空气源热泵空调系统设计方案.docx

空气源热泵空调系统设计 方案第 1 章 绪 论改革开放以来， 随着国民经济的迅速发展和人民生活水平的大幅度提高， 能 源的消耗越来越大， 其中建筑能源占相当大的比例。 据统计， 我国历年建筑能耗 在总能耗的比例是 19%20%左右，平均值为 19.8%。其中，暖通空调的能耗约 占建筑总能耗的 85%。 在发达城市， 夏季空调、 冬季采暖与供热所消耗的能能量 已占建筑物总能耗的 40%50%。 特别是冬季采暖用的燃煤锅炉、 燃油锅炉的大 量使用， 给大气环境造成了极大的污染。 因此， 建筑物污染控制和节能已是国民 经济发展的一个重大问题。热泵空调高效节能、不污染环境，真正做到了“一机 两用”(夏季降温、 冬季采暖)， 进入 20 世纪 90 年代以来在我国得到了长足的发 展， 特别是空气源热泵冷热水机组平均每年以 20%的速度增长， 成为我国空调行 业又一个引人注目的快速增长点。所谓热泵， 就是靠电能拖动， 迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。 也 就是说，热泵可以把不能直接利用的低品位热能(空气、土壤、井水、河水、太 阳能、 工业废水等)转换为可以利用的高位能， 从而达到节约部分高位能(煤、 石 油、燃气、电能等)的目的。类似于人们把水自低水头压送至高水头的机械称为 “水泵”，把气体自低压区送至高压区的机械称为 “气泵”(在我国习称气体压缩 机)，因而把这种输送热能的机械称为“热泵”。因此，在矿物能源逐渐短缺、环 境问题日益严重的当今世界，利用低位能的热泵技术已引起人们的关注和重视。 空气源热泵的历史以压缩式最悠久。 它可追溯到 18 世纪初叶， 可以说 1824 年卡 诺循环的发表即奠定了热泵研究的基础。热泵的发展受制于能源价格与技术条 件，所以其历史较为曲折，有高潮有低潮，但热泵发展的前景肯定是光明的。当 前热泵研究的方向是向高温高效发展， 即开发高温热泵并最大限度提高 COP(性 能系数 Coefficient of Performance )值，同时积极发展吸收和化学热泵等。空气 源热泵热水机组的制造、推广和使用在我国只是最近 10 年的事，但由于其相对 传统制取热水设备的高效节能、环保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空 间等优点而引起了市场日益广泛的关注。热泵热水机组以清洁再生原料 (空气电) 为能源， 既不使用也不产生对人 体有害的气体， 同时也减少了温室效应和大气污染。 目前， 在我国电力资源短缺1的前提下， 采用热泵热水机组制取热水， 既能以最小的电力投入获得最大的供热 效益。 将热泵热水机组放在建筑物的顶层或室外平台即可工作， 省却了专用锅炉 房。在设备结构上真正实现了水、电分离，确保了用户的安全。2第 2 章 空调设计方案的确定综合楼分为五层，一层为大厅，二层为办公室，三、四层是客房，五层是大厅。2.1 空调系统形式2.1.1 空气源热泵空调系统：热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的。 通俗的说， 热量总是从高温传向低 温。 热泵可以把热量从低温热源传递到高温热源， 所以热泵实质上是一种热量提 升装置。热泵的作用就是从周围环境中吸取热量(这些被吸取的热量可以是地热、 太阳能、空气的能量)，并把它传递给被加热的对象(温度较高的媒质)热泵热水装置，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四大部件组成，通 过让工质不断完成蒸发(吸取环境中的热量) 压缩 冷凝(放出热量) 节流 再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。热泵热水机组工作时， 蒸发器吸收环境热能， 压缩机吸入常温低压介质气体， 经过压缩机压缩成为高温高压气体并输送进入冷凝器， 高温高压的气体在冷凝器 中释放热量来制取热水， 并冷凝成低温高压的液体。 后经膨胀阀节流变成低温低 压液体进入蒸发器内进行蒸发， 低温低压液体在蒸发器中从外界环境吸收热量后 蒸发， 变成低温低压的气体。 蒸发产生的气体再次被吸入压缩机， 开始又一轮同 样的工作过程。 这样的循环过程连续不断， 周而复始， 从而达到不断制热的目的。热泵原理示意图如下：图 1： 空气源热泵工作原理热泵热水机组是利用热泵技术原理， 在热泵系统的工作循环中， 将免费能源3 空气热能搬运到水中， 从而达到加热冷水生产热水的目的的一种高效、环保、 节能型热泵产品。它的最高热效率可达 590%，年平均热效率可达 360%。在制取低温(60 摄氏度以下)的热能方面，以消耗电能或燃料的化学能这 种传统方式已经开始逐步让位给热泵制热方式， 因为在这一领域， 热泵系统的制 热效率可以轻易的超出传统方式数倍以上；因此，制 60热水费用小于太阳能 辅助电加热系统；比电热锅炉节电 80%；比燃油锅炉节省耗能费用 50%；制热水 量可以根据需求自动调节。适应温度范围在-1050的地区。热泵热水机组适用于宾馆酒店、饭店、度假村、泳池、桑拿浴场、公寓、工 厂、大专院校、医院、疗养院等需要热水的单位使用，尤其在燃油越来越紧张的 今天，更体现了热泵的优越性。2.1.2 空气源热泵空调优点：(1)超大水量：水箱容量根据具体要求量身订做，水量充足，可满足不同客 户不同时段需求。(2)、经济节省：从空气中获取大量的能源，能效比高达 300%400%。(3)、适用范围广：不受气候影响，在环境温度为 -1043下均能正常工 作。(4)、安全环保：结构上水电完全分离，且无任何有害有毒气体排放或燃烧， 不受台风等自然灾害的影响，绝对安全。2.2 空调末端形式该综合楼分别为大厅、 客房和办公室， 所以需要保证室内的卫生要求， 维持 室内正压， 又需要通过新风换气， 防止客房产生一些不良气味， 所以应该选用风 机盘管+新风系统。 风机盘管直接设置在空调房间内， 对室内回风进行处理.新风 是由新风机组集中处理后通过新风管道送入室内，风机盘管+新风系统的优点：(1)布置灵活，可以和集中处理的新风系统联合使用,也可以单独使用。(2)各空调房间互不干扰， 可以独立地调节室温,并可以随时根据需要开、 停 机组，节省运行费用，灵活性好，节能量大。(3)与集中式空调相比，不需要回风管道，节省建筑房间。(4)机组部件多为装配式，定型化，规格化程度高，便于用户选择和安装。(5)各房间之间不会互相污染。4第 3 章 空调负荷计算3.1 基本气象参数及空调设计参数3.1.1 基本设计参数1)地理位置:合肥市 (北纬:39.100，东经:117.160)2)夏季大气压: 1012.44 kPa3) 夏季室外计算干球温度:35.00 夏季空调日平均:31.70 夏季计算日较差:6.804) 夏季室外湿球温度:28.20 5) 夏季室外平均风速:2.60m/s3.1.2 空调设计参数1) 室内空调设计温度：夏季： 24；冬季： 18。2) 室内空调设计温湿度：不作要求。3.2 冷负荷的构成及其计算原理以 505 为典型房间计算，该房间为舞蹈培训室。可容纳人数为 120 人。3.2.1 围护结构瞬变传热形成冷负荷的计算1)外墙和屋面瞬变传热引起的冷负荷在日射和室外气温综合作用下， 外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷可按 下式计算：51 T Q = F K t W(3-1)式中： Q1 外墙和屋面瞬变传热引起的逐时冷负荷,W；F 外墙和屋面的面积，培训室620m2；K 外墙和屋面的传热系数，屋面0.63W/m2 ；墙面0.61W/m2 T 计算时间， h； 维护结构表面受到周期为24小时谐性温度波作用，温度波传 到内表面的时间延迟， 5h；T - 温度波的作用时间， 即温度波作用于维护结构内表面的时间， h；t 作用时刻下，维护结构的冷负荷计算温差，；T 表3-1 屋面冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00t - 41414242434444444242tn42 t - 21202122232323232222K0.63F620Q18203781282038593898489848984898485938593表3-2 南外墙冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:00 13:0014:0015:0016:0017:00t - 3434353535 3535353636tn24 t - 1010111111 1111111212K0.61F79Q1482482530530530 530530530578578表3-3 西外墙冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00t - 35363738383939393938tn24 t - 11121314141515151514K0.61F28Q11882052222392392562562562562393.2.2 窗户传热形成的冷负荷61) 外玻璃窗瞬变传热引起的冷负荷在室内外温差的作用下, 玻璃窗瞬变热形成的冷负荷可按下式计算：3 w w c ( ) nQ = A K (t t ) W (3-4)式中： AW 窗口面积， m；KW玻璃的传热系数， 3.1W /( m k) ；tc( )玻璃窗的冷负荷温度的逐时值，；tn室内空调设计温度 24；表3.4 南外窗瞬时传热冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00tc()tnKAWQ131.593032.5105432.5105433.5117834.5130234.5243.140130234.5130235.5142634.5130234.51302表3.5 西外窗瞬时传热冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00tc()tnKAWQ131.523332.526432.526433.529534.5243.11032634.532634.532635.535734.532634.53262)透过玻璃窗的日射得热引起的冷负荷透过玻璃窗进入室内的日射得热形成的逐时冷负荷按下式计算：74Q =Ca AW CS Ci Dj.max CLQ， W (3-5)式中： AW玻璃窗的面积；其中， Cs 玻璃窗的遮阳系数，本设计中 Cs =0.86；Ci 窗内遮阳设施的遮阳系数，本设计中 Cn =0.5；Ca 窗的有效面积系数；本设计中 Ca=0.75；Dj.max 日射得热因数的最大值， 南外窗302W/m2，北外窗114W/m2， 西外窗599W/m2，LQC 窗玻璃冷负荷系数，无因次；表 3-6 南外窗透入日射冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:00 13:0014:0015:0016:0017:00CLQCaCsCiDj,maxWA m2Q1 W0.4718310.6023370.6926880.7730000.87 0.840.750.860.5302403389 32720.7428830.6625710.5421040.381480表3-7 西外窗透入日射冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:00 13:0014:0015:0016:0017:00CLQCaCsCiDj,maxAW m2Q1 W0.163090.193670.214060.224250.23 0.370.750.860.559910444 7150.6011590.7514490.8416230.7714873.2.3 设备散热形成的冷负荷设备和用具显热形成的冷负荷按下式计算：8t 1 T TQ = n NX W (3-6)式中： n 同时使用系数，可取0.81N灯具的安装功率， W，可用设备功率密度15W / m2指标推算， T T 从热源投入使用的时刻算起到计算时刻的时间， h；X T T 时间设备、器具散热的冷负荷系数；T T表3-8 设备散热形成的冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:00 13:0014:0015:0016:0017:00n1NXt-QC() W0.7757290.8663980.8966220.9167700.893000.9469940.9570680.9671420.9671420.9268450.9369193.2.4 照明散热形成的冷负荷根据照明灯具的类型和安装方式，其冷负荷计算式为：荧光灯： Q5 =1000 n1 n2 N CLQ W (3-8)式中： Q5 灯具散热形成的冷负荷， W；N 照明灯具所需功率W；可用设备功率密度15W/m2指标推算。n1 镇流器消耗功率系数，本设计取n11.2n2 灯罩隔热系数， n20.8；CLQ 照明散热冷负荷系数。表3-9 照明散热形成的冷负荷时间 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00C 0.60 0.87 0.90 0.91 0.91 0.93 0.93 0.94 0.94 0.95LQ910n1n2NQ51.20.893005357 7767 8035 8124 8124 8303 8303 8392 8392 84823.2.5 人体散热形成的冷负荷人体显热散热引起的冷负荷计算式为：s Q = q n 0 CC (T) LQW(3-9)Q式中： C (T) 人体显热散热形成的冷负荷， W ;qs 不同室温和劳动性质的成年男子显热散热量， 培训室qs= 145W;n 室内全部人数， n=120；0 群集系数， 0 =0.89。CLQ 人体显热散热冷负荷系数；人体潜热散热引起的冷负荷计算式为：QC=qln 式中： QC 人体潜热散热形成的冷负荷， W;ql 不同室温和劳动性质的成年男子潜热散热量， 培训室q=262W;表3.10 人体散热形成的冷负荷时间 8:009:0010:0011:0012:00 13:0014:0015:0016:0017:00CLQqsnQ5qlQc合计0.538208361890.629601375830.6910685386670.7411460394410.77 0.801451200.8911924 123892622798239906 403700.8312853408350.8513163411450.8713473414540.891378341764培训室505表3-11 各分项逐时冷负荷汇总表时间/项目8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00屋顶冷负荷8203781282038593859389848984898489848953南外墙冷负荷482482530530530530530530530530西外墙冷负荷南外窗瞬时传热冷负荷188205222239239256256256256239930105410541178130213021302142613021302南外窗透入日射冷负荷1831233726883000338932722883257121041480西外窗瞬时传热冷负荷233264264295326326326357326326西外窗透入日射冷 负荷3093674064254447151159144916231487人体散热冷负荷36189375833866739441399064037040835411454145441764照明散热冷负荷5357776780358124812483038303839283928482设备散热冷负荷合计总冷负荷4297479949665078513451895245530153575357594516427066691685966969870978715727217872114717053.2.6 新风负荷计算11Q = G (i 一 i )w w w nW(3-10)Q式中： w 新风负荷， KW；kgGw 新风量， skjiw 室外空气焓值， kgkjin 室内空气焓值， kg3.3 热负荷计算空调热负荷是指空调系统在冬季里， 当室外空气温度在设计温度条件时， 为保持室内的设计温度， 系统向房间提供的热量。 对于民用建筑来说， 空调冬季的 经济性对空调系统的影响要比夏季小。 因此， 空调热负荷一般是按稳定传热理论 来计算的。3.3.1 围护结构形成的负荷计算Q = K F (tn tw ) a W (3-11)式中：Q 围护结构的基本耗热量 W；K 围护结构的传热系数 W/m2 ；F 围护结构的面积 m2；t 冬季室外空调计算干球温度，；wt 空调房间冬季设计温度；本设计取 20。na 计算温度修正系数。3.3.2 修正基本耗热量围护结构的基本耗热量是在稳定传热的情况下获得的， 由于气象条件建筑物 情况的影响，必须对上述围护结构的基本耗热量进行修正，其中包括朝向修正、风力修正和高度修正，所 其围护结构耗热 为：Q = Qi 1 + Xch + Xf 1 + X g (3- 12)式中：Q 为围护结构的基本耗热量 ;Xch为围护结构的朝向修正 ;其中： 北、 东北、 西北朝向 0； 西南、 东南朝向 -15% -10%；东、西朝向 -5%；南向 -25% -15%；Xf 为围护结构的风力修正 ;建筑在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物以及城镇、厂区内特别高的建筑物，垂直的外维护结构热负荷附加率为 5%10%。 Xg 为围护结构的高度修正。当房间净高超过 4m 时，每增加 1m，附加率为 2%，但最大附加率不超过 15% 本系统冬季热负荷、 采用面积估算法， 根据实际工程的经验并保证一定富裕量123.4 湿负荷 人体散湿量人体散湿量可按下式计算：13m = 0.278n0 g 3.6 103w式中： mw人体散湿量， kg/h(3-12)；0 群集系数，选取群集系数为0.91n室内全部人数，培训室n=120g成年男子的小时散湿量， 391g/h；表3-12 人体散湿量情况表n1200.91g391mw0.07表3-13 505培训室一览表房间名称房间类型面积人员密度 人/m2冷负荷 W冷指标W/m2热负荷 W热指标W/m2湿负荷g/s506 培训室排练厅6200.17217811736580597.98套房 420表 3-14 各分项逐时冷负荷汇总表时间/项目8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00南外墙冷负荷223223245245245245245245245245西外墙冷负荷229250271292292313313313313292南外窗瞬时传热冷负荷372422422471521521521570521521南外窗透入日射 冷负荷732935107512001356130911531028841592人体散热冷负荷376400418431439446454459465470照明散热冷负荷804116512051219121912451245125912591272设备散热冷负荷1848206421362184220822322256228023042304合计总冷负荷4584545957726042628063116187615459485696表3-15 套房420一览表房间名称房间类型面积人员密度人/m2冷负荷 W冷指标W/m2热负荷 W热指标W/m2湿负荷g/s420 套房客房1240.0463115129760480.52办公室 401时间/项目 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:0014北外墙冷负荷110122122134134134134134134122北外窗瞬时传热冷负荷233264264295326326326357326326北外窗透入日射 冷负荷257265283301313309298287283276人体散热冷负荷752799836862877893908919929940照明散热冷负荷605877907917917937937948948958设备散热冷负荷1078120412461274128813021316133013441344合计总冷负荷3035353136583783385539013919397539643966表 3-16 各分项逐时冷负荷汇总表表3-17 办公室401一览表房间名称房间类型面积人员密度人/m2冷负荷 W冷指标W/m2热负荷 W热指标W/m2湿负荷g/s401 办公室办公室700.1239755729760480.58宴会厅 214表 3-18 各分项逐时冷负荷汇总表时间/项目 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:0015南外墙冷负荷586586644644644644644644644644西外墙冷负荷228249270290290311311311311290南外窗瞬时传热冷负荷1070121212121355149714971497164014971497南外窗透入日射 冷负荷2106268830913450389837633315295724191702人体散热冷负荷7402798884448769896591609355948696169746照明散热冷负荷2938426044064455445545534553460246024651设备散热冷负荷39