畢業論文地源熱泵空調系統的研究
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1、 畢 業 論 文題 目： 地源熱泵空調系統的研究系 部： 土木工程系 專 業： 建筑設備工程技術專業 班 級： 0931班 姓 名： 學 號： 200904043131 指導教師： 2011年 11 月 16 日內容摘要地源熱泵是利用水與地能（地下水、土壤或地表水）進行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地能中的熱量"取"出來，供給室內采暖，此時地能為"熱源"；夏季把室內熱量取出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地能為"冷源"。通常地源熱泵消耗1kW的能量，用戶可以得到4kW以上的熱量或冷量。與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐
2、供熱只能將90%以上的電能或7090%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源（也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源，即在冬季，把地能中的熱量“比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為1025，其制冷、制熱系數可達3.54.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的5060。因此，近十幾年來，尤其是近
3、五年來，地源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術 關鍵字： 地源熱泵 換熱器 側盤管 風機 空氣過濾器目 錄第一章 地源熱泵的簡介4 一、地源熱泵的產生和定義4 二、地源熱泵的主要用途及特點 5 三、地源熱泵的分類6第二章 地源熱泵的結構和工作原理 8 一、地源熱泵的組成與基本結構8 二、地源熱泵的工作原理簡介11第三章 DS040型地源熱泵機組的設計12 一、DS040型機組制冷劑的選擇16 二、DSO40型機組壓縮機的選擇16 三、DSO40型機組換熱器的選擇
4、16 四、DSO40型熱泵機組外殼設計18第四章 熱泵機組的安裝與調試19 一、機組組件的安裝19 二、機組的調試、常見故障及簡單故障的處理方法19設計體會 21致 謝22參考文獻23 DS040型地源熱泵機組安裝流程設計第一章 地源熱泵的簡介一、地源熱泵的產生和定義進入90年代后，我國的居住環境和工業生產環境都已廣泛地應用空調，空調技術已成為衡量建筑現代化水平的重要標志之一 。90年代中期，由于大中城市電力供應緊張，供電部門開始重視需求管理及削峰填谷，蓄冷空調技術提到了議事日程。近年來，由于能源結構的變化，促進了吸收式冷熱水機組的快速發展，以及熱泵技術在長江中下游地區的應用。1. 地源熱泵的
5、產生地源一詞是從英文“ground source”翻譯而來，漢語的內涵則十分廣泛，應包括所有地下資源的含義。地源熱泵技術產生于1912年，距今已有百年歷史。在空調業內，目前僅指地殼表層（小于400米）范圍內的低溫熱資源，它的熱源主要來自太陽能，極少能量來自地球內部的地熱能。地球表面的水體和土、巖石是一個巨大的太陽能集熱器，收集47%的太陽輻射熱能，這個能量比人類每年利用能量的500倍還要多，它幾乎是無限的可再生的能源。而地源熱泵的技術思路則是以少量高品位能源（電能），實現低品位熱能向高品位轉移。地源介質在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季制冷的冷源。即在冬季把地源介質中的熱量“吸取“出來，提高循環介
6、質溫度后，供人采暖；夏季把室內的熱量取出來，釋放到地源介質中去，由地源介質將其儲存。2. 地源熱泵的定義地源熱泵是以地球表面淺層土壤作為熱源（熱匯），將傳統空調的冷凝器（或蒸發器）中需要排放（或吸收）的熱量通過中間介質（通常是水）作為載體，并使中間介質在封閉環路中通過大地循環流動，從而實現與大地進行冷熱交換的目的。二、地源熱泵的主要用途及特點1. 地源熱泵的主要用途地源熱泵系統的能量來源于自然能源。它不向外界排放任何廢氣、廢水、廢渣、是一種理想的“綠色空調”。被認為是目前可使用的對環境最友好和最有效的供熱、供冷系統。該系統無論嚴寒地區或熱帶地區均可應用。可廣闊應用在辦公樓、賓館、學校、宿舍、醫
7、院、飯店、商場、別墅、住宅等領域。2. 地源熱泵的特點(1)利用可再生能源：屬可再生能源利用技術,地源熱泵從常溫土壤或地表水（地下水）中吸熱或向其排熱，利用的是可再生的清潔能源，可持續使用。(2)高效節能，運行費用低：屬經濟有效的節能技術?地源熱泵的冷熱源溫度一年四季相對穩定，冬季比環境空氣溫度高，夏季比環境空氣溫度低，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統空調系統運行效率要高40%，因此要節能和節省運行費用40%左右。另外，地能溫度較恒定的特性，使得熱泵機組運行更可靠、穩定，也保證了系統的高效性和經濟性。(3)節水省地：以土壤(水)為冷熱源，向其放出熱量或吸收熱量，不消耗水資源，不會對其造
8、成污染。 省去了鍋爐房及附屬煤場、儲油房、冷卻塔等設施，機房面積大大小于常規空調系統，節省建筑空間，也有利于建筑的美觀。(4)環境效益顯著?該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區內，在供熱時，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，不會產生城市熱島效應，對環境非常友好，是理想的綠色環保產品。 (5)運行安全穩定，可靠性高：地源熱泵系統在運行中無燃燒設備，因此不可能產生二氧化碳、一氧化碳之類的廢氣，也不存在丙烷氣體，因而也不會有發生爆炸的危險，使用安全。燃油、燃氣鍋爐供暖，其燃燒產物對居住環境污染極重，影響人們的生命健康。由于土壤深處溫度非常恒定，主機吸熱或放熱
9、不受外界氣候影響，運行工況非常穩定，優于其它空調設備。不存在空氣源熱泵供熱不足，甚至不能制熱的問題。整個系統的維護費用也較鍋爐制冷機系統大大減少，保證了系統的高效性和經濟性。維修量極少，折舊費和維修費也都大大地低于傳統空調。(6)一機兩用，應用范圍廣地源熱泵系統可供暖、制冷，一套系統可以代替原來的鍋爐加制冷機的兩套裝置或系統。可應用于賓館、商場、辦公樓、學校等建筑，更適合于住宅的采暖、供冷。 (7)自動運行 地源熱泵機組由于工況穩定，所以可以設計簡單系統，部件較少，機組運行簡單可靠，維護費低；自動控制程度高，可無人值守；此外，機組使用壽命長，均在20年以上。 三、地源熱泵的分類地源熱泵在國內也
10、被稱為地熱泵。根據利用地熱源的種類和方式不同可以分為以下3類：土壤源熱泵或稱土壤耦合熱泵（GCHP）、地下水熱泵（GWHP）、地表水熱泵（SWHP）。1. 土壤源熱泵土壤源熱泵以大地作為熱源和熱匯，熱泵的換熱器埋于地下，與大地進行冷熱交換。土壤源熱泵系統主機通常采用水水熱泵機組或水氣熱泵機組。根據地下熱交換器的布置形式，主要分為垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管類。垂直埋管換熱器通常采用的是型方式，按其埋管深度可分為淺層（ ），中層（ ）和深層（ ）種。埋管深，地下巖土溫度比較穩定，鉆孔占地面積較少，但相應會帶來鉆孔、鉆孔設備的經費和高承壓埋管的造價提高。總的來說，垂直埋管換熱器熱泵系統優勢在于：（
11、）占地面積小；（）土壤的溫度和熱特性變化小；（）需要的管材最少，泵耗能低；（）能效比很高。而劣勢主要在于：由于相應的施工設備和施工人員的缺乏，造價偏高。水平埋管換熱器有單管和多管種形式。其中單管水平換熱器占地面積最大，雖然多管水平埋管換熱器占地面積有所減少，但管長應相應增加來補償相鄰管間的熱干擾。水平埋管換熱器熱泵系統由于施工設備廣泛使用而且施工人員易找，又加上許多家庭有足夠大的施工場地，因此造價就可以減下來。除需要較大場地外，水平埋管換熱器系統的劣勢還在于：運行性能上不穩定（由于淺層大地的溫度和熱特性隨著季節、降雨以及埋深而變化）；泵耗能較高；系統效率降低。蛇行埋管換熱器比較適用于場地有限又
12、較經濟的情況下。雖然挖掘量只有單管水平埋管換熱器，但是用管量會明顯增加。這種方式優缺點類似于水平埋管換熱器，所以有的文獻將其歸入水平埋管換熱器。2. 地下水熱泵在土壤源熱泵得到發展以前，歐美國家最常用的地源熱泵系統是地下水熱泵系統。目前在民用中已經很少使用，主要應用在商業建筑中。最常用的系統形式是采用水水式板式換熱器，一側走地下水，一側走熱泵機組冷卻水。早期的地下水系統采用的是單井系統，即將地下水經過板式換熱器后直接排放。這樣做，一則浪費地下水資源，二則容易造成地層塌陷，引起地質災害。于是產生了雙井系統，一個井抽水，一個井回灌。地下水熱泵系統的優勢是造價要比土壤源熱泵系統低，另外水井很緊湊，不
13、占什么場地，技術也相對比較成熟，水井承包商也容易找。其劣勢就在于：（）有些地方法規禁止抽取或回灌地下水；（）可供的地下水有限；（）如水質不好或打井不合格要注意水處理；（）如泵選擇過大、控制不良或水井與建筑偏遠，泵耗能就會過大。3. 地表水熱泵地表水熱泵系統主要有開路和閉路系統。在寒冷地區，開路系統并不適用，只能采用閉路系統。總的來說，地表水熱泵系統具有相對造價低廉、泵耗能低、維修率低以及運行費用少等優點。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他設備容易受到損害。另外，如果湖泊過小或過淺，湖泊的溫度會隨著室外氣候發生較大的變化，這就會產生效率降低、制冷或供熱能力降低的后果。第二章 地源熱泵的結構和
14、工作原理一、 地源熱泵的組成與基本結構冷熱空調系統是由下列部分所組成：地源熱泵機組、循環水泵、水管環路、水系統控制箱和室內溫控器等。地源熱泵空調機組是一種水冷式的供冷/供熱機組。機組由封閉式壓縮機、同軸套管式水/制冷劑熱交換器、熱力膨脹閥(或毛細膨脹管)、四通換向閥、空氣側盤管、風機、空氣過濾器、安全控制等所組成。機組本身帶有一套可逆的制冷/制熱裝置，是一種可直接用于供冷/供熱的熱泵空調機組。圖2-1 地源熱泵機組的結構圖 圖2-2 板式換熱器 圖2-3 壓縮機 圖2-4 冷凝器 圖2-5 四通換向閥 圖2-6 蒸發器圖2-7 冷熱空調系統的工作過程示意圖二、地源熱泵的工作原理簡介1.制冷工況
15、空調房間的冷負荷連同壓縮機的功所轉化的熱量被排入大地。根據圖2-1，室外埋管換熱器1與換熱器 （圖2-2）（此時換熱器 2 在熱泵機組中起冷凝器的作用）之間通過管道連接成一個封閉的回路，在水泵 7 的作用下，水在回路中往復循環，在換熱器（圖2-2）（冷凝器）中吸收制冷劑的熱量，通過室外埋管換熱器 1 傳入大地；2.供熱工況根據圖2-1，從壓縮機（如圖2-3） 出來的制冷劑經換向閥 （如圖2-5） 作用換向，此時換熱器 （如圖2-2）轉換成為熱泵機組的蒸發器，循環水流經室外埋管換熱器 1 時吸收大地中的熱量，在換熱器（如圖2-6）（蒸發器）中釋放給制冷劑。在室內側，同樣既可以通過水的循環進行熱量
16、傳遞，也可以使制冷劑直接流經房間換熱器與空氣進行熱交換。第三章 DS040型地源熱泵機組的設計熱泵機組的設計要求：DS040地源熱泵機組設計給定參數如下 制冷量（KW）: 30 制熱量（KW）: 65 制冷功率（KW）: 7.7 制熱功率（KW）: 10.8 負荷側水流量(m3/h):6.28 地源側水流量(m3/h):7.6 負荷側進出水溫度（oC）:12/7 地源側進出水溫度（oC）:30/25一、DS040型機組制冷劑的選擇按“空調工況”進行設計，熱負荷為30Kw/h,采用水冷卻型式，根據氣象參數，冷卻水平均水溫為32，取tk=40（t=8），冷媒水水溫為進水18，出
17、水8，取t0=0（t=8）。1.根據tk=40，t0=0，制冷量為40Kw進行初步熱力計圖3-1 理論循環裝置圖 圖3-2 LgPh圖表3-1各制冷劑性能比較表制冷劑狀態點1的焓值（KJ/Kg）狀態點2的焓值（KJ/Kg）狀態點3的焓值（KJ/Kg）狀態點4的焓值（KJ/Kg）冷凝壓力Pk（MPa）質量流量G（Kg/s）壓縮功W（Kw）制冷系數R12350.8371.8240.0240.00.960.2715.695.28R22405.1433.7249.7249.71.530.1935.525.43R7171462.21646.7390.6390.61.560.0285.175.81R134
18、a398.6429.6256.4256.41.020.2116.544.59其中q0=h1-h4,w=h2-h1, qk =h2-h3，Q0=G* q0，W=w*G，Qk=G*qk表3-2各制冷劑的特點比較表制冷劑特點R12R12是氟利昂簇制冷劑中最早得到廣泛應用的一種傳統制冷劑。特別是它的冷凝壓力較低，等熵指數較小，因此在相同的高低溫介質溫度條件下，它的排氣溫度和壓力較氨和R22低，在空調、小型冷庫、冷柜、電冰箱制冷系統中，一直長期使用。但R12的單位容積制冷量較小，遠低于氨和R22，因此在空調制冷系統中，逐漸被R22所替代。目前主要應用在中、小型低溫制冷系統及車輛空調制冷系統中。R22R2
19、2的綜合性能極佳，具有良好的熱力性能。如：運行壓力適中；單位容積制冷量大僅次于氨；等熵指數較小；而且無毒、無燃燒及無爆炸等優點。R22的出現并隨其價格的逐漸降低，它在空調制冷系統中得到了廣泛應用。R717R717除了毒性大以外，是一種很好的制冷劑。它的最大優點是單位容積制冷量大，蒸發壓力和冷凝壓力適中，制冷效率高；而且，破壞臭氧層潛能值ODP和溫室效應潛能值WGP均為0。氨的最大缺點是有強烈的刺激性，對人體有害。氨中含有水分對銅和銅合金有腐蝕作用。R134aR134a的容量比R22小，壓力比R22低，不發生漂移。由于這些特點，相同能力的R134a空調需要配置一臺更大排氣量的壓縮機，更大的蒸發器
20、、冷凝器和管路。最終所導致的是，制造和運行一個和R22相同冷量的系統，R134a系統會需要更高的成本。表3-3各制冷劑的比較表制冷劑冷凝壓力Pk制冷系數ODPGWPR120.965.280.98500R221.535.470.0341900R7171.56.5.8000R134a1.024.5601300其中，ODP是破壞臭氧層潛能值。WGP是溫室效應潛能值綜上所述，從技術、環境、經濟三方面考慮，R22單位容積制冷量大，等熵指數較小，冷凝壓力較低，它對大氣臭氧層稍有破壞作用，值為.，值為，：R22的綜合性能極佳，具有良好的熱力性能。R22是最優的制冷劑，所以此制冷機組選制冷機為R22.2. 根
21、據所選的制冷劑完成熱力計算圖3-3 回熱循環裝置圖制冷劑為R22，tk=40，t0=0，回熱器的過熱度為t=10，熱力膨脹閥的過熱度為t=5，表3-4 R22制冷劑性能參數表焓值狀態點1狀態點2狀態點3狀態點4狀態點5狀態點6狀態點7蒸發壓力P0冷凝壓力Pkh（KJ/Kg）405.1409.2416.2446.1249.7242.7242.70.501.53 q0=h2-h7=166.5w=h4-h3=29.9qk =h4-h5=196.3qt= h3-h2=7G=Q0/q0=0.18制冷系數為q0/w=5.57,Qk=G×qk=0.18×196.3=35.334kwPk/
22、 P0=1.53/0.50=3.0623、作靈活等特點。工作溫度t150，工作壓力P0.1Mpa。涉及公式：換熱器傳熱面積：F =Q/(K×B×T)，m2Q換熱量，W；K傳熱系數，W/(m2)；B結垢系數,水-水換熱器取0.80.7；T對數平均溫差，。對數平均溫差：T=(Th1-Tc2)+(Th2-Tc1)/2 , Th1、Tc2熱媒入口及出口處的最大，最小溫差值, 。加熱介質為熱水的流量： G =0.86Q/(t1-t2)，kg/h t1、t2加熱水的進出口溫度,2.換熱器相關計算：對數平均溫差：T=(Th1-Tc2)+(Th2-Tc1)/2 =(30-12)+(25-7)/2 =18確定傳熱系數K：假定冷水側水
24、流速vc=0.4m/s,則熱水側vh=0.8m/s。(0.4*1.0=0.4,1.0為熱水側與冷水側溫差的比值，冷水側t=18，熱水側t=18，則18/18=1.0)所需換熱面積：傳熱系數K由實用供熱空調設計手冊中查得K=480W/(m2)F =Q/(K×B×T) =35000/(480×0.7×18) =5.787m2選用ZL50V型板式換熱器 單片傳熱面積為0.0525m2，則需要換熱器片數：n=5.787/0.0525=110片驗算傳熱系數K 通道截面積為0.001313m2；通過流量:G =0.86Q/tc =0.86×35000/18
25、 =1672kg/h串聯片數：n=110/2=55片最后按廠家給出的ZL50V型組合片數選用ZL50V-55板式換熱器2個：總傳熱面積5.787 m2，總片數：110片。四、DS040型熱泵機組外殼設計機組外殼設計應遵循以下原則：1 有足夠的機械強度；2 美觀、大方；3在為所有制冷組件的組裝提供足夠的空間前提下盡量減小其外型尺寸。機組加工鈑金圖：（見附錄一）4安裝后的熱泵機組三維圖：4-1 DS040型機組三維效果圖第四章 熱泵機組的安裝與調試一、機組組件的安裝1壓縮機的安裝把已檢測好的壓縮機固定在底架鈑金上，用M16的螺栓固定，安裝時一定要注意壓縮機不能傾斜，防止壓機油泄漏。壓縮機的出口銅管
26、上焊好針閥與高壓閥的，壓機的一端接冷凝器，另一端接蒸發器。2.四通換向閥的安裝四通換向閥的入口連接在壓縮機的出口端，四通換向閥的三個出口端分別接冷凝器、壓縮機入口端、蒸發器、。3.冷凝器、蒸發器的安裝冷凝器與蒸發器的安裝相同，冷凝器或蒸發器連接在地源水循環系統中，另一端接在負荷水循環系統中，制冷與供熱工況相互轉換時，冷凝器與蒸發器的作用也隨之互換。4.板式換熱器的安裝板式換熱器的地源進水端、出水端與負荷水進水端、出水端位置相反，達到對流的效果，起到能量換熱的作用。二、機組的調試、常見故障及簡單故障的處理方法機組的調試是最后一道程序，先給各個管道打壓，檢查是否漏水，打壓完成后保壓2-3天，壓力不
27、掉說明管道正常，沒有漏水的地方，再開泵進行機組的測試。若調試機組過程中發現故障，應如下解決：（1） 機組報水流故障 當機組報水流故障時，先檢查水流開關是否得電，得電沒沖開說明水流小，應當補水使得水流開關沖開，如還未沖開，檢查水流開關的銅片是否短小，影響水流效果，換負荷規格的銅片即可。、若不得電，檢查水流開關是否接上電源，或電路故障。（2） 機組報低壓故障當機組報低壓故障時，說明負荷水流量小，及時補水即可。（3） 機組報高壓故障當機組報高壓故障時，說明機組缺氟，及時在高壓閥上補氟設計體會通過這次撰寫論文，我學到了很多新的知識，更把過去在校所學的很多零散知識串成了一個整體;對地源熱泵空調系統有了一
28、個比較完整的認識和了解，并系統的掌握了安裝流程設計的過程和方法。因為受本身的思維和知識水平限制，導致設計中鮮有創新之處，自視很不滿意，但這篇設計終究是自己動腦動手一點一點做出來的，這使我在遺憾之余稍感欣慰。設計內容中的每一步，我都做了認真的考慮，在這樣點滴考慮與思量過程中，我漸漸摸索到空調設計的要點，也逐漸清晰了解了整個設計過程。通過這次撰寫論文我收獲很多，比如學會了查找相關資料相關標準，分析數據，提高了自己的繪圖能力、故障排除和分析能力，懂得了許多經驗的獲得是前人不懈努力的結果等。相信本人會在以后的工作過程中，將理論結合實踐，經過不懈的努力，取得更大的進步。這次設計過程是對自己大學所學專業知
29、識的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然自己大學要畢業了，但是自己的求學之路還很長，更應該在今后的工作中不斷地進行學習，不斷充實自己的人生。由于本人能力有限，時間倉促,本設計中不足之處，謹望各位老師批評指正,以待日后改正。致 謝本人在設計過程中，遇到過許多困難和難題，在齊老師的指導以及同學、朋友和公司前輩的大力幫助和鼓勵下，這些困難得以一一解決，直至今天成功完成這份畢業設計。遇到瓶頸時，是齊老師和同組同學們在我身邊給我幫忙，為我打氣，支持我堅持到最后。碰到難題時，是齊老師和同公司前輩們大力援助，通力解決，使難題一一化解。在此，本人對這些在此次畢業設計中給予我巨大幫助幫助的人們表示深深地感
30、激！此次畢業設計過程中，齊老師的敬業精神和奉獻精神讓我深受感觸，是他用他孜孜不倦的敬業精神，讓我領會了自己在以后的工作中該有的態度。我會在今后的工作中謹記齊老師的教誨，借以鞭策自己走向新的人生高度。最后，在這里我衷心感謝大學三年一路走來關心、教誨過我的老師們，特別感謝此次指導我完成畢業設計的齊老師以及給予我很大幫助的同組同學，謝謝你們！參考文獻1空氣調節用制冷技術. 彥啟森主編. 中國建筑工業出版社，2004年2實用制冷與空調工程手冊手冊. 尉遲斌主編. 機械工業出版社，2005年 3小型制冷裝置設計指導. 吳業正主編. 機械工業出版社，2004年4制冷原理與裝置. 鄭賢德主編. 機械工業出版社，2003年5板式換熱器的設計計算.張治川著. 江蘇科學技術出版社,2007年 點評：論文分析不夠深入，技術數據不夠完善。機組安裝與調試內容編寫較為簡單可多增加安裝 與調試工藝方面的內容。
