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畢業(yè)設計（論文）學生自查表 （中期教學檢查用） 學生姓名 專業(yè) 熱能與動力工程 班級 指導教師姓 名 課題名稱 采用U型地埋管換熱器的地源熱泵空調系統(tǒng)設計 個人作息時 間 上午 自 8 時 至 11：30 時 下午 自 15 時 至 18時 晚上 自 19：30 時 至 21：30 時 工作地點 上午 宿舍 下午 教室 晚上 教室 個人精力實際投入 日平均工作時數(shù) 8.5h 周平均工作時數(shù) 6.5h 迄今缺席天數(shù) 3天 出勤 率% 95% 指導教師每周指導次數(shù) 2次 每周指導 時間（小時） 4h 備注 無 畢業(yè)設計（論文）工作進度 已完成的主要內容 % 待完成的主要內容 % 1.初步確定制冷系統(tǒng)方案 2.空調系統(tǒng)的熱力計算 3.冷凝器的設計計算 4.蒸發(fā)器的設計計算 45 1.該制冷系統(tǒng)圖的系統(tǒng)的設計 2.管路及輔助設備的設計和選用 3.繪制冷凝器，蒸發(fā)器等零部件圖，制冷系統(tǒng)圖的設計 55 存在問題 1. 各理論知識點掌握得不夠扎實，使得設計速度不夠理想； 2. 設計思路不夠明確； 3.力學計算方面能力名下不足。 指導教師簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目 采用U型地埋管換熱器的地源熱泵空調系統(tǒng)設計 專業(yè) 學號 姓名 一、原始資料及技術條件 1.采用垂直地埋管，地溫18℃， 2.豎井內徑120毫米兩個，間距6米，每米管子換熱量0.05Kw。 3.采用U型高密度聚乙烯管作為土壤換熱器材料，管徑25.4毫米。 4.地埋管換熱器進水溫度：35℃；循環(huán)水回水溫度16℃。 5.制冷劑：R22 6.制冷功率7kw,蒸發(fā)溫度：7.8℃，冷凝溫度50℃ 7. 制熱工況： 土壤換熱器來水溫度：10℃；循環(huán)水回水溫度38℃ 蒸發(fā)溫度：5℃，冷凝溫度：54℃； 一、 主要內容 1.．設計冷凝器 冷凝器：采用套管式冷凝器和低肋管。 2．設計蒸發(fā)器 蒸發(fā)器：采用套管式蒸發(fā)器和低肋管。 至少一個采用上計計算設計。 3.方案選擇與論證，設計計算及說明，選擇壓縮機。 地源的空調系的特點，制冷性能分析、工況及運行方式、冷凝器及蒸發(fā)器的設計計算，在設計工況下的制冷量，工質流量，土壤換熱器水流量及管長。同時計算制熱工況的供熱功率，。 三、基本要求 1.認真進行實習(調研)、完成實習(調研)報告。 2.閱讀文獻寫出文獻綜述。 3.按統(tǒng)一格式完成開題報告。 4.閱讀英文文獻，并譯成中文(不少于5000漢字)。 5.設計計算至少有兩部分為上機計算。 6.規(guī)范繪制圖樣，上機繪圖不少于二張裝配圖、一張零件圖。 7.英中文對照摘要，中文不少于400 字。 8.按統(tǒng)一格式編制設計說明書，不少于 30000字。 9.有全部設計的紙介質文檔和電子文檔。 四.完 成 期 限： 指導教師簽章： 專業(yè)負責人簽章： 外文翻譯 題 目 采用U型地埋管換熱器的 地源熱泵空調系統(tǒng)設計 學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 （系） 指導教師 完成時間 地源熱泵系統(tǒng)的技術應用分析 Stuart J. Self *, Bale V. Reddy, Marc A. Rosen Faculty of Engineering and Applied Science, University of Ontario Institute of Technology, 2000 Simcoe Street North, Oshawa, Ontario, Canada L1H 7K4 摘要 對于一個學校的循環(huán)地源熱泵系統(tǒng)，我們對它使用了四種不同的熱泵和換熱管系統(tǒng)，得到了一份詳細的能源消耗分析。對于每一個區(qū)域，我們采用一個單獨的循環(huán)系統(tǒng)，包含單獨的循環(huán)回路熱泵，以及三種重要系統(tǒng)（流速不斷變化的熱泵，流速恒定的熱泵和二級熱泵回路）都考慮在內。單獨的循環(huán)系統(tǒng)能耗是13100kwh每年，變流速循環(huán)熱泵每年消耗18800kwh，恒定流速熱泵系統(tǒng)每年消耗108600kwh，兩級熱泵每年消耗65500kwh。設計數(shù)據(jù)，建立回路，控制熱泵，分析數(shù)據(jù)，繪制表格。 關鍵詞 熱力 地熱能 熱泵 蓄能 效率 經濟 引言 地源熱泵系統(tǒng)包含四種不同子系統(tǒng)：（1）地源熱交換系統(tǒng)（2）地面的熱泵系統(tǒng)和房間內的循環(huán)管路用來連接熱交換器和熱泵系統(tǒng)（3）水循環(huán)熱泵系統(tǒng)（4）空氣處理系統(tǒng)。設計者往往花費大量的能源和資源給地源熱交換系統(tǒng)，因為地源熱交換系統(tǒng)是一個新穎的熱交換組合對于大多數(shù)的暖通設計工程師。不幸的是，從而忽略了對其他三個組成部分的關注。很多傳統(tǒng)的熱交換系統(tǒng)其實可以全面地代替這種高效的冷熱交換。當土壤中回路被準確地設計和安裝，高效的水源熱泵按指定的條件，地源熱泵系統(tǒng)確實是高效的。然而這種高要求和熱泵的能源使用可以導致設備體積過大，對管材的要求高，特別是系統(tǒng)設備的準確控制都要引起我們的關注。 對于商業(yè)建筑和公共建筑地源熱泵管道回路的設計程序主要取決于建筑訂約人通過術要求和暖通技術工程師。在二十世紀七十年代，地源熱泵系統(tǒng)在居民住宅的空氣調節(jié)中有了很大的發(fā)展。在一些地區(qū)，這種發(fā)展慢慢進入一些商業(yè)建筑，這些系統(tǒng)的設計往往都是沒有專業(yè)的設計師，管道網絡的設計趨向于復雜的有分功率和濕轉子泵的單獨回路，僅僅通過壓縮機的傳遞來關閉水泵系統(tǒng)。在一些情況下，幾個熱泵裝置通過一個簡單的泵或者復雜的循環(huán)器連接在簡單回路。如果一個單獨的水泵在工作，它會被要求頻繁地持續(xù)運轉；如果一個循環(huán)器在工作，一般它會隨著壓縮機一起工作。然而，安裝一個檢查閥門在每個裝置的出口是非常重要的，用來防止其他裝置的回流當機組停止工作時。 第二個地源熱泵設計技術的關鍵來自于暖通設計師協(xié)會，建立了良好的冷卻水系統(tǒng)和水循環(huán)熱泵空調機組。關鍵的空調機組通常安裝在一個特定的人工機房，建筑內部的管道回路（通常用碳鋼材料的管道）連接著地面管道回路集管。兩級熱泵機組的設計非常普遍，建筑內循環(huán)泵持續(xù)運轉，地面循環(huán)泵只有在管道回路中的溫度低于或者超過設定的溫度才會工作。在一些情況下，一個循環(huán)泵同時控制著房間內和地面的循環(huán)回路，它不停地運轉或者就周期性運轉在機組停止工作時。隨著技術不斷發(fā)展，變流量中央空調機組正在應用于地源熱泵中央空調管道網絡中，這種新的應用要求在每個裝置安裝一個雙向閥來獲得節(jié)能效益。 熱泵系統(tǒng) 熱泵系統(tǒng)以電為動力驅動壓縮機，來保持工質必要的濃度同時傳遞熱能?；镜臒岜孟到y(tǒng)用于運行蒸汽壓縮制冷循環(huán)。熱泵內的工質通常是使用制冷劑，制冷劑的選擇由地源熱泵的整體特點和要求所決定。地源熱泵系統(tǒng)通過控制工質的壓縮和膨脹來改變其壓力和溫度，從而實現(xiàn)熱量在地源和供熱空間之間的傳遞。熱泵主要包括五個組件(圖1) ：壓縮機、膨脹閥、換向閥、兩個熱交換器。當然還有很多小型的組件和配件，例如：風機、管道和輔助控制系統(tǒng)。 圖1 地源熱泵系統(tǒng)及減溫器基本布局 地源熱泵的加熱流程如下： l 從地源吸收熱能并輸送到蒸發(fā)器。 l 熱泵機組內制冷劑占主導地位的工質進入蒸發(fā)器，熱量從接地系統(tǒng)轉移到工質中從而引起制冷劑升溫沸騰成為壓力較低的蒸汽；溫度略有增加。 l 蒸發(fā)器中產生的蒸汽進入電動壓縮機，壓縮之后成為高溫高壓蒸汽。 l 高溫蒸汽進入冷凝器。此時制冷劑高于外部空間，從而促使熱量熱量從制冷劑傳遞到建筑空間中。制冷劑降溫凝結，成為高溫高壓液體。 l 熱液體通過膨脹閥，壓力降低從而使溫度下降。制冷劑再次進入蒸發(fā)器，開始下一個循環(huán) 包括制冷系統(tǒng)在內的許多系統(tǒng)是要把特定空間中的熱量轉移釋放到土地中去。在制冷模式下，四通閥作用于流體，使工質在循環(huán)中按照相反的方向流動。換熱器的功能反轉，與地源相連的熱交換器成為冷凝器，建筑空間中的熱交換器成為蒸發(fā)器[8,12]。 有一些系統(tǒng)，包括減溫器(圖1)，作為輔助換熱器將熱量傳遞到一個熱水箱。減溫器安裝在壓縮機出口處，將壓縮氣體所產生的熱量通過熱水箱傳遞到水循環(huán)中，這樣一來能夠降低甚至消除加熱水所需的熱量。 能源利用效率優(yōu)劣的評價，一般是用系統(tǒng)產出的能量比上運行系統(tǒng)所消耗的能量。熱泵所能產出的熱量多于輸入熱泵的能量，也就是說，按照能效比的定義，熱泵的能效比是大于100%的。為了避免這種尷尬，定義系統(tǒng)所實現(xiàn)的制冷或制熱量與輸入功率的比值為用長期性能系數(shù)(COP)，以此評價熱泵性能。 熱量輸送系統(tǒng) 熱泵系統(tǒng)的供熱系統(tǒng)將熱量由熱泵輸送到整個空間。輸送系統(tǒng)主要有兩種：水--空氣傳熱與水—液體傳熱。水—空氣傳熱系統(tǒng)將能量有地源轉移到空氣，由空氣作為向空間傳熱的傳輸介質，水—液體供熱系統(tǒng)是由水和另外一種作為介質的液體進行換熱。 在北美，最常見的地源熱泵系統(tǒng)是水—空氣換熱的，熱泵的冷凝器加熱空氣線圈，熱空氣從其中通過。熱空氣通過空調管道和通風口進入建筑。 水—液體加熱系統(tǒng)俗稱液體循環(huán)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，能量由接地線圈從地源吸收，接著被熱泵加熱并傳遞至水中，由水作為介質傳遞至建筑中。系統(tǒng)中的水通過地源熱泵系統(tǒng)冷凝器吸取熱量。之后水由泵驅動環(huán)繞建筑轉動，將熱量由地面輻射供熱、散熱器或局部空氣線圈等供熱方式方式傳遞至空間中。這種系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的強制對流系統(tǒng)需要較低的溫度。室內溫度最高的空氣在加熱爐中被強迫向天花板上升，形成一個涼爽舒適的居住空間。為了能使生活空間更加接近于期望的溫度，進入空間氣體的溫度必須高于空間本身溫度。地板輻射供熱的空間溫度由地板到天花板都會很均勻，提供舒適的生活溫度需要的能量更低。 也有混合的動力系統(tǒng)，它結合了兩種系統(tǒng)的供熱方法，能夠更加有效靈活的控制空間溫度。 影響地埋管的關鍵因素 地面循環(huán)回路以及和它相關的組件和其他典型的暖通熱交換器都有著明顯不同的特點，而這些特點決定了管道內流速的選擇，允許的水頭損失和管道的材料，這些特點包括如下： 地面本身可以最大防止熱量的流動；因此，高性能的熱傳導管道材料，管道接觸面的增大，管內流體的高速流動對于熱傳導意義不大。 因為管內流體的流動一定會經過建筑內和地面的循環(huán)管道，因此地面管道要有非常有效的防銹解決方案，而且這種管道材料不需要用有毒抑制劑。 按照設計準則，流體的高速流動對于好的地面循環(huán)換熱回路是沒有必要的，流速的降低也可以顯著減小流體流經地面管道的水頭損失。 因為管道內流體的高速流動對于換熱性好的地面管道回路沒有必要，因此適度的流量失衡對于整個熱交換的作用也就比較小。 高效的以及換熱面積大的水-空氣熱泵機組不需要精確的流速控制去追求最大的效率，33%的流速變化也只會讓管道的換熱能力減小2%左右。 因為高效的以及高流程的熱泵機組的流體管道體積要比一般的熱泵機組流體管道大，水頭損失相比較而言也就小。 考慮到水頭損失在地面管道和熱泵機組中比較小，因此集管的長度，控制閥門損失，以及擬合的限制對于水頭的損失都有重要的影響。 推薦材料的花費相比較勞動的代價要小，因此減小摩擦損失對于減小水泵揚程是一個非常經濟合理的辦法。 抗腐蝕以及管道網絡的最小化對于系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和正常性具有關鍵的作用。 案例—學校的熱泵機組和管道系統(tǒng)選擇 對于地源熱泵系統(tǒng)，在美國商業(yè)或者公共建筑應用最普遍的就是學校，有這樣的案例：對于一個6700㎡的學校，四種不同的管道和熱泵機組在這里進行實驗。要考慮的是每個分散的熱泵機組系統(tǒng)都有單獨的回路和循環(huán)泵，一個中央循環(huán)熱泵機組用變流量系循環(huán)統(tǒng)，一個用恒定流量循環(huán)系統(tǒng)，一個用兩級循環(huán)系統(tǒng)。表格數(shù)據(jù)顯示建筑的內部情況，熱泵機組的位置，以及200個分散回路的垂直管孔的位置，每個垂直管孔都是六十米深。圖表2是一個教室空調系統(tǒng)的垂直分布圖，這是一個功率是10.5kw擁有三個并排的熱交換管路。 四個系統(tǒng)都在相同的位置安置熱泵機組，但是地埋管道都是放置在離建筑物一定距離的矩形區(qū)域內。地埋管孔的數(shù)量隨著建筑物的冷熱負荷的變化而變，因為地埋管換熱器的規(guī)格由建筑物的冷熱符合決定。比如，這個學校的冷熱負荷的調整系數(shù)在85%，在復雜的地埋管系統(tǒng)中孔的數(shù)量應該是170個要比200個合適。 使用變流量的中央空調系統(tǒng)可以把所要求的流量傳遞到整個建筑和地面的循環(huán)管道回路中。因為流體的流動取決于進出口的壓力差，壓力泵的轉速不斷地調整來維持一個持續(xù)的不同壓力進而改變流量滿足建筑的冷熱需求再回到循環(huán)集管，這樣可以確保持續(xù)流體通過熱泵機組。當一個機組周期性的關閉，雙向閥門也就關閉。隨著關閉的閥門的數(shù)量不斷增加，集管的壓力差不斷變化，由于流量減小，壓力損失也隨之不斷減小。當壓力損失一發(fā)生變化，就會產生一個信號到達驅動控制系統(tǒng)進而降低壓力泵的轉速。這樣的好處就是可以減小對于電能的需求，從而達到節(jié)能的效果。 第三種系統(tǒng)就是持續(xù)運轉的恒流量中央空調熱泵系統(tǒng)，第四種系統(tǒng)就是兩級熱泵控制系統(tǒng)，一級熱泵持續(xù)運轉滿足建筑內管道流體的循環(huán)流動，而只有當回路中流體溫度高于設置的最高溫度或者低于設置的最低溫度時，二級熱泵才開始工作。 變流量系統(tǒng) 相比較其他系統(tǒng)，對變流量中央空調熱泵系統(tǒng)的分析就更加復雜。然而，建筑很大一部分時間都處于低負荷運轉中，冷熱負荷比較小，一個星期大概有50 個小時左右系統(tǒng)處于低負荷運轉，此時對于機組設備的性能特點的分析就非常重要。圖表3是中央循環(huán)管道的系統(tǒng)布局，變流量系統(tǒng)管道設計，恒流量系統(tǒng)管道設計，兩級熱泵系統(tǒng)管道設計都在圖中有詳細的展示。在這幾個系統(tǒng)中，建筑內和地面管道循環(huán)系統(tǒng)所用的管道都是一樣的。圖表5是變流量系統(tǒng)中最長管的揚程損失，想比較其他系統(tǒng)它的損失是最大的，因為必須克服集水管到建筑物和地面換熱區(qū)域管道的摩擦。 圖表4標明了中央管道系統(tǒng)中系統(tǒng)和水泵的關系曲線。圖表上繪制了理論系統(tǒng)性能曲線，這個曲線假設沒有閥門關閉，也沒有最小壓差要求。但是實際上，變流量系統(tǒng)運行的原理是：流體流量不斷地改變通過關閉沒有運轉工作的熱泵機組的雙向閥門。另外，最小壓差可確保流體通過建筑物滿足冷熱需求在回到集水管，進而確保每個機組裝置都有充足的流量。但是假設理論系統(tǒng)壓泵可以提供的水頭壓力是流體通過建筑物回到集水管，理論性能曲線和實際性能曲線就非常相似。 在圖表4中，水泵的生產商提供了水泵轉速在1150rpm和750rpm時的性能曲線，效率相同的點（50%，60%，70%，80%,83%)連接成線且在這兩條性能曲線之間，這樣就可以方便地計算出在這兩條性能曲線之間任意工作效率點所需要的輸入的能量。比如，當流體流量在32L/S時，查表可以知道它所需要的水頭高度是18米，在這個點水泵的效率是82%。水泵所需要的輸入的能量可以從何下面的算式中計算出來： 為了確定系統(tǒng)的電能消耗以及水速和水泵電能需求的關系，我們要用到天氣數(shù)據(jù)和負荷數(shù)據(jù)。對于變流量系統(tǒng)水泵，傳動效率和電機效率影響著電能的需求。 然而，結合著水泵的傳動效率和電機效率對于計算小流量的能耗并不是非常有效的。圖表4中陰影區(qū)域是水泵的低效率區(qū)域，這一不確定的區(qū)域就是水泵在建筑內換熱設備沒有使用時運轉的效率區(qū)域。而且當電機的扭矩低于滿負荷時扭矩的25%時，電機和系統(tǒng)的效率將明顯降低。例如，當一個875轉的水泵性能曲線和實際性能曲線相交時，我們就可以發(fā)現(xiàn)變流量系統(tǒng)水泵的運轉點。當水頭高度是7.5米，水流量是8lps時，水泵的效率大約是50%，則壓泵所需的能耗是1.17kw。在這樣的負荷運轉下，電機的驅動效率就接近57%。當流速是滿負荷運轉時流速的21%，工作時負荷是滿負荷的16%時，能耗是2.05kw。不斷地重復這個過程，分別算出流速是系統(tǒng)滿負荷運轉流速的50%，75%，100%時，所需要的能耗。用這些數(shù)據(jù)點，此系統(tǒng)的相關性如下： 因為建筑物的冷熱負荷和所需要水流的流速之間的存在直接關系，且這種關系是直接利用的，因此，等式3的關系式就允許水泵所需的能耗來估計建筑內的冷熱負荷。 輔助冷卻組件 由于壓縮機和泵都不是100%的效率，它們運行過程中產生的熱量直接被釋放浪費掉。壓縮機和泵產生的廢熱可用于預熱循環(huán)泵中的制冷劑。將制冷劑通入一個密封的外殼，覆蓋于泵和壓縮機外面，由它們的電動機驅動能夠實現(xiàn)將熱量傳遞出去。預熱能夠提高組件性能，提高整個地源熱泵系統(tǒng)的COP，以及降低接地回路換熱器的熱負荷。 地面霜凍循環(huán) 在多年凍土地區(qū)地源熱泵的使用也逐步開始。建筑地基傳熱可能使永久凍土層融化并危及結構的完整性。通過安裝一個緊鄰地基的地面循環(huán)，凍土融化的現(xiàn)象可能降低甚至消失。從地基散發(fā)的熱量被循環(huán)系統(tǒng)抽取，以確保建筑不會大幅度影響當?shù)氐乇頊囟?。抽取的熱量用于補充建筑所需的熱量，通常占建筑所需總熱量的20—50%。該系統(tǒng)不應當使地面凍結的時間超過自然周期內凍結的時間，不應當擾亂當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。熱交換回路應當時安全可靠的，以防出現(xiàn)故障影響到建筑的穩(wěn)定性。 分析 1.關于變流量系統(tǒng)是能耗最低的系統(tǒng)的假設并不是都成立的。 2.對于一個一周要工作40個小時的居住條件，由于系統(tǒng)的效率，很大一部分能量消耗在變流量系統(tǒng)流速的改變且系統(tǒng)機組無負荷運轉的情況下。 3.對于地源熱泵的幾種不同系統(tǒng)，系統(tǒng)能耗的降低取決于水流揚程的降低，因為當無冷熱負荷時，水泵很大一部分時間都是停止工作的。 4.盡管小循環(huán)熱泵的電機效率要比大型的中央空調熱泵效率低，但是對于地源熱泵的各種分散系統(tǒng)而言低能耗依然有可能實現(xiàn)。 5.恒速水泵在不斷地工作運轉，消耗大量的電能。 6.大型水泵能耗的變化很大程度上就是我們通常可以使用的能耗范圍。 建議 1.在低負荷運轉的情況下，我們要考慮能耗的最小化，因此在設計時我們要考慮讓變流量系統(tǒng)的水泵停止工作當機組在低負荷運轉時。 2.為了滿足變流量系統(tǒng)水泵在低負荷運轉的工作要求，大量設計工作需要去做。 3.我們應當不斷地去追求循環(huán)水泵和電機的效率。 4.對于一個每周要工作5天，每天要工作8-10小時的空調系統(tǒng)，如果我采用恒流量中央空調循環(huán)系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)會非常的不合理和高能耗。 5.我們也要考慮水泵的揚程以及地面的循環(huán)管道損失。 6.我們也要考慮水泵尺寸過大的影響。 7.如果實驗數(shù)據(jù)相似，我們就要考慮在其他的建筑形式以及不同環(huán)境條件下進行實驗。進而得到所需數(shù)據(jù)分析。 結論 地源熱泵是一種高效的供熱技術，能夠減少二氧化碳的排放量，潛在的避免了化石燃料的燃燒而且具備一定的經濟性優(yōu)勢。對于加熱特定的建筑空間，相對于其它供熱方式，地源熱泵系統(tǒng)顯著的減少了能源的使用。隨著環(huán)境的變化，地源熱泵系統(tǒng)可以進行許多變化，而且在世界大部分地區(qū)適合使用地源熱泵。在選擇供熱模式時，考慮地源熱泵系統(tǒng)是非常重要的，如效率、排放量、經濟性等方面。 開題報告表 課題名稱 采用U型地埋管換熱器的地源熱泵空調系統(tǒng)設計 課題來源 自選 課題類型 DX 指導教師 學生姓名 學 號 專 業(yè) 當今社會環(huán)境污染和能源危機嚴重地威脅著人類地生存與發(fā)展，如何理解這一問題已成為全人類的頭等課題。在這種背景下，以環(huán)保和節(jié)能為特征的綠色建筑和與之相應地空調系統(tǒng)應運而生。而熱泵系統(tǒng)正是滿足這些要求的中央空調系統(tǒng)之一，地源源熱泵具有節(jié)能、經濟、運行可靠等特點。目前，國內已有多家地源熱泵的專業(yè)生產廠,地源熱泵空調系統(tǒng)的應用范圍正在逐步擴展。 地源熱泵技術是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內的余熱轉移到低位熱源中，達到降溫或制冷的目的。地源熱泵不需要人工的冷熱源，可以取代鍋爐或市政管網等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調系統(tǒng)。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱，向建筑物供暖；夏季它向土壤、地下水或者地表水放熱，達到給建筑物降溫的目的。同時，它還可供應生活用水，可謂一舉三得，是一種有效利用能源的方式。優(yōu)點是：①高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠 ②無環(huán)境污染③一機多用④維護費用低 ⑤使用壽命長⑥節(jié)省空間。缺點是：地源熱泵的知識尚未完全普及，實施人員的技術水平參差不齊，加之地源熱泵系統(tǒng)高投入、低維護運行費用的特點。地源熱泵的發(fā)展受到了一定限制。 本課題以現(xiàn)有條件，可按時完成。預期成果表現(xiàn)為設計圖紙和畢業(yè)論文。 研究內容： 1、 地源熱泵空調的特點，制冷性能分析，工況以及運行方式，冷凝器和蒸發(fā)器的設計計算，在設計工況下的制冷量，工質流量，土壤換熱器水流量及管長。同時計算制熱工況的供熱功率 2、系統(tǒng)溫度控制儀選擇、壓力控制器選擇、其他零部件選擇； 3、系統(tǒng)所有設計圖樣的繪制。 時間安排： 1、1—3周：查閱文獻，撰寫綜述； 2、4—7周：設計計算：隔熱計算、負荷計算、熱水產量計算、循環(huán)熱力計算、壓縮機選擇計算及說明、冷凝器設計計算、蒸發(fā)器設計計算、輔助設備選擇計算、節(jié)流機構選擇計算及說明； 3、8—10周：零部件選擇：溫度控制儀選擇、壓力控制器選擇、其他零部件選擇； 4、11—13周：設計圖樣：總裝圖、主要零部件圖、系統(tǒng)流程圖； 5、14—16周：整理數(shù)據(jù)，撰寫論文，準備答辯。 完成設計所具備的條件因素：實驗室現(xiàn)有條件，指導老師的指導等。 指導教師簽名： 日期： （可加頁） 課題類型：（1）A—工程設計；B—技術開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究； （2）X——真實課題；Y——模擬課題；Z—虛擬課題 要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 畢業(yè)設計（論文）指導教師意見書 課題名稱 采用U型地埋管換熱器的地源熱泵空調系統(tǒng)設計 學生姓名 專業(yè)班級 學號 序號 評審項目 指 標 滿分 評分 理 文 1 工作量、 工作態(tài)度 按期圓滿完成規(guī)定的任務，難易程度和工作量符合教學要求；遵守紀律，學習認真；作風嚴謹，踏實肯干；善于與他人合作。 20 20 2 調查論證 能獨立查閱文獻和調研；能較好地寫出開題報告；有綜合、收集和正確利用各種信息及獲取新知識的能力。 10 20 3 譯文 翻譯準確，語句通順、流暢；譯文數(shù)量符合要求。 5 10 4 設計、實驗方案，分析與技能 設計、實驗方案科學合理；數(shù)據(jù)采集、計算、處理正確；論據(jù)可靠，分析、論證充分；結構設計合理、工藝可行、推導正確或程序運行可靠；繪圖準確、符合國家標準；有必要的社會和經濟效益分析。 40 0 5 設計說明書論文質量 綜述簡練完整，有見解；立論正確，論據(jù)充分，結構嚴謹合理；文理通順，技術用語準確，符合規(guī)范；圖表完備、正確。 20 40 6 創(chuàng)新 有創(chuàng)新意識，有獨特見解，設計（論文）有一定應用價值。 5 10 是否同意參加答辯： 總 分 評語： 指導教師簽名： 日 期： 文獻綜述 題 目 采用U型地埋管換熱器的 地源熱泵空調系統(tǒng)設計 學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 （系） 指導教師(職稱） 完成時間
地源熱泵技術的研究與應用現(xiàn)狀 1 引言 目前由于能源消耗的急劇增加, 熱泵作為一種通過消耗少量高品位能源, 把熱量由低溫級上升到高溫級的特殊裝置而受到了人們的青睞。 地源熱泵( Ground source heat pump )也稱為地熱熱泵( Geothermal heat pump),它是以地源能(土壤、地下水、地表水、低溫地熱水和尾水)作為熱泵夏季制冷的冷卻源、冬季采暖供熱的低溫熱源,同時是實現(xiàn)采暖、制冷和生活用水的一種系統(tǒng)它用來替代傳統(tǒng)的用制冷機和鍋爐進行空調、采暖和供熱的模式,是改善城市大氣環(huán)境和節(jié)約能源的一種有效途徑,也是國內地源能利用的一個新發(fā)展方向。 地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)不同的構成型式有不同的名稱: 地耦合式熱泵、土壤熱源熱泵、水源熱泵、地熱熱泵、閉環(huán)熱泵、太陽能熱泵、地源熱泵等。這些系統(tǒng)的工作原理基本相同。 2 地源熱泵工作原理 典型的地源熱泵是通過埋地熱交換器從土壤吸熱或向土壤放熱。夏季空調時,室內的余熱經過熱泵轉移,并通過地埋換熱器釋放到土壤中,同時為冬季蓄存熱量;冬季供暖時,通過地埋換熱器從土壤中取熱,經過熱泵將熱量供給用戶,同時, 在土壤中蓄存冷量,以備夏季空調用。此類熱泵主要包括三套系統(tǒng): 室外管網系統(tǒng)、熱泵工質循環(huán)系統(tǒng)及室內空調管網系統(tǒng)。 3 國內外應用現(xiàn)狀 3.1 國外應用現(xiàn)狀 1912年, 瑞士的H.Zoelly首次提出利用淺層地熱能( 地源能)作為熱泵系統(tǒng)低溫熱源的概念,但由于當時一次能源充足,用熱泵供暖的社會需求不足,導致熱泵技術沒有得到重視和發(fā)展。直到 1948年,H.Zoelly的專利技術才真正引起普遍的關注,尤其是歐洲和美國。20 世紀50年代,美國和歐洲國家開始研究和利用地源熱泵, 但當時能源價格較低,使用熱泵系統(tǒng)并不經濟,因而沒有得到推廣。1974 年以來,由于石油危機的出現(xiàn)和環(huán)境的惡化, 引發(fā)了人們對新能源的開發(fā)和利用, 因此開始了地源熱泵的研究和利用。這一時期歐洲建立了許多采用水平盤管地下?lián)Q熱器的土壤源熱泵系統(tǒng)的研究平臺。自1974年起,瑞典、瑞士、荷蘭等國政府資助的示范工程逐步建立起來,地源熱泵技術也日趨完善。從熱泵技術來說,此時的地源熱泵系統(tǒng)大多直接利用地下水作為冷熱源,因此對地下水溫度有一定要求, 而且當時的技術相對粗糙,甚至不設置回灌井。 20世紀70年代末到90年代初,美國開展了冷熱聯(lián)供地源熱泵的研究工作。這一時期,地源熱泵技術飛速發(fā)展并趨于成熟。美國的地源熱泵機組生產廠家也十分活躍,成立了全國地源熱泵生產商聯(lián)合會,并逐步完善了工程安裝網絡, 成為世界上地源熱泵機組生產和使用的大國。 3.2 國內應用現(xiàn)狀 我國具有較好的熱泵科研成果與應用基礎,20世紀50年代,天津大學的熱能研究所最早開展了熱泵方面的研究工作,并于1965年研制了我國第一臺水冷式熱泵空調機組。我國對土壤源熱泵的研究始于20世紀80年代,國內的科研工作者相繼展開地源熱泵的研究和試驗工作,各種試驗研究工作主要由各大學進行。雖然我國對地源熱泵的研究和應用較晚,但發(fā)展勢頭很好,地源熱泵發(fā)展已列入國家新能源和可再生能源產業(yè)發(fā)展十五規(guī)劃。1978年-1999年,中國制冷學會第二專業(yè)委員會舉辦了9屆全國余熱制冷與熱泵技術學術會議,在2001年寧波召開的全國熱泵和空調技術交流會和2002年在北京召開的國際熱泵會議上,國內外有關人士開始關注中國這個很有發(fā)展?jié)摿Φ拇笫袌觥＝鼛啄陙韲鴥燃訌娏说責嵩礋岜玫膽醚芯苛Χ?自行研究和生產地源熱泵機組的廠家已達幾十家, 如山東的富爾達、北京的中科能等。另外國外很多知名公司已經在中國設立了銷售部。目前我國地源熱泵工程正逐年增加,并取得了初步效果。 但從總體上看,中國地源熱泵的發(fā)展還不夠規(guī)范, 基礎研究上還有待于進一步完善,行業(yè)之間缺少必要的合作交流,這些因素都或多或少影響著這項技術的推廣。但是根據(jù)綠色奧運、科技奧運、人文奧運的要求,2008年的北京奧運會,在體 育場館、運動員村等奧運會建筑中將廣泛采用太陽能、地熱能等可再生能源, 并將采用高效、清潔的常規(guī)能源利用技術,將在一定程度上代表了國際上最先進的用能方式,其產生的效應將直接影響北京市未來能源利用的發(fā)展方向。同時對國內其他地區(qū)地源熱泵的發(fā)展也將產生一定的積極作用。 4 國內外研究現(xiàn)狀 4.1 國外研究現(xiàn)狀 國外對土壤源熱泵的研究主要集中在地下?lián)Q熱器,1946 年,美國進行了12個地下?lián)Q熱器的研究項目,這些研究項目測試了埋地盤管的幾何尺寸、管間距、埋深等,并將熱電偶埋人地下,測試了土壤溫度隨時間變化和受傳熱過程影響的情況。1953年,美國電力協(xié)會的研究表明,以上這些試驗還沒有提供可用于地下?lián)Q熱 器的設計方程。20世紀50年代初,英國安裝了用于住宅供暖的地源熱泵系統(tǒng)。 1974年,歐洲實施了30個工程開發(fā)研究項目,發(fā)展了地源熱泵的設計、安裝技術，并積累了運行經驗。1971年—1978年,美國進行了多種形式地下?lián)Q熱器的測試, 并引入太陽能集熱器,組成混合土壤源熱泵系統(tǒng)這一時期開始采用塑料盤管代替金屬盤管。美國和歐洲國家設計安裝的土壤源熱泵系統(tǒng)大多參照類似的已建工程設計安裝,另一些工程的設計則采用估算方法。 目前,國外對土壤源熱泵的研究仍集中在地下?lián)Q熱器的傳熱性能上。地下?lián)Q熱器的設計、計算模型約30多種,對所有模型的建立,關鍵是求解巖土溫度場的動態(tài)變化,其基本模型有2種。?線熱源模型?圓柱熱源模型。 4.2 國內研究現(xiàn)狀 目前,國內外的熱泵產品主要以風冷熱泵和地源熱泵為主,輸出溫度大于60℃，以地源或低溫地熱水(50℃以下)為熱源的高溫地源熱泵在國內只有少數(shù)幾個單位在研制,如中科院廣州能源研究所、天津大學、清華大學等,廣州能源研究所于 2001年初率先推出了最高出水溫度可達75℃的高溫地源熱泵機組,并在近兩年里由其下屬公司一北京中科能源高科技有限公司在北京、廣州等地成功實施了十余個工程項目,涉及空調采暖、散熱器采暖、熱水供應、地熱尾水熱回收利用等多種形式,取得了良好的運行效果。 國內對土壤源熱泵的研究主要集中在以下5個方面:地下?lián)Q熱器的傳熱計算模型的建立,地下?lián)Q熱器傳熱計算的模擬研究,地下?lián)Q熱器的篩選及埋地盤管合理管間距的理論分析,土壤凍結對地下?lián)Q熱器傳熱的影響,地下?lián)Q熱器間歇運行工況的分析。 5 地源熱泵研究的一些問題 影響地源熱泵推廣應用的主要原因為 (1)土壤特性問題。地源熱泵系統(tǒng)的性能好壞與當?shù)赝寥罒崽匦悦芮邢嚓P,地熱源的最佳間隔和深度取決于當?shù)赝寥赖臒嵛镄院蜌夂驐l件。土壤的熱特性研究主要包括土壤的能量平衡、熱工性能、土壤中的傳熱與傳濕以及環(huán)境對土壤熱物性的影響等。 (2)地下?lián)Q熱器傳熱機理的理論研究繁多,但缺乏理論與實踐的有效結合,缺乏多環(huán)境下應用技術的系統(tǒng)研究以及實際有效的強化傳熱方法。 (3)不同冷、熱負荷下,地下?lián)Q熱器與熱泵系統(tǒng)最佳匹配技術的研究不夠。20世紀90年代以來,地熱空調技術的研究熱點依然集中在地熱能換熱器的換熱機理、 強化換熱及熱泵系統(tǒng)與地熱能換熱器匹配等方面。與前一階段單純采用線源傳熱模型不同,最新的研究更多地開始關注相互耦合的傳熱、傳質模型以更好地模擬地熱能換熱器的真實換熱情況; 同時開始研究采用熱物性更好的回填材料,以強化土壤埋管在土壤中的導熱過程,從而降低系統(tǒng)用于安裝土壤埋管的初投資;為進一步優(yōu)化系統(tǒng),國外有關地熱能換熱器與熱泵裝置的最佳匹配參數(shù)的研究也在開展。 (4)熱泵技術與其它技術的配合問題:地源熱泵技術是暖通空調技術與鉆井技術相結合的綜合技術,兩者缺一不可,這要求工程組織者和工程技術人員能夠合理協(xié)調、做好充分的技術經濟分析。 (5)對環(huán)境的影響問題:目前地下水的回灌技術不完善,在一定程度上會影響以水為低位熱源的地源熱泵的進一步推廣;此外土壤源熱泵空調系統(tǒng)鉆井對土壤熱、 濕及鹽分遷移的影響研究有待進一步深入,如何使不利因素減少到最小是必須考慮的問題。 6 結束語 隨著我國經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,高效環(huán)保節(jié)能的供熱和制冷空調已成為城鎮(zhèn)居民的基本生活需求,市場前景很好。另外,由于形式多樣,安裝靈活, 地源熱泵將為我國中小城市,甚至廣大農村人民生活質量的提高做出貢獻。在地源熱泵技術的應用中,盡管還有許多技術問題需要解決,但由于其技術上的優(yōu)勢和節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點,是建筑物供暖和制冷的合理可行選擇方案之一。在能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中,地源熱泵將倍受人們的重視與青睞。 參考文獻 [1]朱家玲，地熱能開發(fā)與應用技M.北京:化學工業(yè)出版社,2006. 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