地源热泵系统设计

word文档可自由复制编辑大学本科毕业设计（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Designofgroundsourceheatpumpsystemword文档可自由复制编辑摘要近几年，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AbstractInrecentyears,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目录TOC\o"1-3"\h\u15595第一章绪论 115081.1研究背景 156621.2国内地源热泵发展 1213601.3地源热泵的特点 28091.4地源热泵的优缺点分析与适用条件 326596第二章空调设计依据 574712.1室外气象参数 5218292.2室内设计参数确定 5240162.3设计范围 5183612.4设计原则 532144第三章负荷计算 7181153.1冷负荷计算 768343.1.1外墙和屋面逐时传热引起的冷负荷 73193.1.2内维护结构冷负荷 850513.1.3外玻璃窗逐时传热形成的冷负荷 95893.1.4地面传热形成的冷负荷 1069663.1.5透过玻璃窗日射得热引起的冷负荷 11242083.1.6照明散热形成的冷负荷 12303223.1.7人体散热形成的冷负荷 1293243.2工程负荷统计 1310061第四章末端设备选型 16284554.1风机盘管的选型 16338第五章空调风系统设计 17153835.1新风机组的确立 17278165.2风系统水力计算 17231105.3风口的选型 1928075第六章空调系统水力计算 20205306.1空调水系统的设计 20241486.1.1空调水系统的设计原则 20322976.1.2空调水系统的系统选型 20124366.2空调水系统的水力计算 20280476.3空调立管的水力计算 24241486.3.1计算依据 24265196.3.2计算公式 242676.4冷凝水管道设计 25320416.4.1设计原则 25140296.4.2管径确定 25106456.5水系统安装要求 2613585第七章地源热泵机组选择计算 27241447.1地源热泵机组选型计算 27230167.2空调循环水泵设计计算 28127577.2.1水泵流量的确定 28306937.2.2水泵扬程的确定 2829276第八章地下埋管的设计与计算 29149578.1冬夏季地下换热量的确定 2990978.2确定地下换热器的埋管形式 29115818.3确定管路连接方式 30261698.4地下换热器埋管管材及管径的确定 3024108.4.1埋管管材的确定 3010508.4.2确定管径 31151508.5竖井埋管管长的确定 31257868.6竖井数目及间距的确定 32284678.6.1竖井数目的确定 3282218.6.2竖井间距的确定 32110838.7地下换热器系统的水力计算 32171998.8地下换热器循环水泵的选型 35219288.8.1循环水泵的确定 35154918.8.2水泵配管布置 36263858.9阀门安装 3723609结论（或结语） 3810166致谢 3926639参考文献 40word文档可自由复制编辑第一章绪论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。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。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。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。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2655冬季1855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01外墙混凝土加气混凝土280(087001)0.710.3610.002外窗单层塑钢窗4.710.303内门木(塑料)框单层实体门3.350.990.504内墙砖墙(003003)2.380.585.205外门节能外门3.020.990.606楼板楼面-20.650.2211.1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12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00tc(τ)31.431.331.431.631.832.132.4△td1.2kα0.97kρ0.94t’c(τ)29.729.529.529.529.629.729.930.130.430.6tR26K0.71A12.87Qc(τ)33.832.032.032.032.933.835.637.540.242.0表3-3西外墙逐时冷负荷时间12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00tc(τ)35.935.535.234.934.834.834.935.335.836.5△td0.5kα0.97kρ0.94t’c(τ)33.232.832.632.332.633.133.7tR26K0.71A17.16Qc(τ)87.883.080.576.975.675.676.980.586.6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12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00△td3Ki2.38tom31.3tR26Ai30.03Qc(τ)5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12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00tc(τ)30.831.531.931.630.829.929.1△td131.832.532.932.631.830.930.1tR26△td7.27.07.04.1CW1.0kW4.7Aw1.5Qc(τ)40.945.848.650.849.449.446.540.934.528.9表3-6西外窗逐时冷负荷时间12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00tc(τ)30.831.531.931.630.829.929.1△td131.832.532.932.631.830.930.1tR26△td7.27.07.04.1CW1.0kW4.7Aw1.5Qc(τ)40.945.848.650.849.449.446.540.934.5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12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00CLQ0.830.830.790.710.600.610.65Djmax115Cs1.0Ci0.5Aw1.5Cα0.85Qc(τ)60.860.857.952.044.044.749.812.511.711.0表3-8西窗透入日射的人引起的冷负荷时间12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00CLQ0.200.340.560.720.830.770.59Djmax539Cs1.0Ci0.5Aw1.5Cα0.85Qc(τ)68.7116.8192.4247.4285.2264.6182.173.834.4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—镇流器消耗功率系数，当明装荧光灯的镇流器装在空调房间内时，取n1=1.2，当明装荧光灯的镇流器装在空调房间内时，可取n1=1.0；n2—灯罩隔热系数，当荧光灯灯罩上部穿有小孔（下部为玻璃板），可利用自然通风散热于顶棚内时，取n2=0.5~0.6；而荧光灯的灯罩无通风孔时，n2=0.6~0.8；CLQ—照明散热冷负荷系数。表3-9照明散热引起的冷负荷时间12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00CLQ20.100.090.080.370.670.710.74n11.2n21.0N200Qc(τ)3633.628.82421.619.288.8160.8170.4人体散热形成的冷负荷人体散热与性别、年龄、衣着、劳动强度及周围环境等多种因素有关。人体散热的潜热量和对流直接形成瞬时冷负荷，而辐射散发的热量将会形成滞后冷负荷。因此，应采用想要的冷负荷系数进行计算。在本设计中，为了方便计算，计算以成年男子散热量为计算基础，而对于不同功能的建筑物中有各类人员不同的组成进行修正，为此，引入群集系数φ。所谓群集系数是指人员的年龄构成、性别构成以及密集程度等情况的不同考虑的折减系数[2]。Qc(τ)=qsnφCLQ（3-6）式中Qc(τ)—人体显散热形成的冷负荷，W；qs—不同室温和劳动性质成年男子显热散热量，W；n—室内全部人数；φ—群集系数；CLQ—人体显热散热冷负荷系数；人体潜散热引起的冷负荷计算式:Qc=qlnφ（3-6）式中Qc—人体潜散热形成的冷负荷，W；ql—不同室温和劳动性质成年男子潜热散热量，W；n—室内全部人数；φ—群集系数[2]。表3-10人员散热引起的冷负荷时间12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00CLQ0.240.220.700.750.790.820.85qs60.5n2φ0.93Qc(τ)27.0722.5120.2618.0169.7778.7784.4088.9092.2795.65Cα73.3Qc(τ)136.3136.3136.3136.3136.3136.3136.3136.3136.3136.3合计163.4158.9156.6154.4206.1215.1220.7225.2228.6232.03.2工程负荷统计表3-112001房间逐时负荷统计时间12:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:00北外墙负荷33.832.032.032.032.933.835.637.540.242.0西外墙负荷87.883.080.576.975.675.676.980.586.693.9内墙负荷593.2北外窗负荷40.945.848.650.849.449.446.540.934.528.9西外窗负荷40.945.848.650.849.449.446.540.934.528.9灯光负荷3633.628.82421.619.288.8160.8170.4177.6北窗日射负荷60.860.857.952.044.044.749.812.511.711.0西窗日射负荷68.7116.8192.4247.4285.2264.6182.173.834.430.9人员负荷163.4158.9156.6154.4206.1215.1220.7225.2228.6232.0总计1125.51169.91238.61281.51357.413451340.11265.31234.11102.5表3-12工程负荷统计分类夏季室内冷负荷(全热)冬季总热负荷(全热)建筑物23368.3922280.841楼层10119.648846.161001[饭厅]2577.071689.91002[休息室]2460.071746.511003[客厅]6469.695409.752楼层6307.246454.242001[卧室]2219.541852.142002[卧室]2207.032057.182003[卧室]2001.732544.923楼层7620.996980.443001[卧室]2330.011887.773002[卧室]2371.962184.993003[客厅]3278.442907.69第四章末端设备选型4.1风机盘管的选型根据已经得出的房间冷负荷、风机盘管风量等选择风机盘管的型号，将每个房间选取的风机盘管型号、数量等数据汇总于下表中：表4-1风机盘管选型房间编号设备型号数量（台）风量（）制冷量（kW）制热量（kW）1001[餐厅]ECRN-800112514.3997.8971002[休息室]ECRN-800112514.3997.8971003[客厅]MH504130099.87716.6352001[卧室]ECRN-600110803.4857.2722002[卧室]ECRN-600110803.4857.2722003[卧室]ECRN-600110803.4857.2723001[卧室]ECRN-800112514.3997.8973002[卧室]ECRN-800112514.3997.8973003[客厅]MH302117445.0587.591第五章空调风系统设计5.1新风机组的确立本别墅一共分为三层，由于本建筑的所需的新风量过小，因此选择在一层设一个新风机组，其余两层的风系统通过风井连接。表5-1一层所选新风机组型号设备型号风量制冷量制热量台数MKS02D4Y/C2000235002730015.2风系统水力计算图5-2：一层风系统图表5-3一层风系统水力计算编号截面类型风量(m^3/h)宽/直径(mm)高(mm)长(m)风速(m/s)比摩阻(Pa/m)局阻系数沿程阻力(Pa)局部阻力(Pa)总阻力(Pa)支管阻力(Pa)节点资用全压(Pa)节点不平衡率(%)管段0矩形400.00200.00120.004.804.632.090.0010.040.0010.040.000.000.00管段1矩形400.00200.00120.001.314.632.090.002.732.715.450.000.000.00管段2矩形300.00160.00120.001.634.342.080.003.400.563.960.000.000.00管段3矩形200.00120.00120.003.163.861.980.006.250.626.870.000.000.00管段4矩形100.00120.00100.002.632.310.880.002.316.719.020.000.000.00管段5矩形100.00120.00100.002.802.310.880.002.469.9812.440.000.000.00管段6矩形100.00120.00100.001.972.310.880.001.738.6710.390.000.000.00管段7矩形100.00120.00100.000.082.310.880.000.071.571.640.000.000.00管段8矩形100.00120.00100.002.002.310.880.001.750.682.430.000.000.00图5-4：二层风系统图表5-5二层风系统水力计算编号截面类型风量(m^3/h)宽/直径(mm)高(mm)长(m)风速(m/s)比摩阻(Pa/m)局阻系数沿程阻力(Pa)局部阻力(Pa)总阻力(Pa)支管阻力(Pa)节点资用全压(Pa)节点不平衡率(%)管段0矩形300.00160.00120.000.254.342.080.000.520.000.5224.2924.290.00管段1矩形200.00120.00120.006.373.861.980.2512.582.2314.8123.7723.770.00管段2矩形100.00120.00100.000.412.310.880.490.361.571.936.578.9626.62管段3矩形100.00120.00100.004.512.310.880.213.960.684.644.644.640.00管段4矩形100.00120.00100.003.462.310.880.253.040.803.856.6923.7771.84管段5矩形100.00120.00100.002.472.310.882.852.852.850.00管段6矩形100.00120.00100.002.562.310.882.092.256.718.968.968.960.00图5-6三层风系统图表5-7三层风系统水力计算编号截面类型风量(m^3/h)宽/直径(mm)高(mm)长(m)风速(m/s)比摩阻(Pa/m)局阻系数沿程阻力(Pa)局部阻力(Pa)总阻力(Pa)支管阻力(Pa)节点资用全压(Pa)节点不平衡率(%)管段0矩形400.00200.00120.000.134.632.090.000.270.000.2721.5021.500.00管段1矩形300.00160.00120.002.854.342.080.055.920.566.4921.2321.230.00管段2矩形200.00120.00120.002.633.861.980.075.200.625.8214.7414.740.00管段3矩形100.00120.00100.000.972.310.880.490.851.572.437.038.9221.23管段4矩形100.00120.00100.004.462.310.880.213.920.684.604.604.600.00管段5矩形100.00120.00100.001.962.310.883.111.729.9811.7011.7021.2344.87管段6矩形100.00120.00100.001.992.310.882.701.758.6710.4110.4114.7429.36管段7矩形100.00120.00100.002.512.310.882.092.216.718.928.928.920.005.3风口的选型本设计风口选取的是方形散流器，一层的安装高度是3.3m，二三层的安装高度均为3m，新风口的尺寸均为120mm×120mm，颈部风速控制在3~5m/s。第六章空调系统水力计算6.1空调水系统的设计6.1.1空调水系统的设计原则（1）力求各环路的水力平衡；（2）防止大水量小温差；（3）水输送系数需要符合相关规范要求；（4）采用变流量的空调系统适宜采用变频调节；（5）需要对水系统的排气和膨胀问题处理好；（6）需要对水处理和水过滤的问题解决好；（7）要注意管网的保冷和保温的效果[3]。6.1.2空调水系统的系统选型空调水系统是根据管道布局和工作原理分类的，一般可分为以下主要类型。：（1）根据供、回水管道数量进行分类，可以分为：双管制、三管制和四管制；（2）根据供、回水干管的管道布局进行分类，可以分为：水平式和垂直式；（3）根据供、回水在管道内的流动关系进行分类，可以分为：同程式和异程式；（4）根据原理进行分类，可以分为：开式和闭式；（5）根据调节方式进行分类，可以分为：定流量和变流量。首先，空调供冷、供暖的系统设计，水系统各环路的水力平衡是需要满足的首要要求。系统的供冷及供热全部由地源热泵机组承担，房间不需要同时进行供冷和供热，该设计管路不与大气相接触，每一层水系统的最高点和系统的最高点都需要设置排气阀，用来排除系统中多余的空气。所以，系统采用闭式双管系统。空调冷热水系统的双重控制，简单，布置方便，占用空间小，节省投资。垂直同程式，一级泵、水泵变流量系统适用于干管的布置[3]。6.2空调水系统的水力计算水力计算采用假定流速法，其计算步骤如下：（1）绘制冷水系统图，对管段编号，标注长度和流量；（2）确定合理的流速；（3）根据各个管段的水量和选择流速确定管段的直径，计算摩擦阻力和局部阻力；（4）并联管路的阻力平衡；（5）计算系统的总阻力[4]。图6-1:一层水系统表6-2一层供水管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)Rm(Pa/m)管径长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)管段06929.4940295.000.87223.36DN503.12380.640.000.00696.68696.68管段16929.4940295.000.87223.36DN501.31380.641.00380.64291.83672.47管段26929.4940295.000.87223.36DN502.59380.641.00380.64578.01958.65管段36039.5535120.000.76171.85DN503.40289.150.1028.92583.49612.41管段44041.2723500.000.85296.75DN402.34361.510.1036.15694.31730.46管段54041.2723500.000.85296.75DN406.10361.511.00361.511810.132171.64管段64041.2723500.000.85296.75DN400.40361.511.001084.53118.701203.23管段71998.2811620.000.55157.13DN320.67152.911.50229.36105.23334.60管段81998.2811620.000.55157.13DN320.40152.911.00458.7262.85521.58管段9889.945175.000.70484.47DN201.65242.941.50364.42799.721164.14管段10889.945175.000.70484.47DN200.40242.941.50850.30193.791044.09表6-3一层回水管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)Rm(Pa/m)管径长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)管段06929.4940295.000.87220.73DN502.92380.830.000.00644.33644.33管段16929.4940295.000.87220.73DN501.31380.831.00380.83288.39669.22管段26929.4940295.000.87220.73DN502.94380.831.00380.83648.461029.29管段36039.5535120.000.76169.62DN503.10289.290.1028.93525.04553.97管段44041.2723500.000.85293.15DN402.64361.690.1036.17773.84810.01管段54041.2723500.000.85293.15DN406.37361.691.00361.691866.162227.85管段64041.2723500.000.85293.15DN400.25361.691.001085.0673.291158.35管段71998.2811620.000.55154.57DN320.74152.981.50229.47113.71343.19管段81998.2811620.000.55154.57DN320.25152.981.00458.9538.64497.59管段9889.945175.000.70477.50DN201.36243.061.50364.59647.151011.74管段10889.945175.000.70477.50DN200.25243.061.50850.72119.38970.09图6-4：二层水系统表6-5二层供水管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)Rm(Pa/m)管径长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)管段02115.2212300.000.59174.88DN320.49171.330.000.0085.6785.67管段12115.2212300.000.59174.88DN321.42171.331.00171.33247.80419.12管段22115.2212300.000.59174.88DN320.41171.331.00171.3371.81243.14管段31410.158200.000.68339.94DN251.58234.040.1023.40538.78562.18管段4705.074100.000.55312.41DN208.11152.490.1015.252533.112548.36管段5705.074100.000.55312.41DN201.44152.491.50228.74448.85677.59管段6705.074100.000.55312.41DN200.40152.491.50533.73124.96658.69管段7705.074100.000.55312.41DN205.06152.491.50533.731581.942115.67管段8705.074100.000.55312.41DN201.46152.491.50228.74456.90685.64管段9705.074100.000.55312.41DN200.40152.491.50533.73124.96658.69表6-6二层回水管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)Rm(Pa/m)管径长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)管段02115.2212300.000.59174.88DN320.49171.330.000.0085.6785.67管段12115.2212300.000.59174.88DN321.42171.331.00171.33247.80419.12管段22115.2212300.000.59174.88DN320.41171.331.00171.3371.81243.14管段31410.158200.000.68339.94DN251.58234.040.1023.40538.78562.18管段4705.074100.000.55312.41DN208.11152.490.1015.252533.112548.36管段5705.074100.000.55312.41DN201.44152.491.50228.74448.85677.59管段6705.074100.000.55312.41DN200.40152.491.50533.73124.96658.69管段7705.074100.000.55312.41DN205.06152.491.50533.731581.942115.67管段8705.074100.000.55312.41DN201.46152.491.50228.74456.90685.64管段9705.074100.000.55312.41DN200.40152.491.50533.73124.96658.69图6-7：三层水系统表6-8三层供水管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)Rm(Pa/m)管径长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)管段02803.1016300.000.78298.00DN320.46300.880.000.00137.81137.81管段12803.1016300.000.78298.00DN321.41300.881.00300.88421.54722.42管段22803.1016300.000.78298.00DN320.42300.881.00300.88124.70425.58管段31913.1611125.000.53144.80DN322.02140.160.1014.02292.59306.61管段41023.225950.000.80631.35DN205.41321.160.1032.123412.793444.90管段51023.225950.000.80631.35DN200.87321.161.50481.74546.451028.18管段61023.225950.000.80631.35DN200.40321.161.501124.05252.541376.60管段7889.945175.000.70484.47DN205.55242.941.50850.302690.513540.81管段8889.945175.000.70484.47DN201.43242.941.50364.42694.211058.63管段9889.945175.000.70484.47DN200.40242.941.50850.30193.791044.09表6-9三层回水管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)Rm(Pa/m)管径长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)管段02803.1016300.000.78298.00DN320.46300.880.000.00137.81137.81管段12803.1016300.000.78298.00DN321.41300.881.00300.88421.54722.42管段22803.1016300.000.78298.00DN320.42300.881.00300.88124.70425.58管段31913.1611125.000.53144.80DN322.02140.160.1014.02292.59306.61管段41023.225950.000.80631.35DN205.41321.160.1032.123412.793444.90管段51023.225950.000.80631.35DN200.87321.161.50481.74546.451028.18管段61023.225950.000.80631.35DN200.40321.161.501124.05252.541376.60管段7889.945175.000.70484.47DN205.55242.941.50850.302690.513540.81管段8889.945175.000.70484.47DN201.43242.941.50364.42694.211058.63管段9889.945175.000.70484.47DN200.40242.941.50850.30193.791044.096.3空调立管的水力计算6.3.1计算依据本计算方法理论依据是陆耀庆编著的《供暖通风设计手册》和电子工业部第十设计研究院主编的《空气调节设计手册》。6.3.2计算公式计算摩擦阻力系数的公式采用的是柯列勃洛克－怀特公式。管段损失＝沿程损失＋局部损失即：Pg＝ΣPl+ΣPd。Pdn＝Pd1＋Σ(Pm×L＋Pz)[4]。表6-10供水立管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)管径Rm(Pa/m)长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)12803.1163000.78DN322983.3300.8800983.41983.4124918.31286000.62DN50116.423.6191.7600419.1419.1311847.81688950.91DN70174.252.6410.6400453.04453.04小计11847.81688959.5001855.551855.55表6-11回水立管水力计算表编号流量(kg/h)负荷(w)流速(m/s)管径Rm(Pa/m)长(m)动压(Pa)ζ△Pd(Pa)△Pl(Pa)△P(Pa)12803.1163000.78DN32294.123.3301.0300970.6970.624918.31286000.62DN50114.693.6191.8500412.87412.87311847.81688950.91DN70172.272.6410.8400447.9447.9小计11847.81688959.5001831.371831.376.4冷凝水管道设计6.4.1设计原则在风机盘管机组等各设备机组的运行过程中，一定量的冷凝水会随着设备的运行流出，必须及时将这些多余的冷凝水排走，以保证系统能够进行正常的工作。常采用开式、非满流自流系统设计冷凝水管道。冷凝水管道的设计应该满足一下几点要求：（1)在冷凝水的水流方向上，管道应该设有至少0.3%大的坡度，并且，管道内必须保证不能够出现积水现象；（2）当冷凝水盘的位置在机组内的负压区段时，水封必须设要用在设计中，设置在凝水盘的出水口处，凝水盘处的负压比水封的高度要低上大约50%上下。水封的出口要通向大气；（3）聚氯乙烯塑料管一般用作冷凝水管道的设计管材，并且不需要对管道进行保温和隔气处理；（4）为保证冷凝水的流动，应设计一根通向大气的透气管，连接到冷凝水立管；（5）为保证冷凝水的正常流通，设计和安装冷凝水管道的时候，要考虑到是否需要定期冲洗冷凝水管，如果需要，就应设计冲洗时需要的设备；（6）应先计算冷凝水的流量，根据流量来确定冷凝水管的公称直径。6.4.2管径确定通常，冷凝水管的管径设计应参考以下几点：管段承担冷负荷小于7kW时，冷凝管选取DN20管径;管段承担冷负荷在7kW与17kW之间时，冷凝管选取DN25管径;管段承担冷负荷在17kW与100kW之间时，冷凝管选取DN32管径。6.5水系统安装要求（1）在闭式系统中，冷热水管必须满足要有0.003的坡度，当许多管道一起安装时，各个管路最好要是相同的坡度，方便支架可以让各个管路共用。如果，由于条件受限，冷热水管道可以以无坡度的方式安装，但是管内水流速最小也得大于0.25m/s。而且当考虑在变水量的条件下调节水的流速时，水流速也不应该小于此数值；（2）闭式系统中，排气装置需要设置在冷热水管路的每个最高点上。需要考虑好自动排气阀损坏时，如何更换管道的措施，就是设置一个阀门在管道连接处。手动集气罐的排气管需要和水池或地漏相连接，排气管上的阀门应该方便人员使用；自动排气阀的排气管也需要与室外相连，如果自动排气阀失灵时，水流就可以流出室内；（3）水管与水泵相连接或者大管与小管相连接时，应当预防气囊可能会产生。大管通过小管排出气体时，大管与小管应该顶平连接，防止气囊在大管中产生；（4）在系统的最低点，带有阀门的放水管应安装在能够完成单独放水设备的下部，并与地漏或漏斗相连接。系统开始时，用作冲刷管路；进行管路检修时，用作排水；（5）处于负压段的空调器、风机盘管等的表冷器，其冷凝水管道需要设有水封，并且管道坡度至少要达到0.001。如果冷凝水管径比较大，需要作圆水封筒；（6）机房内应当设置地漏，用作排出喷水室的水、水泵及阀门可能的漏水和表冷器的凝结水。地面要有一定的坡度，并且坡度方向要朝向地漏，地面必须经过防水处理。也可以在可能有积水形成的地方设置围堰，围堰内要设置地漏，地面也需经过防水处理[5]。第七章地源热泵机组选择计算7.1地源热泵机组选型计算该别墅的最大冷负荷Q=23.368kW，考虑到水管、冷水管还有水箱等设备温度升高引起的附加冷负荷，修正后：Q1=1.15Q=26.873kW，该别墅的总设计负荷为26.873kW。因此，可以选择1台沃富VKC水—水机组，型号为VKC—030，制冷量28.0kW，功率6.5kW，机组尺寸：A=850mm,B=550mm,H=618mm.冷水流量4.82m3/h，冷水压降30KPa，地源水流量5.93m3/h，地源水压降45KPa，机组重量135Kg。制冷工况：冷冻水进/出温度：12℃/7℃；冷却水进/出温度30℃/35℃。产品名称：沃富VKC水—水机组，热泵机组特点：(1)一机多用，不仅能满足在夏季和冬季供暖制冷要求，也可以提供45℃热水；（2）采用温度相对稳定的地下土壤源作为热源，机组的运行比较稳定，节能效率高；

（3）采用半封闭单螺杆压缩机和先进的负载平衡原理设计，长达100000小时的工作时间的主轴承的设计；；

（4）采用平衡压缩设计，运行时的噪声小，并且振动幅度极低，这些都使机组的应用更加的灵活；

（5）设计形式应用了多压缩机的设计，启动时无需过大的电流，当发生故障时，备用功能优异，且部分负荷性能十分出众；

（6）调节方便，可以根据负荷的需求，使用电脑对压缩机进行自动化的启停以及负载的自动增加；

（7）被广泛使用，并能使用各种能源的工作，如：土壤，污水，工业废水，地下水，地表水，深湖和各种废水；

（8）采用了一种新的微机控制，使用标准的显式中文触摸屏，操作更方便，可以通过调制解调器远程监控单元，并可与楼宇自动化系统（BAS）网络连接；

（9）通过工厂的运行测试，能够保证机组的稳定运行，并且美国

ARI

认证了测试平台的可靠；

（10）装置生产过程获得ISO9001认证；7.2空调循环水泵设计计算7.2.1水泵流量的确定L=Q/（△t×1.163）×（1.15～1.2）(7-1)式中L—冷冻水水流量，m3/h；

Q—总冷负荷，kW；

△t—冷冻水进出水温差，℃，一般取4.5～5。根据上式计算可得L=5.72m3/h。7.2.2水泵扬程的确定水泵扬程由以下几点构成：制冷机组蒸发器水阻力：一般为5～7mH2O；（具体值可参看产品样本）末端设备（空气处理机组、风机盘管等）表冷器或蒸发器水阻力：一

般为4～6mH2O；（具体值可参看产品样本）回水过滤器阻力，一般为3～5mH2O；分水器、集水器水阻力：一般一个为3mH2O；制冷系统水管路沿程阻力和局部阻力损失：沿程阻力一般为比摩阻(100～300Pa/m)每乘以管道长度.局部阻力为沿程阻力的50%。因此，水泵扬程等于以上所有阻力之和。水泵扬程=31.7mH2O根据计算结果水泵的扬程与流量留一点余量，查《中央空调设备选型手册》可以选择ISW32-200(I)的单级卧式离心泵，选用两台，一用一备。性能参数如下：型号：ISW32-200(I)转速：2900r/min流量：6.3m3/h扬程：50m电机功率：4kW第八章地下埋管的设计与计算8.1冬夏季地下换热量的确定冬夏季地下换热量分别是指夏季地源热泵向土壤中释放的热量和冬季从土壤吸收的热量，可以由以下公式计算：Q1‘=Q1×（1+1/COP1）(8-1)Q2‘=Q2×（1-1/COP2)(8-2)式中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—设计工况下土壤源热泵机组的制冷系数；

COP2—设计工况下土壤源热泵机组的供热系数。COP在小机组制冷时可取4.5~5.0，制热时取3.2~3.5；在大机组制冷时可取5.0~5.6，制热时取3.3~3.8。因此，COP1=4.5，COP2=3.2。夏季，28.56kW冬季，15.32kW取夏季地下换热量28.56kW进行计算。8.2确定地下换热器的埋管形式地下换热器的设计是地源热泵技术的关键与重点，也是本系统区别于其他系统的原因。地源热泵系统的最关键组成部分是地下埋管换热器。是否合理的选择型式，是否正确的设计，都将与整个地源热泵系统正常使用及系统运行的经济性息息相关。目前地源热泵地下埋管换热器主要有竖直埋管和水平埋管两种埋管形式。由于这两种埋管型式的特点和应用环境不同，因此，场地大小、当地岩土类型及挖掘成本决定了这两种埋管型式的适用范围[6]。水平埋管：施工费用相对于垂直埋管比较低，但是其性能不如垂直埋管高效，并且当施工时，占用场地相对较大。浅埋水平管容易受到地面温度的影响，因此比较适合于单季使用的情况，冬夏冷暖联供系统应用水平埋管型式的不是太多。垂直埋管：初期投资要高于水平埋管型式，但采用这种型式的地源热泵系统运行费用和维护费用低，占地面积小，冬季不需要辅助热源，不会产生污染，节能效果比较好。而且特别是在中国，采用竖直埋管更会显示其节约用地面积和良好换热性的特点。因此该别墅的地下换热器的埋管形式采用垂直埋管。垂直埋管根据埋管方式不同，有3种形式：（1）U型管：U形管安装在钻孔的管井内，管井直径一般为100～150mm，井深一般在10～200m之内，U形管直径一般不超过50mm，并且埋管越深，其换热性能就会越好。U型管施工简单，换热性能较好，因此，目前U型管形式应用的最多。（2）套管型：套管式外管直径一般为100～200mm，内管直径一般为15～25mm。但是，当套管型的内、外管中流体进行热交换时，会出现热损失。（3）单管型：单管型的适用工程的范围相对较小，会收到温度、地质条质等各种条件的影响。所以最终确定盖该别墅地下换热器的埋管形