家的水平。我国要在能源每年增长率仅为35的条件下满足国民经济持续每年增长89，就必须重视节能技术和节能产品的开发利用，这决定了我国必须在空调和取暖这一耗能大项上有所改进。就地源热泵技术而言，由于热泵仅仅用来传输热量，而不是产生热量，所需要的热量有70来自于地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传人地下所消耗的电力也非常少，因此地源热泵这项节能技术应用于我国可以在一定程度上缓解我国的能源压力。4) 受到国家相关政策的支持。为了减少我国由于冬季采暖所造成的大气污染，减低国内现有制冷空调的能源消耗，寻求新的低能耗、无污染的供暖制冷空调技术，国家科技部与美国能源部分别代表两国政府签署了

18、中美两国政府地源热泵合作协议，引进和推广美国先进的地源热泵技术。这对地源热泵技术在中国的推广起到巨大的推动作用。八届人大常委会第二十八次会议审议并通过了中华人民共和国节约能源法，其中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，这也将促进地源热泵事业的发展。自从我国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，结果是大幅度降低了地源热泵采暖方式的年运行费用，增加了地源热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。1.6 地源热泵技术在中国推广过程中可能遇到的问题任何一项新事物的出现总是要受到人们的质疑，对于地源热泵这项新技术同样可能会遇到一些阻力。首先，中国有关地源热泵的

19、现成技术资料不多，还缺少这方面的设计、安装和维护技术人员，同时，由于在中国生产地源热泵相关设备的厂家少，人们对它还比较陌生，大多抱着观望的态度，这样的情形不利于这项技术在中国的推广。其次，我国现在还没有出台促进地源热泵技术发展的相关优惠政策，这使部分想采用地源热泵系统的用户由于看不到眼前利益而采用其它的空调系统。为了鼓励用户采用地源热泵系统，我国可以提供鼓励性补贴和资助给购买地源热泵系统的用户，或者采用调整能源价格的方法，使能源价格合理化，给予这些用户一些实惠，鼓励人们采用地源热泵系统。还要说明的一点是，世界上热泵技术比较发达的北美、北欧和中欧国家由于气候条件基本上只用于供热，对地源热泵夏季制

20、冷工况研究较少。而我国幅员辽阔，地处温带，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地区气象条件差异很大，同样的建筑在不同的地区，其负荷情况可能迥然不同。因此，我们不能照搬外国的技术成果，必须投入大量的科研经费和研究人员进行研究，使其适合中国的气候特点，这也在一定程度上延缓了这项技术在中国的推广。但可以相信，地热能具有广泛的应用前景，在不久的将来，地热能将在世界能源利用结构中占有更大的份额。随着人们环保意识的加强和对“绿色能源”的日益重视，地源热泵系统技术也将得到前所未有的发展。1.7 本文研究的主要内容第二章 工作原理和制冷剂的选择21 热泵原理热泵，就像水泵能把低位水提升到高位一样可以把热从低温端传

21、送到高温端。它是一种可以实现蒸发器与冷凝器之间功能转换的机械，实质上是另一种形式的制冷机。地源热泵（ground-source heat pump）是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于400米深）作为冷热源，进行能量转换的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温热源向高温热源的转移。地源热泵系统就是把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，使其与大地进行热交换，或通过中间介质作为热载体，并使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行热交换的目的；地上部分的空调器传热过程与 传统的hvac一样。地源热泵系统作为一种“绿色空调”，是以大地为热源对建筑进

22、行空气调节的系统。冬天，通过热泵将大地中的低位热能提高品味对建筑供暖，同时存储冷量，以备夏用；夏季，通过热泵将建筑内的热量转移到地下，对建筑进行供冷，同时存储热量，以备冬用。这样可保持地温恒定，冷暖负荷平衡，从而达到节能、环保的要求因此地源热泵空调系统可解决空气源热泵系统必需室外机及室外机对周围环境产生热污染等问题,并且冬季运行不存在结霜问题,节省了空气源热泵系统除霜所耗的电能,空调效果不受室外气温的影响,运行稳定可靠,是一种国家鼓励使用的适用于夏热冬冷地区居住建筑的节能环保空调系统。22 制冷剂的选择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

23、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。     1987年9月在加拿大的蒙特利尔室召开了专门性的国际会议，并签署了关于消耗臭氧层的蒙特利尔协议书，于1989年1月1日起生效，对氟里昂在的r11、r12、r113、r114、r115、r502及r22等cfc类的生产进行限制。1990年6月在伦敦召开了该议定书缔约国的第二次会议，增加了对全部cfc、四氯化碳（ccl4）和甲基氯仿（c2h3cl3）生产的限制，要求缔约国中的发达国家在2000年完全停止生产以上物质，发展中国家可推

24、迟到2010年。另外对过渡性物质hcfc提出了2020年后的控制日程表。 hcfc中的r123和r134a是r12和r22的替代品。  1、热力学的要求  1 在大气压力下，制冷剂的蒸发温度(沸点)ts要低。这是一个很重要的性能指标。ts愈低，则不仅可以制取较低的温度，而且还可以在一定的蒸发温度to下，使其蒸发压力po高于大气压力。以避免空气进入制冷系统，发生泄漏时较容易发现。 2 要求制冷剂在常温下的冷凝压力pc应尽量低些，以免处于高压下工作的压缩机、冷凝器及排气管道等设备的强度要求过高。并且，冷凝压力过高也有导致制冷剂向外渗漏的可能和引起消耗功的增大

25、。 3 对于大型活塞式压缩机来说，制冷剂的单位容积制冷量qv要求尽可能大，这样可以缩小压缩机尺寸和减少制冷工质的循环量；而对于小型或微型压缩机，单位容积制冷量可小一些；对于小型离心式压缩机亦要求制冷剂qv要小，以扩大离心式压缩机的使用范围，并避免小尺寸叶轮制造之困难。 4 制冷剂的临界温度要高些、冷凝温度要低些。临界温度的高低确定了制冷剂在常温或普通低温范围内能否液化。5 凝固温度是制冷剂使用范围的下限，冷凝温度越低制冷剂的适用范围愈大。  制冷剂 分子式 分子量u 正常蒸发温度ts() 凝固点tf()&

26、#160;临界温度 tkp() 临界压力pkp绝对压力 绝热指数k  水（r718） h2o 18.02 +100 0 +374.1 225.6 1.33      氨（r717） nh3 17.03 -33.4 -77.7 +132.4 115.2 1.31      r11 cfcl3 

27、;137.39 +23.7 -111 +198 44.6 1.17      r12 cf2cl2 120.92 -29.8 -155 +111.5 40.86 1.15      r13 cf3cl 104.47 -81.5 -180 +28.8 39.4 -    

28、  r22 chf2cl 88.48 -40.8 -180 +96 50.3 1.19      r115 c2f5cl 154.48 -38 -106 +80 33 1   物理化学的要求： 1 制冷剂的粘度应尽可能小，以减少管道流动阻力、提换热设备的传热强度。 2 制冷剂的导热系数应当高，以提高换热设备的效率，减少传热面积。 

29、;3 制冷剂与油的互溶性质：制冷剂溶解于润滑油的性质应从两个方面来分析。如果制冷剂与润滑油能任意互溶，其优点是润滑油能与制冷剂一起渗到压缩机的各个部件，为机体润滑创造良好条件；且在蒸发器和冷凝器的热换热面上不易形成油膜阻碍传热。其缺点是从压缩机带出的油量过多，并且能使蒸发器中的蒸发温度升高。部分或微溶于油的制冷剂，其优点是从压缩机带出的油量少，故蒸发器中蒸发温度较稳定。其缺点是在蒸发器和冷凝器换热面上形成很难清除的油膜，影响了传热。 类别溶解性 制冷剂 产生的影响   1 难溶 nh3、co2、r13、r14、r1

30、5、so2 无   2 微溶（在压缩机曲轴箱和冷凝器内相互溶解，在蒸发器内分解）      r22、r114、r152、r502 溶解时降低润滑油的沾度   3 完全溶解 r11、r12、r21、r113、烃类、ch3ci、r500  降低润滑油的沾度和凝固点，并使油中石蜡下沉，蒸发温度升高  4 应具有一定的吸水性，这样就不致在制冷系统中形成“冰塞”，影响正常运行。 5 应具

31、有化学稳定性：不燃烧、不爆炸，使用中不分解，不变质。同时制冷剂本身或与油、水等相混时，对金属不应有显著的腐蚀作用，对密封材料的溶胀作用应小。 安全性的要求 由于制冷剂在运行中可能泄漏，故要求工质对人身健康无损害、无毒性、无刺激作用。 制冷剂的分类 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

32、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、r

33、170、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。 7 高温、中温及低温制冷剂：是按制冷剂的标准蒸发温度和常温下冷凝压力来分的。 

34、 制冷剂 使用温度范围 压缩机类型 用途 备注      r717（氨） 中、低温 活塞式、离心式 冷藏、制冰 在普通制冷领域      r11 高温 离心式 空调       r12 高、中、低温 活塞式、回转式、离心式 冷藏、空调 高温为：10-0   &

35、#160;  r13 超低温 活塞式、回转式 超低温       r22 高、中、低温 活塞式、回转式、离心式 空调、冷藏、低温 中温为：0-20      r114 高温 活塞式 特殊空调 低温为：-20-60      r500 高、中温 活塞式、回转式、离心式 空调、冷藏 

36、超低温为：-60-120      r502 高、中、低温 活塞式、回转式 空调、冷藏、低温  在本系统中，综合考虑各种制冷剂的特性和优缺点，选择r22作为本系统的制冷剂。第三章 热力计算31 设计要求论文旨在研究土壤源热泵系统在供热空调系统中的应用，并设计出一套可行的土壤源热泵系统。在合理设计核心部分土壤耦合地热交换器的基础上，充分发挥土壤源热泵系统供热高效节能、环保的特点，探讨该系统成本高、性能不稳定等缺陷的解决方案。 根据设计的初步要求，本系统的功率为100kw，且只用于制热的单热型空调系

37、统。考虑到要结合地源热泵并有效利用地表浅热，在比较活塞式、螺杆式、离心式、溴化锂吸收式空调系统的优缺点后，选择螺杆式空调机组作为本地源热泵系统的地上部分。而地下部分主要是地下热交换器。32热力计算 空调机组的功率设定为100kw，=100kw=夏季制冷时，设定蒸发温度为2，冷凝温度为48.9，过冷温度为40.6，冷却水进水温度为20，冷却水出水温度为25；冷冻水进水温度为12，冷冻水出水温度为7。吸气温度r22为18.3。风冷式螺杆冷热水机组，标准设计工况：供冷冷水出水温度：7；环境进风温度：35。供热热水出水温度：45；环境温度：7。机组使用工况：供冷冷水出水温度：512；室外环境温度：40

38、；供热热水出水温度：45，室外环境温度：-10153214压焓图根据r22的热力性质表，查出处于饱和线上的各点有关状态参数值： kj/kg /kg kj/kg 在r22的p-h图上找到的等压线与饱和蒸气线的交点1，由1点作等熵线，此线和 等压线相交于点2，该点即为压缩机的出口状态。由图可知 kj/kg 1) 单位质量制冷量 kj/kg (2-1)2) 单位容积制冷量 kj/3) 制冷剂质量流量 kg/s4) 理论比功 kj/kg5) 压缩机消耗的理论功率 kw6) 压缩机吸入的容积流量 v= /s7) 制冷系数 8) 冷凝器单位热负荷 9) 冷凝器热负荷 117.386 kw 10）压缩机性能

39、系数 cop=q/p 制冷工况时的性能系数 cop=100/25.65=3.9 cop=117.386/25.65=4.58 以上计算是在理想状态下进想的，所以得到的计算数据都为理想数据，故在进行系统各设备选型时，应考虑到实际的运行效率，并进行要的修正。地源热泵系统空调机组各部分型式选择33压缩机热力计算及选型压缩机为制冷系统中的核心设备，只有通过它将电能转换为机械功，把低温低压气态制冷剂压缩为高温高压气体，才能保证制冷的循环进行。在蒸汽压缩式制冷系统中，把制冷剂从低压提升为高压，并使制冷剂不断循环流动，从而使系统不断将内部热量排放到高于系统温度的环境中。 制冷压缩机是制冷系统的心脏，制冷系统

40、通过压缩机输入电能，从而将热量从低温环境排放到高温环境。制冷压缩机的能效比决定整个制冷系统的能效比。 由于环境温度是经常变化的，故制冷压缩机大部分时间是处于部分负荷状态，因此制冷压缩机要具有能量调节。制冷压缩机分类具体情况：一.  容积式制冷压缩机分类：靠改变工作腔的容积，将周期性吸入的定量气体压缩。 1. 往复活塞式制冷压缩机：靠活塞的往复运动来改变汽缸的工作容积。 依外部构造分为：  全封闭制冷压缩机：制冷量小于60kw，多用于空调机和小型制冷设备中。     驱动电机和运动部件封闭在同一空间里，结构紧凑，密封

41、性好，噪声低。但功率较小，不易维修。  半封闭制冷压缩机分类：制冷量60600kw，可用于各种空调制冷设备中。     由曲轴箱机体与电机外壳共同构成密闭的空间，工作稳定寿命长，制冷能力较大，可用于多种工况，可维修，但噪声稍高。分为单级压缩型（常规型，碟阀型，卸载型，连通型）和双级压缩型。  开启式 制冷压缩机分类：    压缩机和电机分别为两个设备于外部连接，结构复杂笨重，工作不稳定，已近于淘汰。 2. 回转式制冷压缩机：靠回转体的旋转运动来改变汽缸的工作容积。 依内部构造制冷压缩机

42、分类：  滚动转子式制冷压缩机：制冷量812kw，多用于小型空调机和制冷设备中。     为全封闭式，结构紧凑，密封性好，噪声低。但功率较小，不易维修。  涡旋式制冷压缩机：制冷量8150kw，可用于各种空调制冷设备中。     为全封闭式，结构简单紧凑，工作性能高，密封性好，噪声低，为今后主导机型。  螺杆式制冷压缩机：制冷量1001200kw，可用于大中型空调制冷设备中。     为半封闭式，结构紧凑，工作性能高，制冷能力大并可进行无级调节，

43、但润滑油系统较复杂，噪声较高。分为单，双螺杆型。 二.  离心式制冷压缩机：靠离心力的作用，连续将吸入的气体压缩。     制冷量最大可达30000kw，用于大型空调制冷设备中。     工作稳定，性能高寿命长，制冷能力大，可进行无级调节。 在本系统中，经过比较考虑，选择螺杆式压缩机。因为螺杆式压缩机有如下优点：1）可靠性高，易损件少，排气温度低，对湿行程不敏感，没有液击危险，可在较高压比工况下运行，运行安全可靠。 2）结构合理：主机体积小，重量轻，两极电机直联高速运转，压缩机、电机、

44、油分离器、油冷却器、油泵等置于一公共机座上，结构紧凑合理。 3）安装维护费用低：运转平稳安全，震动小，不需要复杂基础，安装简单，运转寿命长，维修方便。 4）制冷量无级调节：采用滑阀机构使制冷量可从15-100%进行无级调节，节省运行费用。 容易实现自动化：运行简单可靠，自动保护齐全，可实现微机控制，实现自动化。 螺杆式压缩机的轴功率： kw式中 制冷剂的质量流量，kw/h； 等熵压缩终了进气的焓值，j/kg； 吸气状态的焓值，j/kg;压缩机的绝热效率，一般为0。720。85螺杆式压缩机的理论输氧量： =130.33 /h式中 为转子第小时所扫过的齿间容间总和；

45、扭角系数；由热力计算的结果可知本系统所需压缩机消耗的理论功率为17.39kw。理论功率又称为指示功率，是压缩机在单位时间内实际循环所消耗的功率。由原动机传到压缩机上的功率称为轴功率，单位为kw，它的一部分，即指示功率直接用于完成压缩机的工作循环，另一部分，即摩擦功率，单位为kw，用于克服压缩机中各运动部件的摩擦阻力和驱动附属的设备，如润滑用液压泵等。取为0.80，则由上式可得所需压缩机的轴功率为： =+=26.65 kw由简明空调用制冷设计手册文献1表4-7可知螺杆式制冷压缩机按吸入压力饱和温度分为高温、中温和低温三类。中温为7左右。由于本设计假设蒸发温度为7.2，故本系统属于高温类型。参看文

46、献1中表4-4，可选名义工况制冷量为124.09kw,阳转子转速为4400r/min,阳转子名义直径为100mm,长径比为1.5的高温型水冷半封闭式r22螺杆式压缩机。螺杆式制冷压缩机的制冷量按国标gb5773的规定进行试验。实测制冷量和设计制冷量的偏差分别为： 120kw/h,-7%;120kw/h,-5%.则该选定的压缩机实际工率为:=(10.05)=117.57kw 所选择的压缩机满足设计要求。故本系统选取型号为lg10f30z。34机组换热器的选型及热力计算热交换设备是制冷机的重要设备，其特性对制冷机的性能有重大影响。热交换器中包括多种传热方式（冷凝、沸腾、强制对流、自然对流、导热等等

47、）。制冷系统中需要交换热量的流体常常分别处在固体壁面的两侧。例如在氟利昂卧式冷凝器中，冷却水在管内流动，氟量昂蒸气在管外凝结。蒸气凝结时放出的热量通过管壁传递给冷却水。这种热量由壁面一侧的流体穿过壁面传给另一侧流体的过程，称为传热过程。制冷机热交换设备涉及的传热过程包括通过平壁的传热过程、通过圆管的传热过程以及通过肋壁的传热过程。传热公式： q=kfÑt w 式中 q单位时间通过传热面积的传热量，w； f传热面积，； Ñt冷、热流体间的温差，；k传热系数，w/（·）传热计算进行传热计算之前，热交换器的型式和热负荷已在选型和循环计算中确定。但是热交换器中的传热温差、

48、传热面积、冷却介质流速或被冷却介质流速需在传热计算过程中确定。传热温差和介质流速与热交换器的型式有关，可应用技术经济分析的方法确定其最佳值，也可按经验数值选用。1） 对数平均温差 计算传热量时，传热温差为冷、热液体间的温度差。对于热交换器，由于冷热流体沿传热面进行交换，其温度沿流动的方向不断变化，所以冷、热流体间的温差也在不断地变化。为此，在进行传热计算时需取温差的平均值，以符号表示，称为平均温差。相应的传热计算公式为 q=kf平均温差与介质的流动有关。就冷、热流体方向来分，两者平行且同向流动时称为顺流；两者平行而反向流动时称为逆流；彼此垂直的交叉流动称为叉流。在顺流和逆流情况下，冷热流体的温

49、度变化如图。在下列条件下，可推导出对数平均温差的计算式。1. 冷、热流体的热容量在整个换热面上均为常量；2. 传热系数k在整个换热面上不变；3. 换热器无散热损失；4. 沿换热面轴向的导热量可以忽略不计；5. 在换热器中，任何一种流体都不能既有相变又有单相介质换热。对数平均温差的计算公式为 =式中为换热器两端冷、热流体间温差的最大值；是最小值。2）制冷剂沸腾时的换热系数 制冷剂沸腾时，其换热系数随热流密度的增加而增加。制冷剂在管内沸腾时，其换热系数与物性，热流密度，管内液体珠质量流速及流向有关。1.立管内沸腾时，换热系数的计算式为 w/（·）式中是按内表面积计算的热流密度，w/

50、60;。341蒸发器的设计蒸发器是空调设备中使制冷剂吸热气化的热交换器，蒸发器的类型很多，按制冷剂在蒸发器内的充满程度及蒸发情况进行分类，主要有三种：干式蒸发器、再循环式蒸发器和满液式蒸发器。比较这三种蒸发器的优缺点如下：1）干式蒸发器优点：1、制冷剂用量少，为相同制冷量满液式蒸发器的三分之一；2、当载冷剂为水时，即使蒸发温度低到0度附近，也不会出现结冰现象；3、便于把蒸发器中的润滑油排回压缩机；其主要缺点有：1、当采用多流程时，气、液两相制冷剂在端盖内转向会出现分离，从而造成了下一流程中各管子中制冷剂流量分配不均匀的不利现象，使这些管子失去蒸发冷却的作用；2、载冷剂可能会通过折流板与壳之间的

51、间隙泄漏（即载冷剂短路），降低水侧的换热效果。 2）满液式蒸发器优点：1、相较于传统的干式蒸发器满液式蒸发器内充满了液态制冷剂，这样可使传热面尽量和液态制冷剂接触并传热，可提高传热效率约20%左右；2、结构紧凑，占地面积小.换热过程中始终是液态制冷剂与液态水之间的换热，产生的制冷剂气体直接从压缩机吸气进入压缩机，换热面积被有效利用，提高了机组的换热效率。3、完全润湿的热传递表面，可增加蒸发器的使用效率，提高系数低压侧压力，进而提升系统的工作效率；4、满液式蒸发器的使用还可增加压缩机的压缩效率，使主机功耗降低；5、由于多压缩机组其享一台蒸发器及冷凝器，于部分负载时仍能有效地利用传热面积，故可拥有

52、较高的部分负载效率。其缺点有：1、当载冷剂为水时，壳体内蒸发温度不可低于0度，否则管束内可能结冰，导致传热管涨裂；2、制冷剂充注量大；3、由于摇晃，可能会使液体进入回气管，造成液击事故，故不能用于产生晃动的场所，如：舰船等。3）再循环式蒸发器是指制冷剂液体在蒸发器内循环流动过程中蒸发的蒸发器。进入蒸发管的制冷剂液体吸热后部分气化，并以气液两相混合物的形式排出蒸发管。气液两相混合物经气液分离器分离后干蒸气被吸入压缩机、液体再次进入蒸发管蒸发。其优点有：蒸发管子的内壁完全湿润，因而有较高的换热系数。主要缺点是体积大，需要的制冷剂多。经过综合考虑蒸发器的经济性与本设计要求的适用性，选择冷却液体型干式

53、蒸发器。这类蒸发器按其管组的排列方式又可分为直管式和u型管式两种。考虑到u型管式的传热效果较好，故选用u型管式干式蒸发器。由传热公式 q=kfÑt=kpdlÑt w 式中k=（在工程计算中，当圆筒的内、外径之比<2时，可用此简化公式。）管材采用铜管，其传热系数为389w/(m×k)，管径为f16mm，管内侧制冷剂换热系数为1800w/(×k)，管外侧冷却水换热系数为6600 w/(×k)，管壁厚1.5mm。 k=1262.16 w/(×k)。 由前面的热力计算可知Ñt为13，入传热公式可得：pdl=6.09m. 考虑到

54、干式蒸发器的管子有效传热效率为管子表面积的30%60%，而冷却液体式干式蒸发器的u型式的传热效果较好，故选择型号为g10的干式蒸发器能够满足本设计的要求。其蒸发面积为10 m，冷水量为17/h， 进出水管径为dn80mm，水程阻力为0.02mpa。设计时应给定额定工况下的制冷量，然后根据以下原则选择主要参数。1） 制冷剂质量流速的选择 在额定工况下，制冷剂质量流速的选择对于干式蒸发器的设计具有重要的意义。质量流速愈大，制冷剂在管内蒸发时的换热系数愈高，因而传热性能提高，但制冷剂量测定在管内的阻力也增加，这将使制冷剂的进出口的温差增大。在制冷剂出口温度不变的前提下，制冷剂入口温度的提高将使制冷剂

55、与载冷剂之间的对数平均温差减小。因此，存在一个最佳质量流速，此时单位面积的热流量为最大值，这就是干式蒸发器存在最佳设计的概念。因为最佳质量流量与管子的规格及流程数等因素有关，故最佳设计方案要通过多次计算和比较才能确定。由于在干式蒸发器中制冷剂和载冷剂的温度都是降低的，如图31所示，顺流传热的平均温差为 （2）图31 干式蒸发器的传热温差顺流传热的平均温差磊于逆流传热的平均温差，因此在安排干式蒸发器进、出口接管时应尽可能使之符合顺流传热。2） 流程数的选择 流程数的选择与管子的型式有关。采用内肋管时，一般都选二流程的u型管结构，可以防止制冷剂转向时产生的气液分离现象。用光管时，可选择四流程或六流

56、程。3） 载冷剂降温的选择 一般水侧的温降为46。4） 载冷剂侧折流板数的选择 在干式壳式蒸发器中，载冷剂在管外流动。为了保证载冷剂横向流过管束时有一定的流速（0.51.0m/s），必须沿筒体轴向布置一定数量的折流板。沿筒体轴向布置的折流板数应根据载冷剂横向流过管束时的平均流速决定。圆缺形折流板的缺口尺寸对管外侧载冷剂的换热效果影响很大。缺口愈小传热效果愈好，但相应的阻力愈大。因此选择缺口尺寸时应作全面的考虑。1、 冷冻水流量 2、 蒸发器结构的初步规则l79563929图32 结构规划壳体内径=300mm，流程数n=4，每一流程的平均管子数=49，总管数=196根，管板厚度=30mm，折流板

57、厚度=5mm，折流板数=20，折流板间距=150mm，间距=85mm，上缺口高=60mm，上缺口内管子数=25根，下缺口高=64mm，下缺口内管数=28。管子为f121的铜管，按正三角形排列，管距为16mm，壳体直径附近的管数为20根，管长定为2200mm。r22从下端进入管子，在管中蒸发，从上端出蒸发器。从上往下，各流程管数依次为79，56，39，29。1） 蒸发器的外表面积 2） 有效传热面积 3、 管外换热系数的计算 折流板的平均间距s 横向流通截面积 按公式（978）， 横向流速 折流板上、下缺口面积 按公式（977）计算这两个面积。计算时。 上下缺口面积的平均值 纵向流速 管外换热系

58、数冷却水平均温度。据此温度查得水的物性数据为：，运动粘性系数，导热率，则 管外换热系数 按公式（957）计算， 4、 管内换热系数的计算假定蒸发器按内表面计算的热流密度（此假定将在后面检验），则按公式（948），管内换热系数为 式中， c=0.02332。因每根管内r22的质量流量为 且质量流速为 故 5、 制冷剂流动阻力及传热温差原计算 制冷剂的流动阻力计算1） r22饱和蒸气的流速为 2） 蒸发器出口处的蒸发温度，据此从物性表中查得r22的参数为：密度，普朗特数；运动粘性系数。将上述数据代入数的计算式中，得到 3) 沿程阻力系数 4） 饱和蒸气的沿程阻力 按公式（983）计算， 5） 两相对流时r22的沿程阻力为 6) 总阻力为 =0.036 由公式（2）可得冷热流体的对数平均温差 在2附近，压力每变化0.1m，饱和温度约变化5.5，又因为蒸发器进口处r22的温度为 式中为制冷剂总阻力， =2+5.5=3.98对数平均温差 传热系数及按内表面计算的热流密度传热系数管内侧与管外侧的污垢系数均取为2，则传热系数为 按内