长沙别墅地源热泵空调系统设计大学学位论文.doc

长沙别墅地源热泵空调系统设计 长沙别墅地源热泵系统空调系统设计摘 要本设计为长沙市别墅地下耦合热泵系统空调系统设计，建筑共三层，总面积约为120m，三层净高均为3.6m。设计过程中中央空调系统采用风机盘管+新风系统,选用土壤源热泵机组供冷，冬季采用逆循环供热采暖。设计的内容包括：选定合适空调系统的类型并确定设计方案；空调系统的划分与系统方案的确定；风、水系统的设计、布置与计算；地埋管的布置方式确定与计算；风管系统与水管系统的消音与隔振；风管系统与水管系统保温层的设计、机房布置等内容。设计兼顾绿色环保和节能减排，同时可为用户提供夏季供冷、冬季供热的舒适性空调系统方案。关键字：风机盘管新风系统、土壤源热泵 、 地埋管、舒适性空调ABSTRACT This design in chang sha villa for ground source heat pump air conditioning system design, architecture has three layers, with a total area of about 120 Square meters , three layers of clear height of 3.6 m. Design of air conditioning system adopt fan-coil unit plus fresh air system, selection of soil source heat pump units and cooling, using reverse cycle heating in winter. Design content includes: the selected appropriate types and to determine the design scheme of air conditioning system; The division of the air conditioning system and the scheme of system; Wind, water system design, layout and calculation; Determine buried pipe arrangement and calculation; Duct system and pipe system of sound and vibration isolation; The design of the duct system and pipe insulation, room arrangement, etc. The design consideration of green environmental protection, energy conservation and emissions reduction, and at the same time can provide cooling in summer and heat in winter for user comfort air conditioning system solutions. Key words:Fan coil plus fresh air system、soil source heat pump、buried pipe、Comfort air conditioning目 录第一章 绪论 .8 1.1课题背景 .8 1.2地下耦合热泵系统技术在中国发展的优势 .9 1.3地下耦合热泵系统系统原理 .9 1.4地下耦合热泵系统分类 .10 1.5地下耦合热泵系统中央空调系统的特点 .12第二章 工程概况 .14 2.1气象参数 .14 2.1.1室内设计参数选取 .14 2.1.2室外设计参数选取 .14 2.1.3地理信息 .16 2.2土建资料 .16 2.2.1维护结构性质确定 .16 2.2.2太阳辐射对维护结构的影响 .17第三章 负荷计算 .19 3.1夏季冷负荷计算方法 .19 3.1.1室外和邻室温度确定.19 3.1.2外墙和屋顶逐时冷负荷.21 3.1.3外窗冷负荷.21 3.1.4邻室冷负荷.21 3.1.5地面冷负荷.22 3.1.6太阳辐射冷负荷.22 3.1.7冷风渗透耗热.23 3.1.8冷风侵入耗热.24 3.1.9设备、照明和人体形成冷负荷.24 3.2湿负荷计算方法 .25 3.3计算举例 .26第四章 空气调节方案及风量计算.28 4.1各空调区域的空气调节方案 .28 4.1.1系统划分原则 .28 4.1.2各种空调方式比较 .28 4.1.3各系统采用条件 .29 4.2各空调房间风量计算 .29 4.2.1计算各空调房间的送风量 .29 4.2.2新风量确定 .31第五章 空调过程设计及设备选择.33 5.1空气调节方案 .33 5.2热、湿处理计算.33 5.2.1确定新风处理状态.33 5.2.2确定房间总风量满足既定要求.33 5.2.3确定风机盘管处理风量及终状态.34 5.3选择空气处理设备 .34 5.3.1选择新风机组 .34 5.3.2选择风机盘管机组 .35第六章 送、回风、及管道水力计算 .39 6.1气流组织及送、回风口的选型 .39 6.1.1气流组织要求 .39 6.1.2送风口布置要求及种类.40 6.1.3回风口的布置要求及形式.42 6.2空调风道设计计算 .43 6.2.1风道选型.43 6.2.2风管规格.44 6.2.3风道水力计算.45 6.3风机及其配用电机的选型 .50第七章 空调水系统 .52 7.1空调管路系统设计原则 .52 7.2空调水系统的水力计算 .52 7.3冷冻水系统设计.55 7.4冷却水系统设计 .58第八章 地源热泵系统系统的设计 .60 8.1空调系统中常见的冷热源组合方式.60 8.2地下耦合热泵系统选择.61 8.3热泵机组选择.61 8.4地埋管地下耦合热泵系统系统设计要点 .638.4.1设计要点.63 8.4.2埋管要求. .64 8.4.3设计基础.64 8.5设计中注意事项 .65. 8.6埋管的计算.65 8.6.1埋管设计.65 8.6.2埋管的水力计算.65第九章 暖通空调系统的消声与隔振.67 9.1暖通空调系统的消声、减振设计流程 .67 9.2暖通空调系统的消声设计 .67 9.2.1噪声源分析.67 9.2.2消声设计程序.67 9.2.3噪声标准.67 9.2.4空调系统消声器与系统噪声控制.69 9.3暖通空调系统的隔振设计 .69 9.3.1隔振装置选用原则. .69 9.3.2隔振措施：. . .69第十章 保温设计 .71 10.1保温材料 .71 10.2保温结构 .71 10.3保温层厚度 . .71第十一章机房设计 .73 11.1机房建筑设计与设备布置的要求.73 11.2机房布置方案.74第十二章设备选型 .76 12.1水泵选型 .76 12.1.1注意事项 .76 12.1.2、离心水泵管路附件图.76 12.1.3水泵选型计算.77 12.1.4常用水泵型号参数.78 12.2新风机组选型 .79第十三章系统合理性分析 .80参考文献. .81致谢 .82附录 .83附表.83第一章 绪论1.1课题背景 21世纪是注重人与环境和谐发展的生态时代，人们开始更多的关注居住区建筑的绿色化，这就推动建筑设计朝着更为生态化、更为人性化的方向发展，以满足人们对社区功能更高的要求。不断趋于文明和理性的社会越来越关注人的精神需求和健康要求，别墅建筑作为全球最高舒度要求的智能化建筑，是以人的需求为主体而进行智能化建设、变化更新的。设计师在设计时既要考虑满足居民需求的理论方面设计，又要保证舒适度、美观度、和实用性等能够在最大范围内表达与体现；同时设计师在设计运行方案、施工方案时还要充分地考虑设计的节能的效果。 我国城镇建筑运行能耗占社会总能耗的20%22%。在建筑能耗中，暖通空调系统与热水系统所占的比例接近60%，而且随着人民生活水平的提高还有继续上升趋势。地下耦合热泵系统作为一项新兴起的制冷节能技术，具有“高效”和“替代”两个最重要的特点。高效，指的是相比现有的同规模的常规暖通空调系统，其能效比较高；替代，指的是它可以替代或部分替代常规能源，而且地下耦合热泵系统系统可以在满足建筑物冷热需求的同时提供生活热水，是我国有效降低建筑能耗的建筑节能技术之一。 在中国，随着国家可再生能源法的诞生和大量财政补助措施的出台，地下耦合热泵系统系统最近5年开始大量应用于工程实践，与此相关的热泵产品应运而生，并已形成了一批提供热泵技术、产品和服务的厂家和从事地下耦合热泵系统技术设计、施工的单位。统计数据表明，中国浅层地热能应用面积从2005年的约3000万平方米，2010年达到约1.6亿平方米，地下耦合热泵系统市场的发展速度超乎想象。由此观之，地下耦合热泵系统系统在家居生活中的应用已成为高品质生活的象征；具有广泛的发展前景。 地下耦合热泵系统系统的能源来源于地下能源。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”。由于其节能环保稳定的优点，在全球得到了快速发展，在中国也逐步打开局面，某些地区已表现出如火如荼的趋势。地下耦合热泵系统技术无论是设计水平还是施工水平，都日益成熟和完善。地下耦合热泵系统系统最重要的是需要一个整体优化方案，而不是简单的将室内、机组、地埋管简单的组合。地下耦合热泵系统设计应采用大流量小温差的设计思路。相对应的应采用集分水器形式的水平管连接设计和专用地下耦合热泵系统机组。地下耦合热泵系统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。该系统无论是严寒地区还是热带地区均可应用。可广泛应用在办公楼、宾馆、宿舍、学校、医院、饭店、商场、别墅住宅等领域。1.2地下耦合热泵系统技术在中国发展的优势 1、初投资相对国外较少：一方面，我国的城市建设步伐加快，每年城市新建住宅2.4亿m2。而在建设新建筑之前并入集中地下耦合热泵系统系统，其成本要远远低于旧建筑的改造（甚至可低于一般空调系统）。另一方面我国由于人工费用比较低，基建费用是地下耦合热泵系统系统最主要的成本增加部分，因而与西方发达国家相比我国的基建费用低；由此可见我国的初投资相对较少。 2、能够缓解能源紧张问题：再生产力高速发展的条件下，人们越来越意识到地球上的资源和能源日益匮乏，我国能源短缺是一个不争的事实。与此同时，我国又存在能源利用率低的矛盾。据统计我国总能源利用率约为30%，这仅相当于发达国家50年代的水平。我国的建筑耗能约占总能耗的25%，其中供热采暖能耗约占一半。而地下耦合热泵系统需要的热量有70%来自地下，夏天制冷时，将建筑物中的热量传入地下所消耗的电力也非常少，因此地下耦合热泵系统这项节能技术应用于我国可以在一定程度上可以缓解我国的能源压力。 3、受到国家相关政策的支持：为了减少我国由于冬季采暖所造成的大气污染，减低国内现有制冷空调系统的能源消耗，国家科技部与美国能源部分别代表两国政府签署了中美两国政府地下耦合热泵系统合作协议，引进和推广美国先进的地下耦合热泵系统技术。近些年国家又出台一系列政策，在全国范围内，大规模设立可再生能源建筑应用示范城市，建立专项基金用于补助太阳能应用、节能建筑、地下耦合热泵系统等节能工程。为推动地下耦合热泵系统等可再生能源工程项目的推广提供强大动力。1.3地下耦合热泵系统系统原理 地下耦合热泵系统通过输入少量的高品位能源（电能），将热能实现由低品位向高品位转移。土壤（或地下水、地表水、污水等，下同）分别在冬季通过热泵把大地中的热量经过冷媒水的交换提升温度后，对建筑供热；同时使大地中的温度降低，蓄存冷量，供夏季使用；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时在大地中蓄存热量以供冬季使用。这样在地下耦合热泵系统系统中大地起到了蓄能器的作用，进一步提高了空调系统全年的能源利用效率；供暖、制冷的同时可以将土壤或室内的热量提高温度后，用来制备、供应生活热水，特别是在夏季，热水的制备几乎是免费的。通常地下耦合热泵系统消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量，节能效果显著。1.4地下耦合热泵系统分类地下耦合热泵系统系统地表水源热泵系统可再生水源热泵系统河水源热泵系统湖水源热泵湖水源热泵系统海水源热泵系统海水源热泵系统生活污水源热泵系统生活污水源热泵系统工业废水源热泵系统工业废水源热泵系统地埋管地下耦合热泵系统系统地下水源热泵系统 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。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三类。 地下水热泵系统：在土壤源热泵得到发展以前，欧美国家最常用的地下耦合热泵系统系统是地下水热泵系统。地下水热泵系统的优势是造价要比土壤源热泵系统低；其劣势在于：有些地方法规禁止抽取或回灌地下水；可供使用的地下水有限；如水质不好或打井不合格要进行水处理；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。 地表水热泵系统：地表水热泵系统主要有开路和闭路系统，包括使用江、河、湖中的地表水，也包括使用市政污水、厂矿废水、冷却水等。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，要有足够的水量及水体深度，否则水体的温度会随着室外气候发生较大的变化，可能造成热泵效率降低，制冷或供热能力降低的后果。 地埋管式土壤源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-couple heat pumps）或土壤热交换器地下耦合热泵系统（Ground heat ex-changer heat pumps）,包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平的安装在地沟中，或是以U形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常是水或是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行换热的目的。水平埋管地源热泵系统(Horizontal groundcoupled heat pump)比较简单的是，当室内符合比较小，土壤换热器比较短，可以把单回路管子随开挖土方施工直接埋入地下。图1-1水平埋管当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑土壤换热器的布置问题，畅游的布置方式有以下两种a串联式水平埋管b并联式水平埋管图1-2水平埋管 垂直式地埋管系统（Vertical borehole ground-coupled heat pump）a比较简单的方式是，当室内负荷比较小，土壤换热器长度比较短，换热器井数比较少可以直接接入机房。b当室内负荷比较大，土壤换热器长度比较长，就需要考虑换热器井群的布置问题，一般是若干口井汇集到集水器中，然后统一由干管接入机房。 c垂直埋管地源热泵系统有一种特殊形式叫：桩基换热器，即在桩里布置换热管道。 d地热智能桥，类似桩基换热器，由桥桩中埋管的地源热泵自动融雪的桥被称为地热智能桥。雪落到桥面上，这些盘管用地热将雪融化。地源热泵的开启靠输入当地的地源热泵参数来控制。图1-3垂直式埋管螺旋埋管地源热泵系统（slinky ground-coupled heat pump）A长轴水平布置的螺旋埋管地源热泵系统B长轴竖直布置的螺旋埋管地源热泵系统（盘旋布置埋管地源热泵系统）C螺旋埋管地源热泵系统有一种特殊布置形式；沟渠集水器式螺旋埋管地源热泵系统，也有学者把它归到多层水平埋管地源热泵系统。图1-4螺旋埋管1.5地下耦合热泵系统中央空调系统的特点1、系统在北欧、北美已普遍应用，近几年在中国开始大规模地推广应用，技术成熟可靠。2、属于可再生能源应用技术、节能环保，获得政策支持3、运行节能：地下耦合热泵系统系统能充分利用蕴藏于土壤和湖泊中的巨大能量，循环再生，实现对建筑的供暖和制冷。因而运行费用较低。地下耦合热泵系统比风冷热泵节能30%，比电采暖节能60%，比燃气炉效率提高48%。4、运行安全可靠：基本不受环境气温影响，系统简单，省去了冷却塔等部件的维护工作，可稳定持续的供冷供热。5、地下耦合热泵系统系统运动部件要比常规系统少，因而也减少了维护，系统安装在室内，不暴漏在风雨中也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。6、由于地下耦合热泵系统的供冷、供热更为平稳，降低了停开机的频率和和空气过热和过冷的峰值；这种系统更容易适合供冷、供热负荷的分区；第二章 工程概况2.1气象参数 2.1.1室内设计参数选取 选取依照GB507362012民用建筑供暖与空气调节设计规范规范要求如下：当人员在空调区域仅作短期逗留时，室内设计温度在供冷工况下宜比长期逗留提高12，供热工况下宜降低12；短期逗留区域供冷工况的风速不宜大于0.5m/s，供热工况不宜大于0.3m/s。此外夏热冬冷地区主要房间宜采用1622。2-1人员长期逗留空调室内设计参数类别热舒适等级温度相对湿度%风速m/s供热工况一级22-24300.2二级18-220.2供冷工况一级24-2640-600.25二级26-28700.3第 81 页 2.1.2室外设计参数选取选取依照GB507362012民用建筑供暖与空气调节设计规范规范要求如下：2-2湖南省长沙市室外计算参数台站信息北纬东经海拔44.9统计年份19721986年平均温度17.0室外计算温度湿度供暖室外计算温度0.3冬季通风室外计算温度4.6冬季空气调节室外计算温度-1.9冬季空气调节室外计算相对湿度83夏季空气调节室外计算干球温度35.8夏季空气调节室外计算湿球温度27.7夏季通风室外计算温度32.9夏季通风室外计算相对湿度61夏季空气调节室外计算日平均温度31.6风向风速及频率夏季室外平均风速2.6夏季最多风向C NNW夏季最多风向的频率16 13夏季室外最多风向的平均风速1.7冬季室外平均风速2.3冬季最多风向NNW续 表 2-2冬季最多风向的频率32冬季室外最多风向的平均风速3.0年最多风向NNW年最多风向的频率22冬季日照百分率26最大冻土深度大气压力冬季室外大气压力1019.6夏季室外大气压力999.2设计计算用供暖期天数及其平均温度日平均温度+5的天数48日平均温度+5的起止日期12.2602.11平均温度+5期间内的平均温度4.3日平均温度+8的天数88日平均温度+8的起止日期12.0603.03平均温度+8期间内的平均温度5.5极端最高气温39.7极端最低气温-11.3根据本工程实际情况为便于设计计算室外设计参数选取如下：内容温度风速m/s相对湿度%冬季-1.92.383夏季35.8（干）/ 27.7（湿）2.677.372.1.3地理信息长沙市位于 东经 北纬 大气透明度4级2-1夏季空气调节大气透明度分布图2.2土建资料该建筑物地处长沙市；南北朝向。建筑物尺寸信息详见平面图等建筑图纸。2.2.1维护结构性质确定2-3围护结构夏季热工指标内容保温材料保温层厚度传热系数传热衰减系数围护结构衰减度围护结构的延迟时间内表面放热衰减度内表面防热延迟时间外墙水泥膨胀珍珠岩800.840.1953.8511.01.21.1顶棚加气混凝土1700.900.3726.689.02.12.8内墙砖墙2401.760.2817.569.02.02.02-4窗户的结构性质项目类型取值窗户有效面积系数单层钢窗0.85双层钢窗0.75地点修正系数长沙1窗玻璃的遮挡系数6mm后普通玻璃窗0.89双层6mm厚普通玻璃窗0.74窗户内遮阳设施的遮阳系数活动百叶中间色0.60传热系数k单层、金属框6.40双层、金属框3.26除落地窗外外，窗的尺寸高度均为2000mm2-5外门的结构性质项目类型传热系数取值 推拉式外门实体木门双层、实体木制2.33推拉式外门带玻璃的阳台外门双层金属框3.26平推式带玻璃的阳台外门2.2.2太阳辐射对维护结构的影响根据采暖空调制冷手册查取：2-6长沙市墙体负荷温差长沙市墙体负荷温差时刻朝向8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00S999101010101010101099W10111112131313141413131313N8899999999999E13131313131313131212121211墙体外表面日射吸收率2-7玻璃窗温差传热负荷温差时刻地点 类型8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00长沙轻45.16.27.38.28.99.59.89.89.58.98.17.2中、重4.15.06.06.87.78.38.89.29.39.18.68.07.22-8外窗日射热负荷强度时刻朝向8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00N148187160138154166166166154138160187148E4279109138154266308390369280245166106S38427910915923829430929423815910979W42791091381542663083903692802451661062-9顶棚冷负荷温差时刻朝向8:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:00向上00.550.730.780.820.850.880.900.910.920.940.940.95第三章 负荷计算3.1夏季冷负荷计算方法 空气调节区的夏季冷负荷根据以下各项确定： 通过围护结构传入的热量 通过外窗进入的太阳辐射热量 人体散热量 照明散热量 设备、器具、管道及其他热