課題：學生宿舍地源熱泵供熱系統設計
專題：總體設計
專 業：機械工程
班 別：機自041
學 號：1037
學生姓名：
指導教師：
完成時間： XX年3月31日
學生宿舍地源熱泵供熱系統設計
----總體設計
1、選題的依據及意義：
1.依據：
進入90年代後，我國的居住環境和工業生產環境都已廣泛地應用熱水供應裝置，熱水供應裝置已成為現代學校居住必備。90年代中期，由於大中城市電力供應緊張，供電部門開始重視需求管理及削峯填谷，熱泵供熱技術提到了議事日程。近年來，由於能源結構的變化，促進了地源熱泵供熱機組的快速發展。
隨着生產和科技的不斷髮展，人類對地源熱泵供熱技術也進行了1系列的改進，同時也在積極研究環保、節能的地源熱泵供熱產品和技術，現在利用成熟的電子技術來進行綜合的控制，並和太陽能結合更注意能源的綜合利用、節能、保護環境及趨向自然的舒適環境必然是今後發展的主題。
2.意義：
地源熱泵技術，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相對穩定的特性，，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温的地方，在夏天還可以將室內的餘熱轉移到低位熱源中，達到降温或製冷的目的。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的供暖方式和中央空調系統。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱，向建築物供暖;夏季它可以代替普通空調向土壤、地下水或者地表水放熱給建築物製冷。同時，它還可供應生活用水，可謂1舉3得，是1種有效地利用能源的方式。通常根據熱泵的熱源(heat source)和熱匯(heat sink)(冷源)的不同，主要分成3類：
空氣源熱泵系統 ( air-source heat pump) ashp
水源熱泵系統 (water- source heat pump) wshp
地源熱泵系統 (ground- source heat pump)gshp
平時還有人把熱泵系統按照1次和2次介質的不同，分別叫做：
空氣---水熱泵系統
水 --- 空氣熱泵系統
水 --- 水熱泵系統
空氣---空氣熱泵系統
這些都是把熱源、熱匯以及空調系統的傳遞介質也包括進來分類形成的。
為了和國際標準接軌，我們還是應該依照國際慣例來命名。在1997年由美國的ashrae(美國採暖、製冷與空調工程師學會)統1了標準術語，無論是wshp、gshp都叫做gshp--地源熱泵系統。
另外，為了讓我們在學習和討論中更方便，介紹1些地源熱泵室外能量交換系統的概念：
土壤埋管系統----土壤換熱器(水平埋管、豎直埋管)
地下水系統
地表水系統
這些都是地源熱泵的熱源或熱匯形式。(具體參見下圖)
圖。1。1土壤換熱器(水平埋管)圖
圖。1。2土壤換熱器(豎直埋管)圖
圖。1。3 地表水系統圖
圖。1。4 地下水系統圖
2、國內外研究現狀及發展趨勢
1、地源熱泵的發展歷史
地源熱泵是1種先進的技術，它高效、節能、環保，有利於可持續發展。這項技術最先開始於19XX年，瑞士zoelly提出了“地熱源熱泵”的概念。1946年美國開始對地源熱泵進行系統研究，在俄勒岡州建成第1個地源熱泵系統，運行很成功，由此掀起了地源熱泵系統在美國的商用高潮。1985年美國安裝地源熱泵14000台，1997年則安裝了45000台，目前已安裝了400000台以上的地源熱泵，並且以每年10%的速度遞長。1998年美國商用建築的地源熱泵空調系統已經佔到空調保有量的19%以上，其中在新建築裏面佔30%。在歐洲國家裏更多的是利用淺層地熱資源，來供熱或者取暖。上個世紀70年代以來，隨着能源和環境問題的逐漸變得嚴重，在各個方面節能也被更多的考慮，以可再生的地熱源為能源的地源熱泵又引起了人們的重視。尤其是近年來，隨着能源和環境問題的日益突出，地源熱泵的研究和應用發展迅速，國內外的很多高校和研究機構相繼開展了理論和實際應用方面的研究。隨着研究的深入，我們的地源熱泵研究工作者在全國範圍內舉行了各種交流探討會。中國製冷學會第2專業委員會主辦了“全國餘熱製冷與熱泵技術學術會議”;1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應用與發展問題專家研討會”;中國能源研究會地熱專業委員會於1994年9月6日至8日在北京召開了第4次全國地熱能開發利用研討會;從90年代開始，每屆全國暖通製冷學術年會上都有“熱泵應用”的專題;XX年6月19～23日，中美地源熱泵技術交流會在北京召開，會議介紹了地源熱泵技術，國外的應用狀況和在中國的推廣;山東建築工程學院地源熱泵研究所與山東建築學會熱能動力專業委員會聯合發起並承辦“國際地源熱泵新技術報告會”於XX年3月17日在山東建築工程學院舉行，加強了國內外地源熱泵先進技術的交流。
2、地源熱泵在中國的發展現狀及前景：
目前在中國，地下水熱泵系統已開始廣泛使用，而土壤源熱泵系統尚處於研究機構工程摸索和研究階段。
從有關調查來看，地下水熱泵工程真正成功的並不多。原因在於要實現100%的回灌，並回灌到同1含水層，不污染地下水，且能長時間穩定運行，並不容易做到。同時，還出現了大量不進行回灌的熱泵工程，更有甚者，出現了直接利用地下水通入風機盤管內進行空調。這樣做，1則污染水體，2則浪費水資源。
對於土壤源熱泵的發展主要是從1998年開始。國內數家大學建立了土壤源熱泵實驗台，且大多數進行了地下換熱器與地面熱泵設備的長期聯合運行。其中1998年重慶建築大學建設了包括淺埋豎埋管換熱器和水平埋管換熱器在內的熱泵系統;1998年青島建工學院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統;湖南大學1998年建設了水平埋管土壤源熱泵系統;1999同濟大學建設了垂直土壤源熱泵系統。這些系統為中國推廣土壤源熱泵奠定了基礎。從XX年開始，在國內長春、濟南、温州、重慶、米泉建立了1系列土壤源熱泵系統的示範工程。土壤源熱泵系統越來越多的被房地產商所關注和採用。
鑑於國內的國情和地源熱泵系統自身的特點，我們對其各自的前景作1分析。隨着地下水熱泵工程技術改進和規範化，由於其突出的節能和保護大氣環境的功能，還是存在着巨大的潛在的市場。水平埋管土壤源熱泵，雖然佔地面積大，但靠地表換熱可以自然恢復地温，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區應用比較有優勢。而垂直埋管土壤源熱泵，隨着專業安裝隊伍的發展，鑽孔設備的完善，勢必會使造價大幅度降低，無疑會成為今後最有競爭力空調方式。
3、本課題研究方案：
本課題屬於設計改造現有熱水系統，學校宿舍的熱水供應系統。在改造中應該充分考慮到：
1、 學生的定時供熱，需要的功率及系統響應時間問題。
2、 屬於改造系統，要和現有的系統相結合。
3、 考慮到成本問題，造價是否合理。
4、 在使用過程中維護的費用及技術的要求是否合理。
5、 運行的安全及噪音處理問題。
6、 廢物的處理及環保問題。
4、本課題研究的內容：
廣西工學院北區5#的熱水供應改裝。
1、該大樓空調工程包括：
1-6層的熱水供應，所有宿舍。
2、設計參數：
每層有14個房間，每間8人，共6層。
3、柳州地區基本氣象參數：
根據物候報告，5月1號到10月1號之間為高温區很少用熱水，寒假期間不用熱水
(1)、循環水換熱器的計算
(2)、土壤熱泵系統(gchp)的土壤換熱器設計
地下埋管換熱器是地源熱泵系統的關鍵組成部分，是土壤源熱泵系統設計的核心內容，其選擇的形式是否合理，設計的是否正確，關係到整個地源熱泵系統能否滿足要求和正常使用。
地下埋管換熱器設計主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井數目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等
(3)、佈置型式
目前地源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種佈置型式，即水平埋管和垂直埋管。選擇方式主要取決於場地大小、當地土壤類型以及挖掘成本，如果場地足夠大且無堅硬巖石，則水平式較經濟;如果場地面積有限時則採用垂直式佈置，很多場合下這是唯1的選擇。
儘管水平佈置通常是淺層埋管，初投資1般會便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，並且往往受可利用土地面積的限制，故1般採用垂直埋管佈置方式。
3.1 水平埋管
水平埋管主要有單溝單管、單溝雙管、單溝2層雙管、單溝2層4管、單溝2層6管等形式，由於多層埋管的下層管處於1個較穩定的温度場，換熱效率好於單層，而且佔地面積較少，因此應用多層管的較多。(單層管最佳深度1。2～2。0m，雙層管1。6～2。4m)
近年來國外又新開發了兩種水平埋管形式，1種是扁平曲線狀管，另1種是螺旋狀管。它們的優點是使地溝長度縮短，而可埋設的管子長度增加。
3.2 垂直埋管
根據埋管形式的不同，1般有單u 形管，雙u 形管，套管式管，小直徑螺旋盤管和大直徑螺旋盤管，立式柱狀管、蜘蛛狀管等形式;按埋設深度不同分為淺埋(≤30m)、中埋(31～80m)和深埋(>80m)。
1)u 形管型：是在鑽孔的管井內安裝u 形管，1般管井直徑為100～150mm，井深10~200m，u 形管徑1般在φ50mm 以下
2)套管式換熱器：的外管直徑1般為100～200mm，內管為φ15～φ25mm。其換熱效率較u 形管提高16。7%。缺點：⑴下管比較困難，初投資比u 形管高。⑵在套管端部與內管進、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用於深度≤30m 的豎埋直管，對中埋採用此種形式宜慎重。
(4)、地下埋管系統環路方式：串聯方式和並聯方式
串聯方式的優點是：①1個迴路具有單1流通通路，管內積存的空氣容易排出;
②串聯方式1般需採用較大直徑的管子，因此對於單位長度埋管換熱量來講，串聯方式換熱性能略高於其缺點是：①串聯方式需採用較大管徑的管子，因而成本較高;
②由於系統管徑大，在冬季氣温低地區，系統內需充注的防凍液(如乙醇水溶液)多;
③安裝勞動成本增大;
④管路系統不能太長，否則系統阻力損失太大。
並聯方式的優點是：①由於可用較小管徑的管子，因此成本較串聯方式低;
②所需防凍液少;
③安裝勞動成本低。
其缺點是：①設計安裝中必須特別注意確保管內流體流速較高，以充分排出空氣;
②各並聯管道的長度儘量1致(偏差應≤10%)，以保證每個並聯同的流量;
③確保每個並聯迴路的進口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可達到此目的。
從國內外工程實踐來看，中、深埋管採用並聯方式者居多;淺埋管採用串聯方式的多
(5)土壤換熱器的埋管材料迴路有相
5.1 管材選擇
1般來講，1旦將地下埋管系統換熱器埋入地下後，基本不可能進行維修或更換，因此地下的管材應首先要保證其具有良好的化學穩定性、耐腐性
⑴ 聚乙烯(pe)和聚丁烯(pb)國外地源熱泵系統中得到了廣泛應用。
⑵ pvc(聚氯乙烯)管的導熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導致泄漏，因此在地源熱泵系統中不推薦用pvc 管
⑶ 為了強化地下埋管的換熱，國外有的提出採用薄壁(0。5mm)的不鏽鋼鋼管，但目前實際應用不多。
5.2 管件與連接
⑴熱熔聯接(承接聯接和對接聯接，對於小管徑常採用)
⑵電熔聯結
(6)、埋管管長與埋管間距的確定
地下熱交換器長度的確定除了已確定的系統佈置和管材外，還需要有當地的土壤技術資料，如地下温度、傳熱係數等(可以通過熱響應實驗測得)。
6.1 水平埋管：確定管溝數目及間距
埋管管長的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40w/m(管長)左右，;設計時可取換熱能力的下限值，即20 w/m。
單溝單管埋管總長具體計算公式如下：
其中l ——埋管總長，m
1 q ——冬季從土壤取出的熱量，kw，
分母“20”是每m 管長冬季從土壤取出的熱量，w/m
單溝雙管、單溝2層雙管、單溝2層4管、單溝2層6管佈置時分別乘上0。9、0。85、0。75、0。70 的熱干擾係數(熱協調係數)。
為了防止埋管間的熱干擾，必須保證埋管之間有1定的間距。該間距的大小與運行狀況(如連續運行還是間歇運行;間歇運行的開、停機比等)、埋管的佈置形式(如單行佈置，只有兩邊有熱干擾;多排佈置，4面均有熱干擾)等等有關。