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機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計開題報告
課題：學(xué)生宿舍地源熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計
專題：總體設(shè)計
專 業(yè)：機(jī)械工程
班 別：機(jī)自041
學(xué) 號：1037
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
完成時間： XX年3月31日
學(xué)生宿舍地源熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計
----總體設(shè)計
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，人類對地源熱泵供熱技術(shù)也進(jìn)行了1系列的改進(jìn)，同時也在積極研究環(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，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)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，為了讓我們在學(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
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。這項技術(shù)最先開始于19XX年，瑞士zoelly提出了“地?zé)嵩礋岜?rdquo;的概念。1946年美國開始對地源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)研究，在俄勒岡州建成第1個地源熱泵系統(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，1997年則安裝了45000臺，目前已安裝了400000臺以上的地源熱泵，并且以每年10%的速度遞長。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鹆巳藗兊闹匾�。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。中國制冷學(xué)會第2專業(yè)委員會主辦了“全國余熱制冷與熱泵技術(shù)學(xué)術(shù)會議”;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”;中國能源研究會地?zé)釋I(yè)委員會于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;從90年代開始，每屆全國暖通制冷學(xué)術(shù)年會上都有“熱泵應(yīng)用”的專題;XX年6月19～23日，中美地源熱泵技術(shù)交流會在北京召開，會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)會熱能動力專業(yè)委員會聯(lián)合發(fā)起并承辦“國際地源熱泵新技術(shù)報告會”于XX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。原因在于要實現(xiàn)100%的回灌，并回灌到同1含水層，不污染地下水，且能長時間穩(wěn)定運(yùn)行，并不容易做到。同時，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。
對于土壤源熱泵的發(fā)展主要是從1998年開始。國內(nèi)數(shù)家大學(xué)建立了土壤源熱泵實驗臺，且大多數(shù)進(jìn)行了地下?lián)Q熱器與地面熱泵設(shè)備的長期聯(lián)合運(yùn)行。其中1998年重慶建筑大學(xué)建設(shè)了包括淺埋豎埋管換熱器和水平埋管換熱器在內(nèi)的熱泵系統(tǒng);1998年青島建工學(xué)院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統(tǒng);湖南大學(xué)1998年建設(shè)了水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng);1999同濟(jì)大學(xué)建設(shè)了垂直土壤源熱泵系統(tǒng)。這些系統(tǒng)為中國推廣土壤源熱泵奠定了基礎(chǔ)。從XX年開始，在國內(nèi)長春、濟(jì)南、溫州、重慶、米泉建立了1系列土壤源熱泵系統(tǒng)的示范工程。土壤源熱泵系統(tǒng)越來越多的被房地產(chǎn)商所關(guān)注和采用。
鑒于國內(nèi)的國情和地源熱泵系統(tǒng)自身的特點，我們對其各自的前景作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。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。而垂直埋管土壤源熱泵，隨著專業(yè)安裝隊伍的發(fā)展，鉆孔設(shè)備的完善，勢必會使造價大幅度降低，無疑會成為今后最有競爭力空調(diào)方式。
3、本課題研究方案：
本課題屬于設(shè)計改造現(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)生的定時供熱，需要的功率及系統(tǒng)響應(yīng)時間問題。
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)計參數(shù)：
每層有14個房間，每間8人，共6層。
3、柳州地區(qū)基本氣象參數(shù)：
根據(jù)物候報告，5月1號到10月1號之間為高溫區(qū)很少用熱水，寒假期間不用熱水
4、本課題具體研究內(nèi)容：
(1)、循環(huán)水換熱器的計算
(2)、土壤熱泵系統(tǒng)(gchp)的土壤換熱器設(shè)計
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)計的核心內(nèi)容，其選擇的形式是否合理，設(shè)計的是否正確，關(guān)系到整個地源熱泵系統(tǒng)能否滿足要求和正常使用。
地下埋管換熱器設(shè)計主要包括地下熱交換器形式及管材選擇，管徑、管長及豎井?dāng)?shù)目、間距確定，管道阻力計算及水泵選型等
(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地大小、當(dāng)?shù)赝寥李愋鸵约巴诰虺杀荆绻麍龅刈銐虼笄覠o堅硬巖石，則水平式較經(jīng)濟(jì);如果場地面積有限時則采用垂直式布置，很多場合下這是唯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個較穩(wěn)定的溫度場，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)點是使地溝長度縮短，而可埋設(shè)的管子長度增加。
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：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)點是：①1個回路具有單1流通通路，管內(nèi)積存的空氣容易排出;
�、诖�(lián)方式1般需采用較大直徑的管子，因此對于單位長度埋管換熱量來講，串聯(lián)方式換熱性能略高于其缺點是：①串聯(lián)方式需采用較大管徑的管子，因而成本較高;
�、谟捎谙到y(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勞動成本增大;
�、芄苈废到y(tǒng)不能太長，否則系統(tǒng)阻力損失太大。
并聯(lián)方式的優(yōu)點是：①由于可用較小管徑的管子，因此成本較串聯(lián)方式低;
�、谒璺纼鲆荷�;
③安裝勞動成本低。
其缺點是：①設(shè)計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;
�、诟鞑⒙�(lián)管道的長度盡量1致(偏差應(yīng)≤10%)，以保證每個并聯(lián)同的流量;
③確保每個并聯(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
�、� 聚乙烯(pe)和聚丁烯(pb)國外地源熱泵系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
�、� pvc(聚氯乙烯)管的導(dǎo)熱性差和可塑性不好，不易彎曲，接頭處耐壓能力差，容易導(dǎo)致泄漏，因此在地源熱泵系統(tǒng)中不推薦用pvc 管
⑶ 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)接和對接聯(lián)接，對于小管徑常采用)
�、齐娙勐�(lián)結(jié)
(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(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)實驗測得)。
6.1 水平埋管：確定管溝數(shù)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(shè)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(wèi) ——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管布置時分別乘上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)。
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