廣西工學(xué)院機(jī)械工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告

　　課題：學(xué)生宿舍地源熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　專題：總體設(shè)計(jì)

　　專 業(yè)：機(jī)械工程

　　班 別：機(jī)自041

　　學(xué) 號(hào)：2

　　學(xué)生姓名：

　　指導(dǎo)教師：

　　完成時(shí)間： 2019年3月31日

　　學(xué)生宿舍地源熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　----總體設(shè)計(jì)

　　1、選題的依據(jù)及意義：

　　1.依據(jù)：

　　進(jìn)入90年代后，我國的居住環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境都已廣泛地應(yīng)用熱水供應(yīng)裝置，熱水供應(yīng)裝置已成為現(xiàn)代學(xué)校居住必備。90年代中期，由于大中城市電力供應(yīng)緊張，供電部門開始重視需求管理及削峰填谷，熱泵供熱技術(shù)提到了議事日程。近年來，由于能源結(jié)構(gòu)的變化，促進(jìn)了地源熱泵供熱機(jī)組的快速發(fā)展。

　　隨著生產(chǎn)和科技的不斷發(fā)展，人類對(duì)地源熱泵供熱技術(shù)也進(jìn)行了1系列的改進(jìn)，同時(shí)也在積極研究環(huán)保、節(jié)能的地源熱泵供熱產(chǎn)品和技術(shù)，現(xiàn)在利用成熟的電子技術(shù)來進(jìn)行綜合的控制，并和太陽能結(jié)合更注意能源的綜合利用、節(jié)能、保護(hù)環(huán)境及趨向自然的舒適環(huán)境必然是今后發(fā)展的主題。

　　2.意義：

　　地源熱泵技術(shù)，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對(duì)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(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，達(dá)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(wǎng)等傳統(tǒng)的供暖方式和中央空調(diào)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;夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時(shí)，它還可供應(yīng)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(jù)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(tǒng) ( air-source heat pump) ASHP

　　水源熱泵系統(tǒng) (water- source heat pump) WSHP

　　地源熱泵系統(tǒng) (ground- source heat pump)GSHP

　　平時(shí)還有人把熱泵系統(tǒng)按照1次和2次介質(zhì)的不同，分別叫做：

　　空氣---水熱泵系統(tǒng)

　　水 --- 空氣熱泵系統(tǒng)

　　水 --- 水熱泵系統(tǒng)

　　空氣---空氣熱泵系統(tǒng)

　　這些都是把熱源、熱匯以及空調(diào)系統(tǒng)的傳遞介質(zhì)也包括進(jìn)來分類形成的。

　　為了和國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，我們還是應(yīng)該依照國際慣例來命名。在1997年由美國的ASHRAE(美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì))統(tǒng)1了標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語，無論是WSHP、GSHP都叫做GSHP--地源熱泵系統(tǒng)。

　　另外，為了讓我們?cè)趯W(xué)習(xí)和討論中更方便，介紹1些地源熱泵室外能量交換系統(tǒng)的概念：

　　土壤埋管系統(tǒng)----土壤換熱器(水平埋管、豎直埋管)

　　地下水系統(tǒng)

　　地表水系統(tǒng)

　　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(tǒng)圖

　　圖。1。4 地下水系統(tǒng)圖

　　2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　1。 地源熱泵的發(fā)展歷史

　　地源熱泵是1種先進(jìn)的技術(shù)，它高效、節(jié)能、環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)最先開始于192019年，瑞士Zoelly提出了“地?zé)嵩礋岜?rdquo;的概念。1946年美國開始對(duì)地源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)研究，在俄勒岡州建成第1個(gè)地源熱泵系統(tǒng)，運(yùn)行很成功，由此掀起了地源熱泵系統(tǒng)在美國的商用高潮。1985年美國安裝地源熱泵14000臺(tái)，1997年則安裝了45000臺(tái)，目前已安裝了400000臺(tái)以上的地源熱泵，并且以每年10%的速度遞長(zhǎng)。1998年美國商用建筑的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)占到空調(diào)保有量的19%以上，其中在新建筑里面占30%。在歐洲國家里更多的是利用淺層地?zé)豳Y源，來供熱或者取暖。上個(gè)世紀(jì)70年代以來，隨著能源和環(huán)境問題的逐漸變得嚴(yán)重，在各個(gè)方面節(jié)能也被更多的考慮，以可再生的地?zé)嵩礊槟茉吹牡卦礋岜糜忠�起了人們的重視。尤其是近年來，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，地源熱泵的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，國內(nèi)外的很多高校和研究機(jī)構(gòu)相繼開展了理論和實(shí)際應(yīng)用方面的研究。隨著研究的深入，我們的地源熱泵研究工作者在全國范圍內(nèi)舉行了各種交流探討會(huì)。中國制冷學(xué)會(huì)第2專業(yè)委員會(huì)主辦了“全國余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議”;1988年中科院廣州能源研究所主辦了“熱泵在我國應(yīng)用與發(fā)展問題專家研討會(huì)”;中國能源研究會(huì)地?zé)釋�業(yè)委員會(huì)于1994年9月6日至8日在北京召開了第4次全國地?zé)崮荛_發(fā)利用研討會(huì);從90年代開始，每屆全國暖通制冷學(xué)術(shù)年會(huì)上都有“熱泵應(yīng)用”的專題;2019年6月19～23日，中美地源熱泵技術(shù)交流會(huì)在北京召開，會(huì)議介紹了地源熱泵技術(shù)，國外的應(yīng)用狀況和在中國的推廣;山東建筑工程學(xué)院地源熱泵研究所與山東建筑學(xué)會(huì)熱能動(dòng)力專業(yè)委員會(huì)聯(lián)合發(fā)起并承辦“國際地源熱泵新技術(shù)報(bào)告會(huì)”于2019年3月17日在山東建筑工程學(xué)院舉行，加強(qiáng)了國內(nèi)外地源熱泵先進(jìn)技術(shù)的交流。

　　2.地源熱泵在中國的發(fā)展現(xiàn)狀及前景：

　　目前在中國，地下水熱泵系統(tǒng)已開始廣泛使用，而土壤源熱泵系統(tǒng)尚處于研究機(jī)構(gòu)工程摸索和研究階段。

　　從有關(guān)調(diào)查來看，地下水熱泵工程真正成功的并不多。原因在于要實(shí)現(xiàn)100%的回灌，并回灌到同1含水層，不污染地下水，且能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，并不容易做到。同時(shí)，還出現(xiàn)了大量不進(jìn)行回灌的熱泵工程，更有甚者，出現(xiàn)了直接利用地下水通入風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)進(jìn)行空調(diào)。這樣做，1則污染水體，2則浪費(fèi)水資源。

　　鑒于國內(nèi)的國情和地源熱泵系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，我們對(duì)其各自的前景作1分析。隨著地下水熱泵工程技術(shù)改進(jìn)和規(guī)范化，由于其突出的節(jié)能和保護(hù)大氣環(huán)境的功能，還是存在著巨大的潛在的市場(chǎng)。水平埋管土壤源熱泵，雖然占地面積大，但靠地表換熱可以自然恢復(fù)地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區(qū)應(yīng)用比較有優(yōu)勢(shì)。而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業(yè)安裝隊(duì)伍的發(fā)展，鉆孔設(shè)備的完善，勢(shì)必會(huì)使造價(jià)大幅度降低，無疑會(huì)成為今后最有競(jìng)爭(zhēng)力空調(diào)方式。

　　3、本課題研究方案：

　　本課題屬于設(shè)計(jì)改造現(xiàn)有熱水系統(tǒng)，學(xué)校宿舍的熱水供應(yīng)系統(tǒng)。在改造中應(yīng)該充分考慮到：

　　1、 學(xué)生的定時(shí)供熱，需要的功率及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間問題。

　　2、 屬于改造系統(tǒng)，要和現(xiàn)有的系統(tǒng)相結(jié)合。

　　3、 考慮到成本問題，造價(jià)是否合理。

　　4、 在使用過程中維護(hù)的費(fèi)用及技術(shù)的要求是否合理。

　　5、 運(yùn)行的安全及噪音處理問題。

　　6、 廢物的處理及環(huán)保問題。

　　4、本課題研究的內(nèi)容：

　　廣西工學(xué)院北區(qū)5#的熱水供應(yīng)改裝。

　　1、該大樓空調(diào)工程包括：

　　1-6層的熱水供應(yīng)，所有宿舍。

　　2、設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　每層有14個(gè)房間，每間8人，共6層。

　　3、柳州地區(qū)基本氣象參數(shù)：

　　根據(jù)物候報(bào)告，5月1號(hào)到10月1號(hào)之間為高溫區(qū)很少用熱水，寒假期間不用熱水

　　4、本課題具體研究?jī)?nèi)容：

　　(1)、循環(huán)水換熱器的計(jì)算

　　(2)、土壤熱泵系統(tǒng)(GCHP)的土壤換熱器設(shè)計(jì)

　　地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，其選擇的形式是否合理，設(shè)計(jì)的是否正確，關(guān)系到整個(gè)地源熱泵系統(tǒng)能否滿足要求和正常使用。

　　地下埋管換熱器設(shè)計(jì)主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長(zhǎng)及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計(jì)算及水泵選型等

　　(3)、布置型式

　　目前地源熱泵地下埋管換熱器主要有兩種布置型式，即水平埋管和垂直埋管。選擇方式主要取決于場(chǎng)地大小、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约巴诰虺杀�，如果�?chǎng)地足夠大且無堅(jiān)硬巖石，則水平式較經(jīng)濟(jì);如果場(chǎng)地面積有限時(shí)則采用垂直式布置，很多場(chǎng)合下這是唯1的選擇。

　　盡管水平布置通常是淺層埋管，初投資1般會(huì)便宜些，但它的換熱性能比豎埋管小很多，并且往往受可利用土地面積的限制，故1般采用垂直埋管布置方式。

　　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，由于多層埋管的下層管處于1個(gè)較穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，換熱效率好于單層，而且占地面積較少，因此應(yīng)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(fā)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(yōu)點(diǎn)是使地溝長(zhǎng)度縮短，而可埋設(shè)的管子長(zhǎng)度增加。

　　3。2 垂直埋管

　　根據(jù)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(shè)深度不同分為淺埋(≤30m)、中埋(31～80m)和深埋(>80m)。

　　1)U 形管型：是在鉆孔的管井內(nèi)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(nèi)管為φ15～φ25mm。其換熱效率較U 形管提高16。7%。缺點(diǎn)：⑴下管比較困難，初投資比U 形管高。⑵在套管端部與內(nèi)管進(jìn)、出水連接處不好處理，易泄漏，因此適用于深度≤30m 的豎埋直管，對(duì)中埋采用此種形式宜慎重。

　　(4)、地下埋管系統(tǒng)環(huán)路方式：串聯(lián)方式和并聯(lián)方式

　　串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是：①1個(gè)回路具有單1流通通路，管內(nèi)積存的空氣容易排出;

　�、诖�聯(lián)方式1般需采用較大直徑的管子，因此對(duì)于單位長(zhǎng)度埋管換熱量來講，串聯(lián)方式換熱性能略高于

　　其缺點(diǎn)是：①串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高;

　　②由于系統(tǒng)管徑大，在冬季氣溫低地區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)需充注的防凍液(如乙醇水溶液)多;

　�、郯惭b勞動(dòng)成本增大;

　　④管路系統(tǒng)不能太長(zhǎng)，否則系統(tǒng)阻力損失太大。

　　并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是：①由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯(lián)方式低;

　�、谒�需防凍液少;

　�、郯惭b勞動(dòng)成本低。

　　其缺點(diǎn)是：①設(shè)計(jì)安裝中必須特別注意確保管內(nèi)流體流速較高，以充分排出空氣;

　　②各并聯(lián)管道的長(zhǎng)度盡量1致(偏差應(yīng)≤10%)，以保證每個(gè)并聯(lián)同的流量;

　�、鄞_保每個(gè)并聯(lián)回路的進(jìn)口與出口有相同的壓力，使用較大管徑的管子做集箱，可達(dá)到此目的。

　　從國內(nèi)外工程實(shí)踐來看，中、深埋管采用并聯(lián)方式者居多;淺埋管采用串聯(lián)方式的多

　　(5)土壤換熱器的埋管材料回路有相

　　5。1 管材選擇

　　1般來講，1旦將地下埋管系統(tǒng)換熱器埋入地下后，基本不可能進(jìn)行維修或更換，因此地下的管材應(yīng)首先要保證其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐性

　�、� 為了強(qiáng)化地下埋管的換熱，國外有的提出采用薄壁(0。5mm)的不銹鋼鋼管，但目前實(shí)際應(yīng)用不多。

　　5。2 管件與連接

　�、艧崛勐�(lián)接(承接聯(lián)接和對(duì)接聯(lián)接，對(duì)于小管徑常采用)

　�、齐娙勐�(lián)結(jié)

　　(6)、埋管管長(zhǎng)與埋管間距的確定

　　地下熱交換器長(zhǎng)度的確定除了已確定的系統(tǒng)布置和管材外，還需要有當(dāng)?shù)氐耐寥兰夹g(shù)資料，如地下溫度、傳熱系數(shù)等(可以通過熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。

　　6。1 水平埋管：確定管溝數(shù)目及間距

　　埋管管長(zhǎng)的估算：利用管材“換熱能力”，即單位埋管管長(zhǎng)的換熱量。水平埋管單位管材“換熱能力”在20～40W/m(管長(zhǎng))左右，;設(shè)計(jì)時(shí)可取換熱能力的下限值，即20 W/m。

　　單溝單管埋管總長(zhǎng)具體計(jì)算公式如下：

　　其中L ——埋管總長(zhǎng)，m

　　1 Q ——冬季從土壤取出的熱量，Kw，

　　分母“20”是每m 管長(zhǎng)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管布置時(shí)分別乘上0。9、0。85、0。75、0。70 的熱干擾系數(shù)(熱協(xié)調(diào)系數(shù))。

　　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(yùn)行狀況(如連續(xù)運(yùn)行還是間歇運(yùn)行;間歇運(yùn)行的開、停機(jī)比等)、埋管的布置形式(如單行布置，只有兩邊有熱干擾;多排布置，4面均有熱干擾)等等有關(guān)。