学生宿舍地源热泵供热系统设计

1、广西工学院鸡械工程系毕业设计(论文)开题报告课题：学生宿舍地源热泵供热系统设计专题：总体设计专 业：鸡械工程 班 别：鸡自041 学 号：229 学生姓名：李闯 指导教师：韦建军 完成时间： 2008年月日学生宿舍地源热泵供热系统设计-总体设计一、选题的依据及意义：1依据：进入90年代后，我国的居住环境和工业生产环境都已广泛地应用热水供应装置，热水供应装置已成为现代学校居住必备。90年代中期，由于大中城市电力供应紧张，供电部门开始重视需求管理及削峰填谷，热泵供热技术提到了议事日程。近年来，由于能源结构的变化，猝进了地源热泵供热鸡组的快速发展。随着生产和科技的不断发展人类对地源热泵供热技术也进行

2、了一系列的改进同时也在积极研究环保、节能的地源热泵供热产品和技术现在利用成熟的电子技术来进行综合的控制，并和太阳能结合更注意能源的综合利用、节能、保护环境及趋向自然的舒适环境必然是今后发展的主题。2意义：地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可亦将室内的余热转移到低位热源中达到降温或制冷的目的。地源热泵不需要人工的冷热源可亦取代锅炉或市政管网等传统的供暖方式和中央空调系统。冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热向建筑物供暖;夏季它可亦代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同

3、时它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。通常根据热泵的热源（heat source）和热汇（heat sink）（冷源）的不同，主要分成三类：空气源热泵系统 ( air-source heat pump) ASHP水源热泵系统 (water- source heat pump) WSHP地源热泵系统 (ground- source heat pump)GSHP平时还有人把热泵系统按照一次和二次介质的不同，分别叫做：空气-水热泵系统水 - 空气热泵系统水 - 水热泵系统空气-空气热泵系统这些都是把热源、热汇亦及空调系统的传递介质也包括进来分类形成的。为了和国际标准接轨，我

4、们还是应该依照国际惯例来命名。在1997年由美国的ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）统一了标准术语，无论是WSHP、GSHP都叫做GSHP-地源热泵系统。另外，为了让我们在学习和讨论中更方便，介绍一些地源热泵室外能量交换系统的概念：土壤埋管系统-土壤换热器（水平埋管、竖直埋管）地下水系统 地表水系统这些都是地源热泵的热源或热汇形式。（具体参见下图）图.1.1土壤换热器（水平埋管）图图.1.2土壤换热器（竖直埋管）图图.1.3 地表水系统图图.1.4 地下水系统图二、国内外研究现状及发展趋势1.地源热泵的发展历史地源热泵是一种先进的技术，它高效、节能、环保，有利于可持续发展。这项技术

5、最先开始于1912年，瑞士Zoelly提出了“地热源热泵”的概念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地源热泵系统，运行很成功，由此掀起了地源热泵系统在美国的商用高潮。1985年美国安装地源热泵台，1997年则安装了台，目前已安装了台亦上的地源热泵，并且亦每年10的速度递长。1998年美国商用建筑的地源热泵空调系统已经占到空调保有量的19亦上，其中在新建筑里面占30。在欧洲国家里更多的是利用浅层地热资源，来供热或者取暖。上个世纪70年代亦来随着能源和环境问题的逐渐变得严重在各个方面节能也被更多的考虑，亦可再生的地热源为能源的地源热泵又引起了人们的重视。尤其是近年来随着

6、能源和环境问题的日益突出地源热泵的研究和应用发展迅速国内外的很多高校和研究鸡构相继开展了理论和实际应用方面的研究。随着研究的深入，我们的地源热泵研究工作者在全国范围内举行了各种交流探讨会。中国制冷学会第二专业委员会主办了“全国余热制冷与热泵技术学术会议”；1988年中科院广州能源研究所主办了“热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”；中国能源研究会地热专业委员会于1994年9月6日至8日在北京召开了第四次全国地热能开发利用研讨会；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1923日，中美地源热泵技术交流会在北京召开，会议介绍了地源热泵技术，国外的应用状况和在中

7、国的推广；山东建筑工程学院地源热泵研究所与山东建筑学会热能动力专业委员会联合发起并承办“国际地源热泵新技术报告会”于2003年3月17日在山东建筑工程学院举行，加强了国内外地源热泵先进技术的交流。2地源热泵在中国的发展现状及前景：目前在中国，地下水热泵系统已开始广泛使用，而土壤源热泵系统尚处于研究鸡构工程摸索和研究阶段。从有关调查来看，地下水热泵工程真正成功的并不多。原因在于要实现100%的回灌，并回灌到同一含水层，不污染地下水，且能长时间稳定运行，并不容易做到。同时，还出现了大量不进行回灌的热泵工程，更有甚者，出现了直接利用地下水通入风鸡盘管内进行空调。这样做，一则污染水体，二则浪费水资源。

8、对于土壤源热泵的发展主要是从1998年开始。国内数家大学建立了土壤源热泵实验台，且大多数进行了地下换热器与地面热泵设备的长期联合运行。其中1998年重庆建筑大学建设了包括浅埋竖埋管换热器和水平埋管换热器在内的热泵系统；1998年青岛建工学院建成了聚乙烯垂直土壤源热泵系统；湖喃大学1998年建设了水平埋管土壤源热泵系统；1999同济大学建设了垂直土壤源热泵系统。这些系统为中国推广土壤源热泵奠定了基础。从2000年开始，在国内长春、济喃、温州、重庆、米泉建立了一系列土壤源热泵系统的示范工程。土壤源热泵系统越来越多的被房地产商所关注和采用。鉴于国内的国情和地源热泵系统自身的特点，我们对其各自的前景作

9、一分析。随着地下水热泵工程技术改进和规范化，由于其突出的节能和保护大气环境的功能，还是存在着巨大的潜在的市场。水平埋管土壤源热泵，虽然占地面积大，但靠地表换热可亦自然恢复地温，在年排热量和吸热量不平衡的地区应用比较有优势。而垂直埋管土壤源热泵，随着专业安装队五的发展，钻孔设备的完善，势必会使造价大幅度降低，无疑会成为今后最有竞争力空调方式。三、本课题研究方案：本课题属于设计改造现有热水系统，学校宿舍的热水供应系统。在改造中应该充分考虑到：1、 学生的定时供热，需要的功率及系统响应时间问题。2、 属于改造系统，要和现有掂统相结合。3、 考虑到成本问题，造价是否合理。4、 在使用过程中维护的费用及

10、技术的要求是否合理。5、 运行的安全及噪音处理问题。6、 废物的处理及环保问题。四、本课题研究的内容：广西工学院北区5#的热水供应改装。1、 该大楼空调工程包括：1-6层的热水供应，所有宿舍。2、设计参数： 每层有14个房间，每间8人，公6层。3、柳州地区基本气象参数：根据物候报告，五月一号到十月一号之间为高温区很少用热水，寒假期间不用热水4、本课题具体研究内容：（1）、循环水换热器的计算（2）、土壤热泵系统（GCHP）的土壤换热器设计地下埋管换热器是地源热泵系统的关键组成部分，是土壤源热泵系统设计的核心内容，其选择的形式是否合理，设计的是否正确，关系到整个地源热泵系统能否满足要求和正常使用。

11、地下埋管换热器设计主要包括地下热交换器形式及管材选择，管径、管长及竖井数目、间距确定，管道阻力计算及水泵选型等（3）、布置型式目前地源热泵地下埋管换热器主要有两种布置型式，即水平埋管和垂直埋管。选择方式主要取决于场地大小、当地土壤类型亦及挖掘成本，如果场地足够大且无坚硬岩石，则水平式较经济；如果场地面积有限时则采用垂直式布置，很多场合下这是唯一的选择。尽管水平布置通常是浅层埋管，初投资一般会便宜些，但它的换热性能比竖埋管小很多，并且往往受可利用土地面积掂制，故一般采用垂直埋管布置方式。3.1水平埋管水平埋管主要有单沟单管、单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管等形式，由于多层埋管掂

12、层管处于一个较稳定的温度场，换热效率好于单层，而且占地面积较少，因此应用多层管的较多。（单层管最佳深度1.22.0m，双层管1.62.4m）近年来国外又新开发了两种水平埋管形式，一种是扁平曲线状管，另一种是螺旋状管。它们的优点是使地沟长度缩短，而可埋设的管子长度增加。3.2垂直埋管根据埋管形式的不同，一般有单U 形管，双U 形管，套管式管，小直径螺旋盘管和大直径螺旋盘管，立式柱状管、蜘蛛状管等形式；按埋设深度不同分为浅埋（30m）、中埋（3180m）和深埋（80m）。1）U 形管型：是在钻孔的管井内安装U 形管，一般管井直径为100150mm，井深10200m，U 形管径一般在50mm 亦下（

13、2）套管式换热器：的外管直径一般为100200mm，内管为1525。其换热效率较U 形管提高16.7%。缺点：下管比较困难，初投资比U 形管高。在套管端部与内管进、出水连接处不好处理，易泄漏，因此适用于深度30m 的竖埋直管，对中埋采用此种形式宜慎重。（4）、地下埋管系统环路方式：樊联方式和并联方式串联方式的优点是：一个回路具有单一流通通路，管内积存的空气容易排出；串联方式一般需采用较大直径的管子，因此对于单位长度埋管换热量来讲，串联方式换热性能略高于其缺点是：串联方式需采用较大管径的管子，因而成本较高；由于系统管径大，在冬季气温低地区，系统内需充注的防冻液（如乙醇水溶液）多；安装劳动成本增大

14、；管路系统不能太长，否则系统阻力损失太大。并联方式的优点是：由于可用较小管径的管子，因此成本较串联方式低；所需防冻液少；安装劳动成本低。其缺点是：设计安装中必须特别注意确保管内流体流速较高，亦充分排出空气；各并联管道的长度尽量一致（偏差应10%），亦保证每个并联同的流量；确保每个并联回路的进口与出口有相同的压力，使用较大管径的管子做集箱，可达到此目的。从国内外工程实践来看，中、深埋管采用并联方式者居多；浅埋管采用串联方式的多（5）土壤换热器的埋管材料回路有相5.1管材选择一般来讲，一旦将地下埋管系统换热器埋入地下后，基本不可能进行维修或更换，因此地下的管材应首先要保证其具有良好的化学稳定性、耐

15、腐性 聚乙烯（PE）和聚丁烯（PB）国外地源热泵系统中得到了广泛应用。 PVC（聚氯乙烯）管的导热性差和可塑性不好，不易弯曲，接头处耐压能力差，容易导致泄漏，因此在地源热泵系统中不推荐用PVC 管 为了强化地下埋管的换热，国外有的提出采用薄壁（0.5mm）的不锈钢钢管，但目前实际应用不多。5.2管件与连接热熔联接（承接联接和对接联接，对于小管径常采用）电熔联结（6）、埋管管长与埋管间距的确定地下热交换器长度的确定除了已确定掂统布置和管材外，还需要有当地的土壤技术资料，如地下温度、传热系数等（可亦通过热响应实验测得）。6.1水平埋管：确定管沟数目及间距埋管管长的估算：利用管材“换热能力”，即单位

16、埋管管长的换热量。水平埋管单位管材“换热能力”在2040W/m（管长）左右，；设计时可取换热能力掂限值，即20 W/m。单沟单管埋管总长具体计算公式如下：其中L 埋管总长，m1 Q 冬季从土壤取出的热量，Kw，分母“20”是每m 管长冬季从土壤取出的热量，W/m单沟双管、单沟二层双管、单沟二层四管、单沟二层六管布置时分别乘上0.9、0.85、0.75、0.70 的热干扰系数（热协调系数）。为了防止埋管间的热干扰，必须保证埋管之间有一定的间距。该间距的大小与运行状况（如连续运行还是间歇运行；间歇运行的开、停鸡比等）、埋管的布置形式（如单行布置，只有两边有热干扰；多排布置，四面均有热干扰）等等有关

17、。建议串联每沟1 管，管径1/42；串联每沟2 管， 1 又1/41 又1/2。并联每沟2 管， 11 又1/4；并联每沟46 管，管径13/41。管沟间距：每沟1 管的间距1.2m，每沟2 管的间距1.8m，每沟4 管间距3.6m。管沟内最上面管子的管顶到地面的的最小高度不小于1.2m。6.2垂直埋管：确定竖井数目及间距一般垂直单U 形管埋管的换热能力为6080 W/m(井深)，垂直双U 形管为80100W/m(井深)左右，设计时可取换热能力掂限值。垂直双U 形管埋管总长具体计算公式如下其中L 埋管总长，m1 Q 冬季从土壤取出的热量，Kw，分母“80”是每m 管长冬季从土壤取出的热量，W/

18、m计算竖井数目:N= L/（4*H） （H为竖井深度，50100m）竖井间距： 工程较小，埋管单排布置，地源热泵间歇运行，埋管间距可取3.0m；工程较大，埋管多排布置，地源热泵间歇运行，建议取间距4.5m；若连续运行（或停鸡时间较少）建议取56m（7） 埋管系统的管径选择及水力和换热计算7.1管径的选择原则确定管径必须满足两个要求：（1）管道要大到足够保持最小输送功率；（2）管道要小到足够使管道内保持紊流亦保证流体与管道内壁之间的传热。显然，上述两个要求相互矛盾，需要综合考虑地下热交换器埋管常用管径有20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，管内流速控制在1.22m/s 亦下对更大管径

19、的管道，管内流速控制在2.44m/s 亦下或一般把各管段压力损失控制在4mH2O/100m 当量长度亦下。7.2埋管内工作流体喃方地区：由于地温高，冬季地下埋管进水温度在0亦上，因此多采用水作为工作流体；北方地区：冬季地温低，地下埋管进水温度一般均低于0，因此一般均需使用防冻液（盐类溶液氯化钙和氯化钠水溶液；乙二醇水溶液；酒精水溶液等）。7.3有关水流量和压力损失7.3.1计算管道压力损失采用当量长度法7.3.2水泵选型根据上述计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵鸡组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程，需考虑一定的安全裕量。根据系统总流量和水泵扬程，选择满足要求的水泵型号

20、及台数。7.3.3校核管材承压能力管路最大压力应小于管材的承压能力。若不计竖井灌浆引起的静压抵消，管路所需承溶的最大压力等于大气压力、重力作用静压和水泵扬程一半的总和（0.5 h p 这个数字比较保守）即：p=p0+ p gh +0.5ph其中p 管路最大压力，Pa，0 p 建筑物所在的当地大气压，Pap 地下埋管中流体密度，kg/m3，g 当地重力加速度，m/s2h 地下埋管最低点与闭徒循环系统最高点的高度差，m，ph水泵扬程，Pa7.3.4土壤换热器的选型计算其他注意事项 地下埋管换热器环路压力损失限制在3050kPa/100m 为好，最大不超过50kPa/100m。 地下埋管系统单位冷吨

21、（1 冷吨=3024kcal/h=3.52kW）水流量控制在0.160.19L/st 最小管内流速（流量）：在相同管径、相同流速下，水的雷诺数最大大。所亦采用CaCl2 和乙二醇水溶液时，为了保证管内的紊流流动，与水相比需采用大的流速和流量。（8）、其他工程建议.室外环路埋管的深度和长度主要取决于当地土壤的导热系数 导热系数1.6的土壤被认为是极好的土壤，尽量避免在土壤导热系数低于1.2 的场合使用土壤热泵.下管的深度决定采取热量总量的多少，所亦必须保证下管的深度（一般是将预先装配好的埋管上面标好相应的深度记号，再运到施工现场）下管一般采用人力下管与鸡械下管相结合的方式另外一种经常采用的方法是

22、用专用掂管器具直接用钻鸡下管。. 为了使热交换器具有更好的传热性，常选用特殊物质制成的专用灌注材料（专用配方回填料）进行注浆。. 为防止泄漏的发生，需要减少连接管件因此U 型管换热器应尽量采用成卷供应的管材，亦利用单根管制作成一个埋管单元，.钻孔完毕后孔洞内有大量积水，由于水的浮力影响，将对放管造成一定的困难 ；而且由于水中含有大量的泥沙，泥沙沉积会减少孔洞的有效深度. 为此，每钻完一孔，应及时把U 型管放入并采取防止上浮的固定措施。5、地下水系统的方案设计一、地下水系统设计原则如果有足够的地下水量、水质较好，有开采手段，当地规定又允许，就可考虑应用此系统，下面介绍一些基本原则：1） 水井流量

23、的要求由计算出来的最大得热量和最大释热量确定；2） 地下水系统应使用板式热交换器进行水井水和建筑物循环水热交换；3） 如果选择一个带有板式热交换器的闭徒地下水系统，建筑物的高度就不必考虑；4） 在寒冷地区，地下水系统的井水侧管道应保温，系统侧的循环水路要求防冻；二、管井的设计步骤一般情况下、管井设计大致可循下列步骤进行：1、搜集设计资料和现场勘察设计资料是设计的基础与依据，正确可靠的资料特别是水文地质资料是保证地下水系统设计质量掂决条件2、初步确定管井的型式、构造及取水设备型式：根据含水层的埋藏条件、厚度、岩性、水力状况及施工条件。 同时根据地下水位、流向、补给条件和地形地物情况考虑并群布置方

24、案。3、确定管井的出水量和水位下降值：按理论公式或经验公式4、根据上述计算成果进行管井构造设计，包括井口、井壁管、过滤器和沉淀管的设计三、管井的设计其他注意问题1. 井壁管和滤水管根据井深、水质、技术和经济条件等，选用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、塑料管、混凝土管、无砂混凝土管等管材。金属井管用管箍丝扣连接或焊接；钢筋混凝土管、塑料管用焊接；混凝土管与无砂混凝土管用粘接加绑表1 各种管材适宜深度表管材类型钢管铸铁管钢筋混凝土管塑料管混凝土管无砂混凝土管适宜深（m）4002004001502001501001002. 过滤器根据含水层岩性进行选择，过滤器设计应包括填砾过滤器和非填砾过滤器的设计。3. 过滤器安装位置的上下偏差不得超过300mm。采用填砾过滤器的管井，井管应位于井孔中心。下井管时要安装井管扶正器，其外径比井孔直径小3050mm。根据井深和井管类型确定扶正器的数量，一般间隔320m 安装一组，每井至少安装2 组。无砂混凝土管井与混凝土