建筑环境与设备工程专业论文28191.docx
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1、香格里拉一别墅地源热泵空调系统设计Shangri-La villa ground -source heat pump air conditioning system design摘 要地源热泵是一种利用浅层和深层的大地能量,包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源,然后再由热泵机组向建筑物供冷供热的系统,是一种利用可再生能源的既可供暖又可制冷的新型中央空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能),实现由低温位热能向高温位热能转移。通常地源热泵消耗1kw的能量,用户可以得到4kw以上的热量或冷量。本课题主要是研究地源热泵空调系统对南京某别墅夏季制冷,冬季供热的设计方案。本
2、方案地下换热器埋管方式采用垂直U型埋管,解决了传统空调运行效率低、耗电量大、运行费用高、噪音大、维护费用高及会产生霉菌污染、使用寿命短等缺点。真正做到了高效、节能、环保、舒适的要求。关键词:地源热泵;空调系统;垂直埋管AbstractGround source heat pump is a kind of shallow and deep earth energy, including soil, groundwater, surface water and other natural energy sources as the winter heat and summer cooling s
3、ource, and then by the heat pump unit to the building cooling and heating system is akinds of renewable energy both heating but also cooling the new central air conditioning system. Ground -source heat pump heat transfer by entering the small number of high-grade energy (eg electricity), to achieve
4、by the low level heat energy to the high-temperature bit. Usually ground source heat pumps consume 1kw of energy, the user can get more than 4kw heat or cold. The main topic is the design of the study of ground source heat pump system to Nanjing for a villa in summer cooling and winter heating. This
5、 program the ground heat exchanger pipe way vertical U-shaped pipe to solve the low operating efficiency of conventional air conditioning, power consumption, high operating costs, noise, maintenance costs and will have mold contamination, short life shortcomings. It can achieve efficient, energy sav
6、ing, environmental protection, comfort requirements.Keywords: Ground source heat pump; air-conditioning systems; vertical pipeII目 录第一章 绪论31.1 研究背景31.2 地源热泵发展简史31.2.1 国外地源热泵发展31.2.2 国内地源热泵发展31.3 地源热泵的发展趋势31.4 地源热泵的优点3第二章 空调系统设计依据32.1 室外气象参数32.2 室内设计参数确定32.3 设计范围32.4 设计原则3第三章 负荷计算33.1 冷负荷计算33.1.1 外墙和屋
7、面瞬变传热引起的冷负荷33.1.2 内围护结构冷负荷33.1.3 外玻璃窗逐时传热形成的冷负荷33.1.4 透过玻璃窗的日射得热形成的冷负荷33.1.5 设备散热形式的冷负荷33.1.6 照明散热形式的冷负荷33.1.7 人体散热形成的冷负荷33.2 人体散湿负荷33.3工程负荷统计3第四章 末端设备选型34.1 风机盘管的选型3第五章 空调水系统水力计算35.1 空调水系统的设计35.1.1 空调水系统的设计原则35.1.2 空调供回水管的水力计算35.2 空调水系统的水力计算35.3 空调立管的水力计算35.3.1 计算依据35.3.2 计算公式35.3.3 计算结果(回水管同程系统)35
8、.4 冷凝水管道设计35.4.1 设计原则35.4.2 管径确定35.5 水系统安装要求3第六章 空调风系统设计36.1 风系统设计的一般原则36.2 新风机组的确定36.3 风口3第七章 地源热泵机组选择计算37.1 地源热泵机组选型计算37.2空调循环水泵设计计算37.2.1 水泵流量的确定37.2.2 水泵扬程的确定3第八章 地下埋管的设计与计算38.1 冬夏季地下换热量的确定38.2 确定地下换热器的埋管形式38.3 确定管路连接方式38.4 地下换热器埋管管材及管径的确定38.4.1 埋管管材的确定38.4.2 确定管径38.5 竖井埋管管长的确定38.6竖井数目及间距的确定38.6
9、.1竖井数目的确定38.6.2 竖井间距的确定38.7 地下换热器系统的水利计算38.8地下换热器循环水泵的选型38.8.1 循环水泵的确定38.8.2 水泵配管布置38.9 阀门安装3结 论(或结语)3致 谢3参 考 文 献3 江苏科技大学本科毕业设计(论文)第一章 绪论1.1 研究背景地热是一种可再生的自然能源。虽然目前它的应用还不像传统能源(煤、石油、天然气、水力能和核能)那样广泛,但是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匮乏的今天,许多国家已经对地热能的利用有了相当的重视。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,进行能量转换的高
10、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),实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源,即在冬季,把地能中的热量取出来,提高温度后,供给室内采暖;夏季,把室内的热量取出来,释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kw的能量,用户可以得到4kw以上的热量或冷量。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、地热能而蕴藏的低位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器,收集了大约47%的太阳能,要比人类每年利用能量的500倍还多。它不仅不受地域、资源等限制,而且无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源,使得地源也
11、成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵中央空调系统与锅炉(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
12、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 地源热泵发展简史地源热泵自1912年被提出距今已经整整100年了,美国是世界上地源热泵生产、使用和发展的头号大国,美国安装的地源热泵的台数从1985年的14,000台迅速发展到 2005年的1,000,000台。2005年加拿大的地源热泵系统新增比例增加了50%。而瑞士、挪威是世界上地源热泵应用人均比例最高的国家,应用比例高达96%。奥地利应用比例为45%。丹麦应用比例为35%。日本是亚洲地源热泵技术最先进,使用比例最高的国家。1
13、.2.1 国外地源热泵发展“地源热泵”的概念,最早于1912 年由瑞士的专家提出,而该技术的提出始于英、美两国。1946年,美国第一台地源热泵系统在俄勒冈州的波兰特市中心区安装成功。1973年,美国阿克拉荷马大厦安装了地源热泵空调系统,并且进行全面的系统研究。1978年,美国能源部(DOE)开始对地源热泵投入了大量的科技研发基金。1979年,美国阿克拉荷马州能源部成立了地源热泵系统科技研发基金会。1987年,国际地源热泵协会(IGSHPA)在阿克拉荷马州大学成立。1988年,美国俄克拉荷马商务部开始对地源热泵进行商务推广。 1993年,美国环保署(EPA)大力宣传地源热泵系统,加深美国民众对地
14、源热泵的认识。1994年,美国政府第一套地源热泵空调系统在俄勒冈州国会大学安装,地源热泵从此在美国政府,军队,电力公司等得到了大量应用。1998年,美国环保署(EPA)颁布法规,要求在全国联邦政府机构的建筑中推广应用地源热泵系统。美国总统布什在他的得克薪斯州宅邸中也安装了地源热泵空调系统。目前,全球75%的地源热泵系统安装在北美地区。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
15、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
16、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。1.2.2 国内地源热泵发展我们国家对地源热泵技术的研究开发起步较晚,上世纪50年
17、代,天津大学对热泵技术进行了相关的研究,直到上世纪80年代末,国内各大院校才开始掀起研究地源热泵的热潮。近几年,地源热泵技术开始推广,并实现了中小规模生产,目前,国内市场主要以常温地源热泵机组为主,国内也有一些公司也推出了高温地源热泵机组,出水温度可达75以上,这项技术填补了国内空白。从工程看,国内地源热泵系统应用主要以大型工程为主,小型空调系统应用地源热泵较少,主要应用于别墅建筑。从发展态势来看,地源热泵正在走一个规范化的道路,需要建立一个行业标准,国家出台了地源热泵供暖空调技术规程将对今后的地源热泵工程起到重要的指导作用。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
18、了工程的应用,当时主要用于冬季的供暖。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
19、与美国能源部共同签署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;199
20、8年湖南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。中国(China)1997年,美国能源部(DOE)和中国科技部签署了中美能效与可再生能源合作议定书,其中主要内容之一是“地源热泵”项目的合作。1998年,国内重庆建筑大学、青岛建工学院、湖南大学、同济大学等数家大学开始建立了地源热泵实验台,对地源热泵技术进行研究。2006年1
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