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1、水水 水水热热泵泵系系统统设设计计开开 题题 报报 告告1 总体结构的设想总体结构的设想1.1 选题的目的和意义选题的目的和意义通过对水水热泵机组的设计，达到掌握空调机组设计流程的目的。水水热泵是利用地表水、井水或污水作为冷热源进行能量转换的空调系统，属于可再生能源利用技术，供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却塔，避免了冷却塔的噪声及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，环保效益显著。水水热泵可利用的水体温度冬季为 1222，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也相对提高。而夏季水体为 1835，水体温度比环境空
2、气温度低，使制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷和冷却塔式，机组效率提高，增大了环境美化的空间，使得环境更优美。水体的温度在一年四季都是相对稳定的，其波动范围远远小于空气温度的变化，是很好的热系热源和空调冷源，水体温度比较恒定的特性，使得热泵机组运行更可靠、更稳定，也保证了系统的高效和经济性，不存在空气源热泵冬季除霜的问题。1.2 综述水源热泵的应用前景及其发展状况综述水源热泵的应用前景及其发展状况随着我国经济建设的快速发展，能源和环保问题已日益凸显，采暖和空调系统作为建筑中的能源消耗大户，怎样在为人们持续地提供舒适环境的同时又能更好的实现环保和节能越来越为人们所关注。水源热泵是一种利用低
3、位能量如地下水、地表水，废水作为冷热源，既可以供暖又可以制冷的有效节能空调系统，其消耗 1kW的能量，用户可以得到 4.5kW6kW 以上的能量或热量，而锅炉、电、燃料供热供冷系统只能将 90%的电能或燃料的 70%90%转化为热量供用户使用。同时水源热泵系统还是一种介于中央空调和分散空调之间的优化空调能源方式，它具有中央空调合理利用能源、设备能效系数高、运行成本低和安全、可靠等优点，又具有分散空调调节灵活、方便、便于管理等优点。因此在我国许多地区得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。在国外，水源热泵系统又习惯称作闭式环路水源热泵系统。60 年代开始在美国提出以后，经过 30 年
4、不断改变和发展，技术日趋成熟，其产品已逐渐商品化，至今已经在北美建筑中应用 40 多年1，到目前为止已经安装了多台，而且每年以10%的速度稳步增长。1998 年，美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19%，其中建筑中占 30%。美国美国已经成立了地源热泵协会，该协会在近年中将投入一亿美元从事开发、研究和推广工作。美国计划 2010 年达到每年安装 40 万台地源热泵的目标，其中，水源热泵占 15%，届时将降低温室气体排放 1 百万吨，相当于减少 50 万辆汽车的污染物排放或植树 1 百万英亩，每年节约能源费用达 4.2 亿美元，此后，每年节约能源费用再增加 1.7 亿美元。美国的水源热
5、泵研究和应用更偏重于住宅和商业小型系统，多采用水空气系统。在大型建筑方面，美国推行 WLHP 系统，即水环热泵系统。与美国地源热泵发展不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层的地热资源，地下土壤盘管（埋深400 米）的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据 1999 年的统计，在家用供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为 96%，奥地利为 38%，丹麦为 27%。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。中国早在 50 年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷。目前，清华大学、天津大学、重庆建筑大学、天津商业大学、中国科学院广州能源研究所等多家大
6、学和研究机构都在对水源热泵进行研究。中国的水源热泵的研究和应用才刚刚起步，与国外先比，在热泵机组的优化设计和工程应用上还存在较大差距。目前，世界特别看好中国的市场。美国能源部和科技部已经签署了中美能效与可再生能源合作议定书 ，其中主要内容之一是“地源热泵” ，该项目是在中国的北京，杭州和广州 3 个城市各建一座采用地源热泵为供暖空调的商业建筑，以推广运用这种“绿技术” ，缓解中国对煤炭和石油的依赖程度，从而达到能源资源多元化的目的。在未来几年中，中国面临着巨大的能源压力。一方面，中国的经济要保持高速度的增长；另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题。所以要求提高能源利用效率，鼓励各种节能设备和
7、技术的推广。在中国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。为了适应市场要求和参加国际竞争，我们必须加快中国水源热泵的产业化研究开发。1.3 热泵经济性分析热泵经济性分析引用水环热泵空调系统的经济性研究2部分内容，该项研究运用的eQUEST（The Quick Energy Simulation Tool）能耗模拟软件是在美国能源部和电力研究院的自主下，由劳伦斯伯克利国家实验室和 J.J Hirsch 及其联盟共同开发的。是在 DOE2 的高级版本 DOE22 的基础上开发的快速能耗模拟软件，运用该软件在哈尔滨、乌鲁木齐、北京、武汉和广州这五个气候分区的代表性成熟经行水环热泵经济性研究，并与风机盘管
8、加新风系统进行比较。结果如表 1。表 1.空调系统各项费用、年费用和寿命周期成本（万元）由表 1.可知：在哈尔滨地区，水环热泵空调系统的经济性不如分机盘管加新风系统；在乌鲁木齐地区，水环热泵空调系统的经济性与风机盘管加新风系统基本相当；而在北京、武汉和广州地区，水环热泵空调系统的经济性明显好于风机盘管加新风系统。水环热泵空调系统的经济性呈现随地区室外平均气温升高而上升的趋势，这是因为当室外平均气温较低时，水环热泵空调系统的供热性能有所下降，能耗量增加，且辅助加热设备的容量也会增加，从而增大了初投资，故其经济性有所下降。而当室外年平均气温较高时，相比风机盘管加新风系统而言，水环热泵空调系统能充分
9、发挥其热回收优势，运行更稳定，部分负荷调节能力更强，水系统热损失几乎可忽略，辅助加热设备的初投资也有较大下降，故其经济性有明显上升。由于研究中以代表性城市代表水环热泵空调系统在各气候分区的经济性，因此相比风机盘管加新风系统而言，水环热泵空调系统在严寒地区 A 应用是不经济的，不推荐采用；在严寒地区 B 基本无经济优势，若要采用，应保证有较大面积的建筑物内区和内部余热；但在寒冷地区尤其是在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区则有巨大的经济优势，是值得推荐的。相比风机盘管加新风系统而言，水环热泵空调系统在哈尔冰地区的年费用和寿命周期成本约率为-0.07%，在乌鲁木齐地区为 0.81%，北京地区为 11.37
10、%，武汉地区为 17.22%，广州地区为 19.85%。水环热泵空调系统在严寒地区 A 应用是不经济的，在严寒地区 B 基本无经济优势，而在寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬暖地区则有较强的经济优势。1.4 水水水环热泵可利用自然工质分析水环热泵可利用自然工质分析实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功，而做功通过工质才能传递热。自然工质是指存在与自然界中的非人工合成的工质，如 CO2、氨、碳氢化合物和水等。从对环境的长期安全来看，应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中的非自然工质，重新启用自然工质是一种非常安全的选择，或许也是一种不得不做出的选择。
11、而某些自然工质，用于热泵领域所具有的独特性质，则有可能为中国高温热泵技术难题的解决提供一个良好的契机。如 CO2跨临界循环，较高的压缩机排气温度和气体冷却器中 CO2 的较大温差滑移，为排气热量的回收创造了有利条件。采用传统工质的热泵只能得到不超过 55左右的热水，而CO2 热泵系统却可以得到90甚至更高温的热水3，所以其应用范围更加广泛。在 160 多年的制冷发展历史中，已经有 50 多种物质被用于压缩式制冷和热泵装置的制冷工质，并获得了不同程度的成功4。在 Perkins 发明的世界第一台制冷装置中和随后 Hrrison 制冷装置中，首先应用乙醚作为制冷工质。自 19 世纪 70 年代以后
12、，性能更优越的化合物如 CO2、NH3、SO2等被引入到制冷空调领域，并且应用了相当长的时间。自 20 世纪 30 年代开始，R12 等人工合成类新型的卤代烃制冷工质在制冷空调领域开始获得广泛的应用并很快取代了传统的自然制冷工质5。自 80 年代以来，适应蒙特利尔议定书要求禁止使用 CFC 类制冷工质并逐步淘汰 HCFC 类制冷工质的要求，ODP=0 的 HFC 类制冷工质相继投入市场并越来越得到推广应用。但 HFCs 物质属于需要减排的温室气体，因此，HFCs 只能是替代冷媒而不是能长久使用的制冷剂。在几种可以使用的自然工质中，CO2作为制冷工质有许多独特的优势。从对环境的影响来看，除水和空
13、气以外，CO2是与环境最为友善的制冷工质（ODP=0、GWP=1） 。在几种常用的自然工质中，可以说 CO2最具竞争力，在可燃性和毒性严格限制的场合，CO2是最理想的。1.5 满足典型农村家庭的热泵系统分析满足典型农村家庭的热泵系统分析地源热泵技术因其绿色环保、节能清洁、控制设备简单等优点被越来越多的人认可。但实际上，地源热泵技术在我国农村的发展十分不理想。北京周边农村家庭平均年用煤 2.9 吨，用电 920kW/h，液化气 34 罐。在家庭总能源消费中，煤炭占74%，电力占 13%，液化气占 8%，秸秆等生物质能源仅占 5%。农村居民家庭能源消费 2.9 吨煤中用于采暖的达到 2.3 吨，比
14、例接近 80%。按照热量折算，家庭能源消费中的 60%左右用于冬季采暖，78%的家庭认为采暖负担重。大连周边农村的能源消费情况和北京情况基本一样。针对地热在农村推广中所遇到的问题，主要是地源热泵系统的初投资较高，单体型住宅单平方米造价通常都在 350400 元左右，集中型楼房住宅单平方米造价通常都在 150200 元左右，造成了农村居民使用不起的局面;同时，农村建筑物的保温措施普遍不好，造成热损失较大，继而造成采暖负荷大和运行费用的偏高;此外，由于目前水、地源热泵系统大都用于公共建筑当中，因而系统的使用都有专业技术人员参与。而当普通居民家庭使用，尤其是农村家庭使用时，难免会造成使用操作上的失误
15、，严重时会导致系统的损坏。因此，在实行各项优惠政策和措施的前提下，大力研发更加高效，低成本，安全环保的热泵机组系统是使热泵系统覆盖广大农村的必由之路。2 所要解决的主要问题所要解决的主要问题本水水热泵机组设计的成果，主要用于农村居民房屋的供暖和制冷。本设计以一栋典型的农村平方为设计背景进行热泵机组设计，附近有供农村水利灌溉的水库，以水库中的水为冷源和热源。为了使热泵满足农村家庭的应用需要，本设计主要解决以下三个设计问题。2.1 压缩机选型设计压缩机选型设计设计使用以自然工质为制冷工质的压缩机，减少温室气体排放，实现环保目标。2.2 冷凝器和蒸发器设计冷凝器和蒸发器设计设计冷凝器和蒸发器，使其具
16、有更高的换热系数和较低的设计制造成本。2.4 节流装置设计节流装置设计设计新型的节流装置，使其能使管道内流速增加更明显，静压力较小幅度增大。3本设计将主要使用一下参考文献本设计将主要使用一下参考文献采暖通风与空气调节设计规范 GB500192003民用建筑热工设计规范 GB5017693建筑节能工程施工质量验收规范GB50411-2007公共建筑节能设计标准GB501892005通风与空调工程施工质量验收规范GB502432002采暖通风与空气调节术语标准GB5015592采暖通风与空气调节制图标准GB/T50114-2001地源热泵系统工程技术规范GB50366-2005水源热泵机组GB/T 19409-2003民用建筑太阳能热水系统应用技术规范GB 50364-2005Arif Hepbasli, Yildiz Kalinci A review of heat pump water heating syste
