機械工程專業(yè)畢業(yè)設計論文開題報告

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　　課題：學生宿舍地源熱泵供熱系統(tǒng)設計

　　專題：總體設計

　　專 業(yè)：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(tǒng)設計

　　----總體設計

　　1、選題的依據及意義：

　　1.依據：

　　進入90年代后，我國的居住環(huán)境和工業(yè)生產環(huán)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，由于大中城市電力供應緊張，供電部門開始重視需求管理及削峰填谷，熱泵供熱技術提到了議事日程。近年來，由于能源結構的變化，促進了地源熱泵供熱機組的快速發(fā)展。

　　隨著生產和科技的不斷發(fā)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(huán)保、節(jié)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，并和太陽能結合更注意能源的綜合利用、節(jié)能、保護環(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，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;夏季它可以代替普通空調向土壤、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(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、熱匯以及空調系統(tǒng)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(美國采暖、制冷與空調工程師學會)統(tǒng)1了標準術語，無論是wshp、gshp都叫做gshp--地源熱泵系統(tǒng)。

　　另外，為了讓我們在學習和討論中更方便，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、國內外研究現狀及發(fā)展趨勢

　　1、地源熱泵的發(fā)展歷史

　　地源熱泵是1種先進的技術，它高效、節(jié)能、環(huán)保，有利于可持續(xù)發(fā)展。這項技術最先開始于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(tǒng)研究，在俄勒岡州建成第1個地源熱泵系統(tǒng)，運行很成功，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系統(tǒng)已經占到空調保有量的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熱資源，來供熱或者取暖。上個世紀70年代以來，隨著能源和環(huán)境問題的逐漸變得嚴重，在各個方面節(jié)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，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，地源熱泵的研究和應用發(fā)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。隨著研究的深入，我們的地源熱泵研究工作者在全國范圍內舉行了各種交流探討會。中國制冷學會第2專業(yè)委員會主辦了“全國余熱制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(fā)展問題專家研討會”;中國能源研究會地熱專業(yè)委員會于1994年9月6日至8日在北京召開了第4次全國地熱能開發(fā)利用研討會;從90年代開始，每屆全國暖通制冷學術年會上都有“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;山東建筑工程學院地源熱泵研究所與山東建筑學會熱能動力專業(yè)委員會聯合發(fā)起并承辦“國際地源熱泵新技術報告會”于XX年3月17日在山東建筑工程學院舉行，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(fā)展現狀及前景：

　　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并不多。原因在于要實現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)定運行，并不容易做到。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。

　　對于土壤源熱泵的發(fā)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臺，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年重慶建筑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(tǒng);1998年青島建工學院建成了聚乙烯垂直土壤源熱泵系統(tǒng);湖南大學1998年建設了水平埋管土壤源熱泵系統(tǒng);1999同濟大學建設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。從XX年開始，在國內長春、濟南、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商所關注和采用。

　　鑒于國內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改進和規(guī)范化，由于其突出的節(jié)能和保護大氣環(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地溫，在年排熱量和吸熱量不平衡的地區(qū)應用比較有優(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方式。

　　3、本課題研究方案：

　　本課題屬于設計改造現有熱水系統(tǒng)，學校宿舍的熱水供應系統(tǒng)。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(tǒng)響應時間問題。

　　2、 屬于改造系統(tǒng)，要和現有的系統(tǒng)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(huán)保問題。

　　4、本課題研究的內容：

　　廣西工學院北區(qū)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(qū)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)的土壤換熱器設計

　　地下埋管換熱器是地源熱泵系統(tǒng)的關鍵組成部分，是土壤源熱泵系統(tǒng)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)、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：是在鉆孔的管井內安裝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：串聯方式和并聯方式

　　串聯方式的優(yōu)點是：①1個回路具有單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，串聯方式換熱性能略高于其缺點是：①串聯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，因此成本較串聯方式低;

　　②所需防凍液少;

　�、郯惭b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;

　�、诟鞑⒙摴艿赖拈L度盡量1致(偏差應≤10%)，以保證每個并聯同的流量;

　　③確保每個并聯回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、深埋管采用并聯方式者居多;淺埋管采用串聯方式的多

　　(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(wěn)定性、耐腐性

　�、� 聚乙烯(pe)和聚丁烯(pb)國外地源熱泵系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

　�、� 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(tǒng)中不推薦用pvc 管

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

　　5.2 管件與連接

　�、艧崛勐摻�(承接聯接和對接聯接，對于小管徑常采用)

　�、齐娙勐摻Y

　　(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，還需要有當地的土壤技術資料，如地下溫度、傳熱系數等(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(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(熱協(xié)調系數)。

　　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(xù)運行還是間歇運行;間歇運行的開、停機比等)、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。

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