1、 毕 业 论 文题 目： 地源热泵空调系统的研究系 部： 土木工程系 专 业： 建筑设备工程技术专业 班 级： 0931班 姓 名： 学 号： 200904043131 指导教师： 2011年 11 月 16 日内容摘要地源热泵是利用水与地能（地下水、土壤或地表水）进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地能中的热量"取"出来，供给室内采暖，此时地能为"热源"；夏季把室内热量取出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地能为"冷源"。通常地源热泵消耗1kW的能量，用户可以得到4kW以上的热量或冷量。与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉
2、供热只能将90%以上的电能或7090%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要地源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。地能分别在冬季作为热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在冬季，把地能中的热量“比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1025，其制冷、制热系数可达3.54.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的5060。因此，近十几年来，尤其是近
3、五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术 关键字： 地源热泵 换热器 侧盘管 风机 空气过滤器目 录第一章 地源热泵的简介4 一、地源热泵的产生和定义4 二、地源热泵的主要用途及特点 5 三、地源热泵的分类6第二章 地源热泵的结构和工作原理 8 一、地源热泵的组成与基本结构8 二、地源热泵的工作原理简介11第三章 DS040型地源热泵机组的设计12 一、DS040型机组制冷剂的选择16 二、DSO40型机组压缩机的选择16 三、DSO40型机组换热器的选择
4、16 四、DSO40型热泵机组外壳设计18第四章 热泵机组的安装与调试19 一、机组组件的安装19 二、机组的调试、常见故障及简单故障的处理方法19设计体会 21致 谢22参考文献23 DS040型地源热泵机组安装流程设计第一章 地源热泵的简介一、地源热泵的产生和定义进入90年代后，我国的居住环境和工业生产环境都已广泛地应用空调，空调技术已成为衡量建筑现代化水平的重要标志之一 。90年代中期，由于大中城市电力供应紧张，供电部门开始重视需求管理及削峰填谷，蓄冷空调技术提到了议事日程。近年来，由于能源结构的变化，促进了吸收式冷热水机组的快速发展，以及热泵技术在长江中下游地区的应用。1. 地源热泵的
5、产生地源一词是从英文“ground source”翻译而来，汉语的内涵则十分广泛，应包括所有地下资源的含义。地源热泵技术产生于1912年，距今已有百年历史。在空调业内，目前仅指地壳表层（小于400米）范围内的低温热资源，它的热源主要来自太阳能，极少能量来自地球内部的地热能。地球表面的水体和土、岩石是一个巨大的太阳能集热器，收集47%的太阳辐射热能，这个能量比人类每年利用能量的500倍还要多，它几乎是无限的可再生的能源。而地源热泵的技术思路则是以少量高品位能源（电能），实现低品位热能向高品位转移。地源介质在冬季作为热泵供暖的热源和夏季制冷的冷源。即在冬季把地源介质中的热量“吸取“出来，提高循环介
6、质温度后，供人采暖；夏季把室内的热量取出来，释放到地源介质中去，由地源介质将其储存。2. 地源热泵的定义地源热泵是以地球表面浅层土壤作为热源（热汇），将传统空调的冷凝器（或蒸发器）中需要排放（或吸收）的热量通过中间介质（通常是水）作为载体，并使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动，从而实现与大地进行冷热交换的目的。二、地源热泵的主要用途及特点1. 地源热泵的主要用途地源热泵系统的能量来源于自然能源。它不向外界排放任何废气、废水、废渣、是一种理想的“绿色空调”。被认为是目前可使用的对环境最友好和最有效的供热、供冷系统。该系统无论严寒地区或热带地区均可应用。可广阔应用在办公楼、宾馆、学校、宿舍、医
7、院、饭店、商场、别墅、住宅等领域。2. 地源热泵的特点(1)利用可再生能源：属可再生能源利用技术,地源热泵从常温土壤或地表水（地下水）中吸热或向其排热，利用的是可再生的清洁能源，可持续使用。(2)高效节能，运行费用低：属经济有效的节能技术?地源热泵的冷热源温度一年四季相对稳定，冬季比环境空气温度高，夏季比环境空气温度低，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高40%，因此要节能和节省运行费用40%左右。另外，地能温度较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。(3)节水省地：以土壤(水)为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不消耗水资源，不会对其造
8、成污染。 省去了锅炉房及附属煤场、储油房、冷却塔等设施，机房面积大大小于常规空调系统，节省建筑空间，也有利于建筑的美观。(4)环境效益显著?该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，在供热时，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，不会产生城市热岛效应，对环境非常友好，是理想的绿色环保产品。 (5)运行安全稳定，可靠性高：地源热泵系统在运行中无燃烧设备，因此不可能产生二氧化碳、一氧化碳之类的废气，也不存在丙烷气体，因而也不会有发生爆炸的危险，使用安全。燃油、燃气锅炉供暖，其燃烧产物对居住环境污染极重，影响人们的生命健康。由于土壤深处温度非常恒定，主机吸热或放热
9、不受外界气候影响，运行工况非常稳定，优于其它空调设备。不存在空气源热泵供热不足，甚至不能制热的问题。整个系统的维护费用也较锅炉制冷机系统大大减少，保证了系统的高效性和经济性。维修量极少，折旧费和维修费也都大大地低于传统空调。(6)一机两用，应用范围广地源热泵系统可供暖、制冷，一套系统可以代替原来的锅炉加制冷机的两套装置或系统。可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，更适合于住宅的采暖、供冷。 (7)自动运行 地源热泵机组由于工况稳定，所以可以设计简单系统，部件较少，机组运行简单可靠，维护费低；自动控制程度高，可无人值守；此外，机组使用寿命长，均在20年以上。 三、地源热泵的分类地源热泵在国内也
10、被称为地热泵。根据利用地热源的种类和方式不同可以分为以下3类：土壤源热泵或称土壤耦合热泵（GCHP）、地下水热泵（GWHP）、地表水热泵（SWHP）。1. 土壤源热泵土壤源热泵以大地作为热源和热汇，热泵的换热器埋于地下，与大地进行冷热交换。土壤源热泵系统主机通常采用水水热泵机组或水气热泵机组。根据地下热交换器的布置形式，主要分为垂直埋管、水平埋管和蛇行埋管类。垂直埋管换热器通常采用的是型方式，按其埋管深度可分为浅层（ ），中层（ ）和深层（ ）种。埋管深，地下岩土温度比较稳定，钻孔占地面积较少，但相应会带来钻孔、钻孔设备的经费和高承压埋管的造价提高。总的来说，垂直埋管换热器热泵系统优势在于：（
11、）占地面积小；（）土壤的温度和热特性变化小；（）需要的管材最少，泵耗能低；（）能效比很高。而劣势主要在于：由于相应的施工设备和施工人员的缺乏，造价偏高。水平埋管换热器有单管和多管种形式。其中单管水平换热器占地面积最大，虽然多管水平埋管换热器占地面积有所减少，但管长应相应增加来补偿相邻管间的热干扰。水平埋管换热器热泵系统由于施工设备广泛使用而且施工人员易找，又加上许多家庭有足够大的施工场地，因此造价就可以减下来。除需要较大场地外，水平埋管换热器系统的劣势还在于：运行性能上不稳定（由于浅层大地的温度和热特性随着季节、降雨以及埋深而变化）；泵耗能较高；系统效率降低。蛇行埋管换热器比较适用于场地有限又
12、较经济的情况下。虽然挖掘量只有单管水平埋管换热器，但是用管量会明显增加。这种方式优缺点类似于水平埋管换热器，所以有的文献将其归入水平埋管换热器。2. 地下水热泵在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地源热泵系统是地下水热泵系统。目前在民用中已经很少使用，主要应用在商业建筑中。最常用的系统形式是采用水水式板式换热器，一侧走地下水，一侧走热泵机组冷却水。早期的地下水系统采用的是单井系统，即将地下水经过板式换热器后直接排放。这样做，一则浪费地下水资源，二则容易造成地层塌陷，引起地质灾害。于是产生了双井系统，一个井抽水，一个井回灌。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低，另外水井很紧凑，不
13、占什么场地，技术也相对比较成熟，水井承包商也容易找。其劣势就在于：（）有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；（）可供的地下水有限；（）如水质不好或打井不合格要注意水处理；（）如泵选择过大、控制不良或水井与建筑偏远，泵耗能就会过大。3. 地表水热泵地表水热泵系统主要有开路和闭路系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。但是，在公共用的河中，管道或水中的其他设备容易受到损害。另外，如果湖泊过小或过浅，湖泊的温度会随着室外气候发生较大的变化，这就会产生效率降低、制冷或供热能力降低的后果。第二章 地源热泵的结构和
14、工作原理一、 地源热泵的组成与基本结构冷热空调系统是由下列部分所组成：地源热泵机组、循环水泵、水管环路、水系统控制箱和室内温控器等。地源热泵空调机组是一种水冷式的供冷/供热机组。机组由封闭式压缩机、同轴套管式水/制冷剂热交换器、热力膨胀阀(或毛细膨胀管)、四通换向阀、空气侧盘管、风机、空气过滤器、安全控制等所组成。机组本身带有一套可逆的制冷/制热装置，是一种可直接用于供冷/供热的热泵空调机组。图2-1 地源热泵机组的结构图 图2-2 板式换热器 图2-3 压缩机 图2-4 冷凝器 图2-5 四通换向阀 图2-6 蒸发器图2-7 冷热空调系统的工作过程示意图二、地源热泵的工作原理简介1.制冷工况
15、空调房间的冷负荷连同压缩机的功所转化的热量被排入大地。根据图2-1，室外埋管换热器1与换热器 （图2-2）（此时换热器 2 在热泵机组中起冷凝器的作用）之间通过管道连接成一个封闭的回路，在水泵 7 的作用下，水在回路中往复循环，在换热器（图2-2）（冷凝器）中吸收制冷剂的热量，通过室外埋管换热器 1 传入大地；2.供热工况根据图2-1，从压缩机（如图2-3） 出来的制冷剂经换向阀 （如图2-5） 作用换向，此时换热器 （如图2-2）转换成为热泵机组的蒸发器，循环水流经室外埋管换热器 1 时吸收大地中的热量，在换热器（如图2-6）（蒸发器）中释放给制冷剂。在室内侧，同样既可以通过水的循环进行热量
16、传递，也可以使制冷剂直接流经房间换热器与空气进行热交换。第三章 DS040型地源热泵机组的设计热泵机组的设计要求：DS040地源热泵机组设计给定参数如下 制冷量（KW）: 30 制热量（KW）: 65 制冷功率（KW）: 7.7 制热功率（KW）: 10.8 负荷侧水流量(m3/h):6.28 地源侧水流量(m3/h):7.6 负荷侧进出水温度（oC）:12/7 地源侧进出水温度（oC）:30/25一、DS040型机组制冷剂的选择按“空调工况”进行设计，热负荷为30Kw/h,采用水冷却型式，根据气象参数，冷却水平均水温为32，取tk=40（t=8），冷媒水水温为进水18，出
17、水8，取t0=0（t=8）。1.根据tk=40，t0=0，制冷量为40Kw进行初步热力计图3-1 理论循环装置图 图3-2 LgPh图表3-1各制冷剂性能比较表制冷剂状态点1的焓值（KJ/Kg）状态点2的焓值（KJ/Kg）状态点3的焓值（KJ/Kg）状态点4的焓值（KJ/Kg）冷凝压力Pk（MPa）质量流量G（Kg/s）压缩功W（Kw）制冷系数R12350.8371.8240.0240.00.960.2715.695.28R22405.1433.7249.7249.71.530.1935.525.43R7171462.21646.7390.6390.61.560.0285.175.81R134
18、a398.6429.6256.4256.41.020.2116.544.59其中q0=h1-h4,w=h2-h1, qk =h2-h3，Q0=G* q0，W=w*G，Qk=G*qk表3-2各制冷剂的特点比较表制冷剂特点R12R12是氟利昂簇制冷剂中最早得到广泛应用的一种传统制冷剂。特别是它的冷凝压力较低，等熵指数较小，因此在相同的高低温介质温度条件下，它的排气温度和压力较氨和R22低，在空调、小型冷库、冷柜、电冰箱制冷系统中，一直长期使用。但R12的单位容积制冷量较小，远低于氨和R22，因此在空调制冷系统中，逐渐被R22所替代。目前主要应用在中、小型低温制冷系统及车辆空调制冷系统中。R22R2
19、2的综合性能极佳，具有良好的热力性能。如：运行压力适中；单位容积制冷量大仅次于氨；等熵指数较小；而且无毒、无燃烧及无爆炸等优点。R22的出现并随其价格的逐渐降低，它在空调制冷系统中得到了广泛应用。R717R717除了毒性大以外，是一种很好的制冷剂。它的最大优点是单位容积制冷量大，蒸发压力和冷凝压力适中，制冷效率高；而且，破坏臭氧层潜能值ODP和温室效应潜能值WGP均为0。氨的最大缺点是有强烈的刺激性，对人体有害。氨中含有水分对铜和铜合金有腐蚀作用。R134aR134a的容量比R22小，压力比R22低，不发生漂移。由于这些特点，相同能力的R134a空调需要配置一台更大排气量的压缩机，更大的蒸发器
20、、冷凝器和管路。最终所导致的是，制造和运行一个和R22相同冷量的系统，R134a系统会需要更高的成本。表3-3各制冷剂的比较表制冷剂冷凝压力Pk制冷系数ODPGWPR120.965.280.98500R221.535.470.0341900R7171.56.5.8000R134a1.024.5601300其中，ODP是破坏臭氧层潜能值。WGP是温室效应潜能值综上所述，从技术、环境、经济三方面考虑，R22单位容积制冷量大，等熵指数较小，冷凝压力较低，它对大气臭氧层稍有破坏作用，值为.，值为，：R22的综合性能极佳，具有良好的热力性能。R22是最优的制冷剂，所以此制冷机组选制冷机为R22.2. 根
21、据所选的制冷剂完成热力计算图3-3 回热循环装置图制冷剂为R22，tk=40，t0=0，回热器的过热度为t=10，热力膨胀阀的过热度为t=5，表3-4 R22制冷剂性能参数表焓值状态点1状态点2状态点3状态点4状态点5状态点6状态点7蒸发压力P0冷凝压力Pkh（KJ/Kg）405.1409.2416.2446.1249.7242.7242.70.501.53 q0=h2-h7=166.5w=h4-h3=29.9qk =h4-h5=196.3qt= h3-h2=7G=Q0/q0=0.18制冷系数为q0/w=5.57,Qk=G×qk=0.18×196.3=35.334kwPk/
22、 P0=1.53/0.50=3.0623、作灵活等特点。工作温度t150，工作压力P0.1Mpa。涉及公式：换热器传热面积：F =Q/(K×B×T)，m2Q换热量，W；K传热系数，W/(m2)；B结垢系数,水-水换热器取0.80.7；T对数平均温差，。对数平均温差：T=(Th1-Tc2)+(Th2-Tc1)/2 , Th1、Tc2热媒入口及出口处的最大，最小温差值, 。加热介质为热水的流量： G =0.86Q/(t1-t2)，kg/h t1、t2加热水的进出口温度,2.换热器相关计算：对数平均温差：T=(Th1-Tc2)+(Th2-Tc1)/2 =(30-12)+(25-7)/2 =18确定传热系数K：假定冷水侧水
24、流速vc=0.4m/s,则热水侧vh=0.8m/s。(0.4*1.0=0.4,1.0为热水侧与冷水侧温差的比值，冷水侧t=18，热水侧t=18，则18/18=1.0)所需换热面积：传热系数K由实用供热空调设计手册中查得K=480W/(m2)F =Q/(K×B×T) =35000/(480×0.7×18) =5.787m2选用ZL50V型板式换热器 单片传热面积为0.0525m2，则需要换热器片数：n=5.787/0.0525=110片验算传热系数K 通道截面积为0.001313m2；通过流量:G =0.86Q/tc =0.86×35000/18
25、 =1672kg/h串联片数：n=110/2=55片最后按厂家给出的ZL50V型组合片数选用ZL50V-55板式换热器2个：总传热面积5.787 m2，总片数：110片。四、DS040型热泵机组外壳设计机组外壳设计应遵循以下原则：1 有足够的机械强度；2 美观、大方；3在为所有制冷组件的组装提供足够的空间前提下尽量减小其外型尺寸。机组加工钣金图：（见附录一）4安装后的热泵机组三维图：4-1 DS040型机组三维效果图第四章 热泵机组的安装与调试一、机组组件的安装1压缩机的安装把已检测好的压缩机固定在底架钣金上，用M16的螺栓固定，安装时一定要注意压缩机不能倾斜，防止压机油泄漏。压缩机的出口铜管
26、上焊好针阀与高压阀的，压机的一端接冷凝器，另一端接蒸发器。2.四通换向阀的安装四通换向阀的入口连接在压缩机的出口端，四通换向阀的三个出口端分别接冷凝器、压缩机入口端、蒸发器、。3.冷凝器、蒸发器的安装冷凝器与蒸发器的安装相同，冷凝器或蒸发器连接在地源水循环系统中，另一端接在负荷水循环系统中，制冷与供热工况相互转换时，冷凝器与蒸发器的作用也随之互换。4.板式换热器的安装板式换热器的地源进水端、出水端与负荷水进水端、出水端位置相反，达到对流的效果，起到能量换热的作用。二、机组的调试、常见故障及简单故障的处理方法机组的调试是最后一道程序，先给各个管道打压，检查是否漏水，打压完成后保压2-3天，压力不
27、掉说明管道正常，没有漏水的地方，再开泵进行机组的测试。若调试机组过程中发现故障，应如下解决：（1） 机组报水流故障 当机组报水流故障时，先检查水流开关是否得电，得电没冲开说明水流小，应当补水使得水流开关冲开，如还未冲开，检查水流开关的铜片是否短小，影响水流效果，换负荷规格的铜片即可。、若不得电，检查水流开关是否接上电源，或电路故障。（2） 机组报低压故障当机组报低压故障时，说明负荷水流量小，及时补水即可。（3） 机组报高压故障当机组报高压故障时，说明机组缺氟，及时在高压阀上补氟设计体会通过这次撰写论文，我学到了很多新的知识，更把过去在校所学的很多零散知识串成了一个整体;对地源热泵空调系统有了一
28、个比较完整的认识和了解，并系统的掌握了安装流程设计的过程和方法。因为受本身的思维和知识水平限制，导致设计中鲜有创新之处，自视很不满意，但这篇设计终究是自己动脑动手一点一点做出来的，这使我在遗憾之余稍感欣慰。设计内容中的每一步，我都做了认真的考虑，在这样点滴考虑与思量过程中，我渐渐摸索到空调设计的要点，也逐渐清晰了解了整个设计过程。通过这次撰写论文我收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力、故障排除和分析能力，懂得了许多经验的获得是前人不懈努力的结果等。相信本人会在以后的工作过程中，将理论结合实践，经过不懈的努力，取得更大的进步。这次设计过程是对自己大学所学专业知
29、识的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然自己大学要毕业了，但是自己的求学之路还很长，更应该在今后的工作中不断地进行学习，不断充实自己的人生。由于本人能力有限，时间仓促,本设计中不足之处，谨望各位老师批评指正,以待日后改正。致 谢本人在设计过程中，遇到过许多困难和难题，在齐老师的指导以及同学、朋友和公司前辈的大力帮助和鼓励下，这些困难得以一一解决，直至今天成功完成这份毕业设计。遇到瓶颈时，是齐老师和同组同学们在我身边给我帮忙，为我打气，支持我坚持到最后。碰到难题时，是齐老师和同公司前辈们大力援助，通力解决，使难题一一化解。在此，本人对这些在此次毕业设计中给予我巨大帮助帮助的人们表示深深地感
30、激！此次毕业设计过程中，齐老师的敬业精神和奉献精神让我深受感触，是他用他孜孜不倦的敬业精神，让我领会了自己在以后的工作中该有的态度。我会在今后的工作中谨记齐老师的教诲，借以鞭策自己走向新的人生高度。最后，在这里我衷心感谢大学三年一路走来关心、教诲过我的老师们，特别感谢此次指导我完成毕业设计的齐老师以及给予我很大帮助的同组同学，谢谢你们！参考文献1空气调节用制冷技术. 彦启森主编. 中国建筑工业出版社，2004年2实用制冷与空调工程手册手册. 尉迟斌主编. 机械工业出版社，2005年 3小型制冷装置设计指导. 吴业正主编. 机械工业出版社，2004年4制冷原理与装置. 郑贤德主编. 机械工业出版社，2003年5板式换热器的设计计算.张治川著. 江苏科学技术出版社,2007年 点评：论文分析不够深入，技术数据不够完善。机组安装与调试内容编写较为简单可多增加安装 与调试工艺方面的内容。
参考资料
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