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1、学号： 08450126 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 常州万象办公楼地源热泵空调系统设计 学 生 学 院 石油工程学院 专业班级 建环081 校内指导教师 专业技术职务 副教授 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月常州大学本科生毕业设计（论文）万象办公楼地源热泵空调、新风及热水项目摘要：地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的新型能源利用技术，是热泵的一种。地源热泵通常是指能转移地下土壤中热量或者冷量到所需要的地方。冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内。本设计为万象办公楼地源热泵空调、新风及热水项目，其建筑面积10000。方案采用
2、地源热泵空调系统，室内末端采用风机盘管+新风系统，冷热源采用地埋管+冷却塔。设计包含空调负荷计算，空调方案选择，室外地埋管系统，室内水管系统设计，冷却塔水力计算，热平衡计算，以及末端设备选型及计算。完成设计以后，达到舒适、环保、节能、经济要求，根据各种计算结果，通过性价比分析，进行了设备选型，确保设备 容量、压力、噪声等方面满足要求，最后绘制了相关的设计及施工图，完成整个空调系统设计。关键词：地源热泵空调；地埋管；冷热负荷；新风系统。The Wanxiang office building in Changzhou, Ground Source Heat Pump and fresh air
3、hot water Air-conditioning SystemAbstract: Ground Source Heat Pump,a kind of heat pump,is a new technology that use shallow geothermal energy for heating and cooling.It is Usually refers to shift heat or cold from the underground soil volume to where needed it.Ground Source Heat Pump also takes adva
4、ntage of the capabilities that the underground soil can store thermal energy and refrigeration.In the winter,ground-source heat pump transferred to the soil from the ground to a building while it transferred the cold air to it in summer. This design is The Wanxiang office building in Changzhou, Grou
5、nd Source Heat Pump and fresh air hot water Air-conditioning System. The building covers an area of 10000 square meters. The system adopts Ground Source Heat Pump air-conditioning system, office building indoor air conditioning. The cold and heat sources adopt buried tube + cooling tower. The design
6、s include air conditioning load calculation, air conditioning program selection, outdoor buried tube system, and indoor plumbing systems design, cooling tower hydraulic calculation, air tubes and hydraulic calculation of water and related end equipment of air-conditioning selection and calculation.
7、The air conditioning and hot water systems designed to achieve comfortable, environmental protection, energy-saving, economic. According to various calculation results through cost-effective analysis, the selection of equipment to ensure that the equipment capacity, pressure, satisfy noise requireme
8、nts. The last to draw the related design and construction drawings, complete the final design of the entire air-conditioning system.Key Words: Ground Source Heat Pump Air conditioning system; buried pipe; cooling and heating load; fresh air system.目 录摘要目录1 引言11.1 地源热泵系统简介11.2地源热泵系统特点12 基本资料22.1工程概况2
9、2.2工程内容及范围22.3主要设计规范、标准32.4气象参数32.4.1 室外气象参数32.4.2 室内设计参数32.4.3 土建资料42.4.3.1 建筑概况42.4.3.2 墙体及屋面结构42.4.3.3窗户结构52.4.3.4 朝向修正率53 负荷计算53.1 建筑物冷热负荷的计算53.1.1 建筑物冷负荷计算53.1.2 新风量的确定103.1.3夏季新风冷负荷的计算113.1.4冬季热负荷计算123.1.5冬季新风热负荷的计算123.1.6 冷热负荷汇总123.1.7热水负荷124 系统设计124.1系统的比较124.2地源热泵系统介绍144.3地源热泵主机选型154.3.1热泵机
10、组选型原则及方案设计154.4冷热源系统地埋管+冷却塔154.4.1埋管形式154.4.2 地下埋管系统环路形式164.4.3管材的选取174.4.4管路设计计算174.4.4.1冬季从土壤中吸取的热量164.4.5冷负荷校准184.4.6热平衡校准184.4.7地埋管配管及阻力计算194.4.7.1 子管（单口井）水力摩阻计算214.4.7.2 5口井集管管径及水力摩阻计算224.4.7.3 一级阵列阵支管管径及水力摩阻计算224.4.7.4 二级阵列总管管径及水力摩阻计算224.4.7.5 地埋管系统总阻力224.4.7.6水泵选型234.5 室内水系统设计与计算234.5.1房间风机盘管
11、选型244.5.2 楼层2供回水管水力计算294.5.3 楼层3供回水管水力计算294.5.4 楼层4供回水管水力计算304.5.5 楼层5供回水管水力计算314.6 总扬程324.7选择水泵324.8冷却塔的选型335机房设计345.1热泵机组345.2水源侧循环泵345.3负荷侧循环泵345.4控制系统345.5水处理设备345.6定压补水和膨胀罐356 室内末端357经济性能分析357.1初投资分析357.2运行费用分析357.3维护费用分析367.4经济性能分析367.4.1年运行费和年维护费分析367.4.2投资分析368结论36参考文献38致谢39附录A房间冷负荷和汇总表40附录B
12、房间风机盘管选型42附录C空调水管比摩阻表46X1引言1.1 地源热泵系统简介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“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地下去。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。1因此，近十几年来，尤其是近五年来，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
13、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。 地源热泵系统分为三种形式，一种是采用地表水的方式，即江、河、湖、海等；另一种是采用地下水的方式，也有的称“水源热泵”中央空调系统；第三种是埋管式，也有的称为“地耦式地源热泵”中央空调系统。 地下水热泵系统分为开式、闭式两种：开式是将地下水直接供到热泵机组，再将井水回灌到地下；闭式是将地下水连接到板式换热器，需要二次换热。地表水热泵系统与土壤源热泵系统相似，用潜在水下并联的塑料管组成的地下水热交换器替代土壤热交换器。土壤源热泵系统的核心是土壤耦合地热交换器。 地源热泵系统是由下列部分所组成：地源热泵机组、
14、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。 地源热泵的研究虽然从1912年就已开始，但直到20世纪70年代初世界上出现第一次能源危机，它才开始受到重视。自此，世界各国的科学工作者就从来没有停止过对其进行研究和探讨，这些研究工作涉及地源热泵的系列构件、地下热交换器型式、土壤特性和系统运行寿命周期、费用分析等方面。由于其高效的节能效
15、益和优良的工作性能，在日本、北美及中、北欧等国家得到了广泛的应用。在美国，到2001年4月为止已安装了40多万台地源热泵，且每年以10的增长速度递增；同时出现了多家生产地源热泵及供热制冷系统的著名企业，如：Waterfumace、Geothermal DX、ydron等。在中、北欧国家，地源热泵主要用于室内地板辐射供暖和提供生活热水，尤其是瑞士，在家用供热装置中，地源热泵所占的比例很大。我国在该领域的研究才刚刚起步，到20世纪80年代末才有少数单位先后开展这项工作。但是受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具有的节能和环保的优势，这项技术受到了国人越来越多的重视，该方面的研究也日益活跃，近几年更
16、取得了突破性的进展。2地源热泵系统还可以集采暖、空调制冷和提供生活热水于一身。套热泵系统可以替换原有的供热锅炉、制冷空调和生活热水加热的三套装置或系统，从而也增加了经济性。由此可得出结论：地源热泵系统虽然由于室外部分比较复杂，初次投资高于普通空调系统，但普通空调的运行费用远高于地源热泵系统，般州年时间就可以将增加的初次投资回收。1.2地源热泵系统特点a.高效：一般空调对着空气换热称为风冷热泵，缺点在于天气炎热或者寒冷最需要冷量或热量时效率反而下降。地温一年四季基本恒定在16左右，略高于该地区平均温度1到2度，使得热泵无论在制冷或制热工况中均处于高效率点。 b.节能省费用：冬季运行时，COP约为
17、4.2，即投入1KW电能，可得到4KW的热能，夏季运行时，COP可达5.3，投入1KW电能，可得到5KW的冷量，能源利用效率为电采暖方式的3-4倍；并且热交换器不需要除霜，减少了结霜和除霜的用电能耗。比常规空气源空调节能50%左右。 c.环保：供热时没有燃烧过程，避免了排烟污染，供冷时省了冷却塔，避免了噪音及霉菌污染。 d.舒适：因为地源热泵机组供冷暖时都是通过冷热水经风机旁管（或地板管、墙埋管）交换完成的，所产生的冷气和暖气（或辐射热）比常规空调的要更柔和的多，热不易感冒。 e.节省占地面积：省去了冷却塔、锅炉及与之配套的煤棚和渣场，节省了土地资源，产生附加经济效益，并改善了建筑物的外部形象
18、。 f.安全：无燃烧设备，从而不存在爆炸、失火和中毒的隐患。 g.机组寿命长：热泵机组长期在良好的低温井水（16）下进行热交换工作，可大大延长机组寿命。 h.一机多用：地源热泵系统可供暖，空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。 i.可再生：土壤有较好的蓄热性能，冬季通过热泵将大地浅层的低位热能提高对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季通过热泵将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用，保证大地热量的平衡。3 j.可分区控制：中央空调享受的档次，又可达到单体空调局部控制的效果，不存在“大马拉小车”。2 基本资料2.1 工程概况万
19、象办公楼建筑面积约10000，地点在常州，务楼采用地源热泵，室内末端采用风机盘管+新风系统。2.2工程内容及范围本设计包括办公楼室内空调、地埋管、通风及热水，方案采用地源热泵空调系统，室内末端采用风机盘管+新风系统，冷热源采用地埋管+冷却塔。内容有：1. 空调冷/热负荷计算；2. 室外地埋管系统及辅助冷却塔/锅炉系统负荷及水力计算；3. 室外地埋管系统热平衡计算；4. 室内空调水系统水力计算；5. 空调机房设备选型及水力计算；6. 地埋管系统、室内空调水系统、机房等设计、施工图纸；7. 毕业设计设计、计算说明书一份。2.3主要设计规范、标准（1） 地源热泵系统工程技术规范 (GB 50366-
20、2005)（2） 采暖通风与空气调节设计规范（GBJ-2003）（3） 建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范（GB502422002）（4） 民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)(JGJ26-95)（5） 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准(JCJ134-2001)（6） 建筑工程施工质量验收统一标准（GB 50300-2001）（7） 建筑设计防火规范 （GBJ16-87）（8） 埋地聚乙烯给水管道工程技术规程 （CJJ1012004）（9） 建筑聚乙烯类给水管道工程技术规程 （CJJ/T982003）（10） 其他必需的规范、规程2.4设计参数 2.4.1 室外气象参数室外空气的空调设计
21、参数：冬季：室外计算干球温度4，室外计算相对湿度77%，室外平均风速2.6 m/s夏季：室外计算干球温度35.7，室外计算湿球温度28.5，室外平均风速2.6 m/s日平均干球温度31.5，平均较差8.32.4.2 室内设计参数表2.1室内设计参数建筑类别夏 季冬 季新风量M3/h.人温度（）相对湿度（%）温度（）相对湿度（%）办公室2460204530会议室2460204530客房24602045302.4.3土建资料 2.4.3.1 建筑概况建筑面积：10000 m2 1层层高：6.5m2层层高:4.5m35层层高:3.5m2.4.3.2 墙体及屋面结构各种材料的导热系数与蓄热系数如下表：
22、表2.2材料导热系数与蓄热系数材料导热系数W/（m.K）蓄热系数W/（m2.K）细石砼、钢筋砼1.7417.2多孔砖0.587.92挤塑聚苯乙烯板保温层0.02890.43聚苯颗粒保温砂浆0.060.95水泥砂浆、抗裂砂浆0.9311.37石灰水泥砂浆0.8710.75 内外表面的换热系数分别为：8.7和19.0。（1）平屋顶构造采用：40厚细石砼+20厚水泥砂浆结合层+40厚挤塑聚苯乙烯板+1.2厚防水卷材+20厚水泥砂浆找平层+最薄处30厚焦渣混凝土找坡+120厚钢筋砼结构板+15厚板底抹灰。屋顶的传热系数为K=0.671W/（m2k），满足屋顶保温要求K0.7 W/（m2k）。（2）墙体
23、填充墙构造采用:20厚复合岩棉外保温板保温+190厚加气砼砌块+20厚内墙抹灰。总热阻R0=1.768 （m2k）/ W，传热系数K=0.565W/（m2k），热惰性指标D=3.63。剪力墙构造采用：20复合岩棉外保温板保温+200厚钢筋砼剪力墙+20厚内墙抹灰。总热阻R0=1.02 （m2k）/ W，传热系数K=0.98W/（m2k），热惰性指标D=2.507。冷桥构造采用：20复合岩棉外保温板保温+200厚钢筋砼剪力墙+20厚内墙抹灰。总热阻R0=1.02 （m2k）/ W，传热系数K=0.98W/（m2k），满足冷桥保温要求：R0.52。剪力墙共占外墙面积比例约为48%，冷桥共占外墙面积
24、比例约为6%。外墙的平均传热系数Km=0.789 W/（m2k），平均热阻R0=1.26（m2k）/ W，平均热惰性指标Dm=3.024。总体满足外墙的保温要求：K1.5，D3.0或K1.0，D2.5。外挑楼板构造采用：5厚抗裂砂浆+50厚聚苯颗粒保温砂浆+100厚钢筋混凝土板+20厚水泥砂浆。传热系数为K=0.921W/（m2k），满足外挑楼板保温要求K1.0 W/（m2k）。2.4.3.3窗户结构 双层3mm厚普通玻璃，金属框，80%玻璃，浅色帘，2层窗高2.6m，35层窗高 1.8m，窗墙面积比：窗墙比为东侧：0.17西侧：0.21南侧：0.32北侧：0.262.4.3.4 朝向修正率北
25、朝向：10%；东、西朝向：5%；东南朝向：10%；南向：20%3负荷计算3.1 建筑物冷热负荷的计算3.1.1 建筑物冷负荷计算 以四楼会议等候室为例进行夏季冷负荷计算。1.维护结构冷负荷(1) 外墙和屋顶瞬变传热引起的冷负荷，是指在日射和室外气温综合作用下，外墙和屋顶瞬变传热形成的逐时冷负荷，可按下式计算： . （3-1）.（3-2）式中 CL外墙或屋顶瞬变传热形成的逐时冷负荷（W）； K外墙和屋顶的传热系数W/(m)，可根据外墙和屋顶的不同构造，由附录5和附录6中查取； F外墙和屋顶的传热面积（m）； 外墙和屋顶冷负荷计算温度的逐时值（）； 夏季空气调节室内计算温度（）； 以北京地区的气象
26、条件为依据计算出的外墙和屋顶冷负荷计算温度的逐时值（），根据外墙和屋顶的不同类型分别在附录7和附录8中查取。 不同类型构造外墙和屋顶的地点修正值（），根据不同的设计地点在附录9中查取； 外表面放热系数修正值； 外表面吸收系数修正值。计算结果如下表所示： 表3.1西南外墙瞬时传热形成的冷负荷 单位（W）时间8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0037.1036.6036.1035.7035.2034.9034.6034.4034.3034.4034.701.501.000.9436.2835.8135.3434.9734.5034
27、.2233.9333.7533.6533.7534.0324.0012.2811.8111.3410.9710.5010.229.939.759.659.7510.03K0.789F20.16CL195.39187.92180.44174.46166.98162.50158.01155.02153.53155.02159.51（2）外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷双层Low-E玻璃窗，Kw=3.5 W/. Cw=1.20 Fw=20.16 ，由空气调节附录2-13中查得各计算时刻的负荷温差，按公式计算结果列于表2中。td=3.00 tNx=24.00 。外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷：是指在室内、外
28、温差作用下，玻璃窗瞬变传热引起的逐时冷负荷，可按下式计算：.（3-3） 式中 CL、t同式（2-1）； K外玻璃窗传热系数W/(m)； F窗口面积（m）; t外玻璃窗冷负荷计算温度的逐时值，可由附录13中查得（）； C玻璃窗的传热系数的修正值，根据窗框类型可从附录12中查得； t玻璃窗的地点修正系数，可从附录15中查得。表3.2西南外窗瞬时传热冷负荷 单位（W）8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00t26.9027.9029.0029.9030.8031.5031.9032.2032.2032.0031.60td3.00t24
29、.00t5.906.908.008.909.8010.5010.9011.2011.2011.0010.60K3.5C1.20F7.20CL178.42208.66241.92269.14296.35317.52329.62338.69338.69332.64320.54(3)透过玻璃窗的日射得热形成的冷负荷由空气调节附录2-13中查得各计算时刻的负荷强度、窗面积7.2，双层钢窗窗有效面积系数Ca=0.75，查空气调节附录2-8挂浅色窗帘，内遮阳系数为=0.5，查附录2-7，“双层3mm厚普通玻璃”遮挡系数=0.86。透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷，可按下式计算： . .(3-4) . (3-5)式中 CL日射得热引起的冷负荷，W； F外窗面积（m）， 窗有效面积系数； 窗玻璃的遮挡系数； 窗内遮阳设施的遮阳系数； 太阳辐射得热因数的最大值，W； 外窗冷负荷系数，建筑地点在北纬的2730以南的地区为南区，以北地区为北区。表3.3西窗日射得热负荷 单位（W）8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:000