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西安某综合大楼地源热泵供暖系统设计

摘要  地源热泵技术可以实现在消耗少量电能的情况下，将低位地能能转化为高位能，是利用地位可再生能源的有效技术之一。我们本次设计是为西安某综合楼设计一套地源热泵系统，实现冬季供暖要求。我们根据西安的气候条件，确定西安地区的室内外计算温度分别为18℃和-5℃。根据建筑物的散热条件，计算建筑物的围护结构热负荷和冷风渗透热耗量之和为210.79kW，并且根据每个房间的热负荷，选取对应房间的风机盘管型号。我们选择的空调系统为闭式系统，末端采用风机盘管进行供热，选择的地源热泵机组型号为BDZW-400，风机盘管为FP-51K、FP-85K4、FP-136K4三种型号。地埋管设计部分，我们采用的地埋管的连接形式为同程式并联，设计地埋管形式为单U型管，总的地埋管长度为4679.70m，地埋管竖井深度为100m，最后需要的竖井个数为24个。室内循环水系统我们采用异程式连接，根据管网布置方式，进行水利计算，最后根据水力计算结果选择合适的水泵。

关键词： 地源热泵  热负荷  地埋管换热器  风机盘管  水力计算

 

A SOURCE HEAT PUMP HEATING SYSTEM OF A  COMPLEX  BUILDING IN XI’AN

Abstract Ground source heat pump is a kind of heat pump in the use of ground energy, to achieve low to the high energy conversion, the main energy from the absorption of solar radiation can be said to be clean renewable energy. Our design is for a university in Xi'an, a complex building a set of ground source heat pump system to achieve winter heating requirements. According to the climatic conditions of Xi'an, we determined that the indoor and outdoor calculation temperature in Xi'an was 18 ℃ and -5 ℃, respectively. According to the heat dissipation condition of the building, the heat dissipation and cold air infiltration of the building were only 210.79 KW, and according to the heat load of each room, select the corresponding room fan coil model. We chose the air conditioning system for the closed system, the end of the fan coil for heating, the choice of ground source heat pump unit model BDZW-400. In the design part of the buried pipe, the connection form of the buried pipe is parallel with the program. The design of the buried pipe is single U-tube, the total length of the buried pipe is 4679.7m, the depth of the buried pipe is 100m, and finally The number of shafts required is 24. Indoor circulating water system We use the same type of connection, and finally the hydraulic calculation and pump selection.

Key words: ground source heat pump; heat load ground; pipe heat exchanger; fan coil hydraulic calculation

 

目录

摘要   I

Abstract II

第1章 绪论 1

第2章 负荷计算 2

2.1设计参数 2

2.2围护结构热负荷 2

2.2.1围护结构的基本热耗量 3

2.2.2围护结构附加修正热耗量 5

2.3通过门窗缝隙的冷风渗透热耗量 7

2.4房间热负荷的计算 8

2.5小结 11

第3章 系统确定以及机组、末端设备选型 12

3.1地源热泵系统的确定 12

3.2系统控制 12

3.3地源热泵机组选择 12

3.4末端设备选型 13

3.5小结 14

第4章 地埋管设计及计算 15

4.1地埋管形式 15

4.2地埋管换热器连接形式 15

4.3管路材料确定 16

4.4管道尺寸的设计 17

4.4.1管径设计 17

4.4.2地埋管的长度计算 17

4.4.3地埋管钻孔数 18

4.5 地埋管换热器的布置 18

4.6小结 19

第五章 水系统布置以及水力计算 20

5.1.室内水系统设计 20

5.1.1系统形式的确定 20

5.1.2系统管材确定 21

5.1.3管道附件和阀门选取 21

5.1.4管道的保温处理 21

5.2水系统水力计算 22

5.2.1阻力计算 22

5.2.2管道阻力不平衡计算 31

5.3水泵选型 31

5.3.1地埋管侧水泵选型 31

5.3.2室内系统管道水泵选型 32

5.4膨胀水箱选型 32

5.5小结 33

第六章 总结 35

致谢 36

参考文献 37

第1章 绪论

1.1地源热泵的发展

当今社会面临着严重的能源危机和环境污染问题，开发和利用可再生能源变得尤为重要。地源热泵技术是一种利用少量电能，将低位能量转化为高位能量的技术，这种技术广泛应用于生产生活的方方面面。地源热泵技术早期在国外（主要是美国）研究并使用，我国的地源热泵虽然起步较晚，但发展迅速，在这个项目上取得诸多成就。我国地源热泵的研究始于20世纪50年代，天津大学热能研究所首先开始热泵的研究，吕灿仁教授的“热泵及其在我国应用的前途”一文是我国热泵研究最早的文献。60年代，我国开始将热泵技术应用在暖通空调中，且取得多个研究成果，70年代末到80年代末进入全面复苏阶段，80年代末到90年代末迎来新的发展里程，进入21世纪后，我国热泵技术不断开发研究，热泵理论研究相比于以前有了广度与深度的发展，对空气源、水源、地源热泵和水循环空调系统等进行了系统的研究。我国的同井回灌热泵系统、土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统、供寒冷地区应用的双极耦合热泵系统的创新性成果均处于世界领先地位。

1.2地源热泵的原理

地源热泵在供热时，将地能作为热源，地能包括土壤、地下水、地表水中存储的能量，地球表面在源源不断地吸收太阳辐射，可以认为地能是一种清洁的可再生能源，所以开发和利用地源热泵技术具有重要意义。地源热泵机组包括压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四部分，机组里有制冷剂不断循环，将埋管换热器吸收的能量传递给室内水系统，实现将地能提取出来加以利用，以此达到供暖的目的。地源热泵根据使用的地能的形式分为土壤源热泵、地下水源热泵和地表水热泵，本次设计的热泵形式为土壤源热泵。

1.3地源热泵的性能特点

地源热泵与地表环境换热，具有多个有特点：（1）利用地表浅层资源来作为冷热源，进行能量交换的供暖空调系统属于利用可再生能源。地表浅层的地热资源即地能，即地表面土壤、地下水或河流、湖泊中吸收的太阳能、地热能而蕴含的低位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，吸收47%的太阳辐射到地球的能量，是人类每年利用的太阳能的500多倍。且不受地域、资源的限制，可以说量大面广，无处不在。所以这种浅层表面的能量可以说是无限利用的可再生能源。（2）地表浅层取的温度一年四季相对稳定，冬季温度高于环境温度，夏季温度低于环境温度，是理想的冷热源，由于地能的这个特性，地源热泵的运行效率要比起源空调系统高40%，节省运营费用40%，并且可以使机组运行更可靠，更稳定，即同时保证机组运行的经济型和可靠性。（3）具有明显的环境效益，地源热泵的污染物排放比同气源热泵机组相比减少40%，与完全依靠电能供暖的机组相比减少70%，若采取良好的节能措施，节能减排效果更佳。地源热泵机组虽也采用制冷剂，但同一般空调机组相比要少25%，并且在工厂车间密封，泄露几率小，装置运行无污染，可建造于居民区内。（4）地源热泵机组可一机多用，应用范围广，该机组可供暖、空调、供生活热水。一套地源热泵机组可以代替锅炉和空调两套系统。（5）地源热泵没有运动组件，系统牢固，故系统维修次数少，可减少维修费用。但是地源热泵也有不足之处，它受到地区、用户的限制，以及受到国家能源政策的影响，并且前期投资大。

1.4地源热泵优势

1.4.1地源热泵的性能优势

热泵利用浅层地能，将低位热能转化为高位热能，从而节约部分高位热能，在科学用能方面，与其他空调系统相比，具有以下优势：（1）热泵技术是应用低位再生能的重要技术之一，在能源利用中利用一切可以利用的能源来有效降低不可再生资源的消耗速度尤为重要。由于这种观点，现在人们越来越关注热泵技术，将储存在土壤、地下水以及地表和空气中的太阳能等自然能源、生活废热等运用于建筑物采暖和热水供应。（2）热泵也是合理利用高位能量的典范，热泵以高位能来带动动力机（电机、汽轮机、燃气机、燃油机），再由动力机驱动工作机（制冷机），以实现低位能向高位能的转换，从而实现能源的科学配置。

1.4.2地源热泵的政策优势

地源热泵在我国应用具有政策和地域上的优势。地源热泵的利用需要大面积土地资源，虽然地源热泵具有一系列优点，但也有限制条件。它的发展和能源政策密切相关，这项技术的发展离不开国家的支持，我国现在支持并且提倡节能减排，在政策上有发展优势。

我国现在经济飞速发展，能源需求不断增加，且能源矛盾日益突出，若不采取措施，到2020年，我国石油进口量将达到50%，并且我国能源利用率低，因此节能减排势在必行。现在温室效应明显，夏季对空调的需求持续增加，空调对电力需求的矛盾已经十分尖锐，故热泵在我国有广阔的发展前景。为切实推进节能减排，中央和地方均在采取积极的措施。2006年国家颁布《可再生能源法》，明确指出要促进可再生能源分发展与利用。国家发改委决定在2005年到2007年间，设立可再生能源高新区技术产业化专项资金，其中也包括地源热泵供热和制冷领域。2006年9月，沈阳发布《沈阳市政府关于全面推广地源热泵系统建设和应用工作实施意见》，在宣布三年期间内，在全市推广地源热泵供热技术。重庆市于2006年开始实施可再生能源建筑应用（但水源热泵技术）试点工程，在5年内建设30万平方米示范工程，且通过技术推广，建设节能产业园。所以地源热泵的开发和研究在我国可以得到国家的支持。

1.4.3地源热泵的地域优势

我国地形丰富，幅员辽阔，在地域上具备发展地源热泵条件。我国在发展地源热泵上有一定优势，在长江流域以及周围省市，我国经济高度发达，国民生产总值达全国的48%，是一个人口密集、经济文化较发达地区，气化属于夏热冬冷，该地区供冷供热大致相当，适合在这个地区发展热泵技术。北方地区气候寒冷，空气源热泵热泵易结霜，且效率低，故适合用地源热泵。沿海地区海水资源丰富，具备发展海水源热泵。但即使在我国地源热泵发展具有政策和地域的优势，发展也存在一定的问题，比如空气源热泵、燃煤燃气供热技术相对成熟，要使人们接受地源热泵需要一定的过程和时间，地源热泵需要暖通空调技术和钻井技术配合，两者缺一不可；目前地下水回灌技术并不成熟，对环境有一定影响；地源热泵的前期投资和安装费用大。

第6章 总结
本次的课程设计内容是为西安的一所大学的一栋综合楼设计地源热泵系统，来满足冬季供热要求。根据规范要求，取室内外计算温度分别为18℃和-5℃。建筑在冬季时，由于室内温度高于室外温度，所以建筑向外散热形成热负荷，我们计算热负荷时，根据建筑物的房间对的具体结构，计算出整个建筑所需要热负荷为210.79kW，我们选择的空调系统为闭式系统，末端采用风机盘管进行供热，选择的地源热泵机组型号为BDZW-400，我们根据每个房间的具体热负荷，选取相对应的风机盘管。我们采用的地埋管的连接形式为同程式并联，设计地埋管形式为单U型管，总的地埋管长度为4679.7m，地埋管竖井深度为100m，最后需要的竖井个数为24个。室内循环水系统我们采用异程式连接，最后进行水力计算和水泵选型。
整个系统的主要设备汇总见表6.1。
表6.1主要设备汇总表

设备	型号	台数
地源热泵机组	BDZW-400	1
风机盘管	FP-51K4	40
风机盘管	FP-85K4	8
风机盘管	FP-136K4	2
水泵	IS80-65-125	1
水泵	IS80-65-160	1
膨胀水箱	方形4	1

   
根据本设计，绘制相关示意图，具体为：
GHP-01号图 地源热泵系统原理图；
GHP-02号图 地源热泵系统一层水管及地埋管分布平面图；
GHP-03号图 地源热泵系统二层水管分布平面图；
GHP-04号图 地源热泵系统室内管网分布；
GHP-05号图 地源热泵系统地埋管分布图。

参考文献

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[2] 书本编委会. 暖通空调工程常用数据速查手册[M]. 北京：中国建材出版2006.
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