地源热泵系统设计方案开题报告

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1、20世纪70年代，世界能源结构已经经历了三次大转变，即从木柴转向煤炭由煤炭转向石 油和天然气，继而又从以油、气为主的能源系统转向以可再生能源为基础的持久能源系统。据资 料，目前全世界已经探明的煤炭、石油、天然气、油页岩等石化燃料资源的总 年。100量，大约只够人类使用目前在我国的能源构成中煤占70%以上，石油及天然气占25%，但能源利用率仅在30%以下。针对我国的能源紧缺、能源利用率低、能源浪费严重的现状，建设部于1996 年下发建筑节能技术政策，明确今后我国建筑节能的任务是在保证使用功能、建筑质量和室 内环境符合小康目标的前提下，采取各种有效的节能技术与管理措施降低新建房屋单位建筑面积 能耗

2、。同时对既有的建筑物进行有计划的节能改造，达到提高居住热舒适性、节约能源和改善环境的目的。所以，地源热泵系统近年来被越来越多人们所提及。地源热泵系统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。热泵是利用卡诺循环和逆卡诺 循环原理转移冷量和热量的设备。地源热泵系统是以浅层地热作为能量载体，利用地下土壤巨大 的蓄热蓄冷的能力，通过压缩机系统，在夏季将建筑物内的热量转移到地下土壤中，在冬季将地 下土壤的热量转移到建筑物内，一个年度形成一个。实现了建筑物的制冷和供暖，有着节能 减排降低能耗的功能1冷热循环. 地源热泵技术的历史可以追溯到1912年瑞士 Zoelly提出“地源热泵”这一概

3、念。1946年美国开始对地源热泵进行系统研究，在俄勒冈州建成第一个地 源热泵系统，运行很成功。到目前为止美国已安装了 600，000台，而且计划每年安装40万台的 目标，能降低温室气体排放一百万吨，相当于减少50万辆汽车的污染排放或种植树一百万英亩， 年节约能源费用4.2亿美元。瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用地源热泵，用于供暖及 提供生活热水。由此可见，地源热泵系统作为一项节能环保的新能源技术，其推广对人类生产生 活是相当有意义的。二、国内外研究简况及发展趋势国外研究简况2.1国外对地源热泵的研究相对较早，20实际30、40年代，英、美等国已进入了热泵的研制开发阶 段。第二次世界大战后

4、，美国许多大公司同时发展了各种热泵，其中以小型热泵空调器发展最 为迅速，出现了发展热泵的高潮。与此同时，西欧各国，如比利时、法国、联邦德国、瑞士等也 致力于热泵的研究与开发。早期的地源热泵研究主要集中于岩土的传热性质、地埋管换热器形式、 埋管的影响因素等方面。20世纪80年代到90年代初，美国开展了冷热联供地源热泵方面的研 究工作，不少文献报道了地源热泵不同形式的地埋管换热器的传热过程计算机模拟计算方法。地 埋管换热器的设计计算模型据不完全统计约有30种。对于地埋管换热器的设计计算，各国以及 一些大学和公司都分别提出了各自的设计计算方法，它们都是基于不同的模型或者计算方法得出 的，有代表性的模

5、型主要有以下3种2:(1)1948年，Kelvin的线热源模型。该模型是将土壤看成无限大物体，埋管看成是具有恒定能 量的无限长线热源，计算的误差较大。目前大多数地源热泵设计是用该理论作基础，如国际地源 热泵协会和俄克拉荷马州立大学提出的设计方法都是以Kelvin的线热源理论为基础的。(2) 1983年，BNL修改过的线热源模型。它是将埋管周围的岩土划分为两个区，即严在地源热泵 运行时，不同区域之间的热传导引起区域温度的变化。，格区和自由区(3) 1986年，VC.Mei提 出的三维瞬态边远界传热模型,该理论时建立在能量平衡的基础上，由系统能量平衡方程结合热传 导方程构成。岩土热物性测试理论与方

6、法一直是地源热泵研究的一个重点。因为岩土热物性是地埋管换热器设计的基础数据。在计算地埋管换热甚至更深地层的热物理性质数据。岩土层热物性的M必须用到地下数十器的传热能力时.不同区域、不同土层深度、不同的地质构造热物性也都不一样。同时与现场地域性强安装情况密切相关。目前主要有现场测 试与实验室测试两种方法。较为准确的确定底层热。3物理性质一直是地源热泵研究的热点之 一二十一世纪初期，瑞典建立了现场岩土热物性参数测定和地温监测系统，有数学家帮助建立地 温场模型，每一个地源热泵系统在建设前就进行了精确的计算和预测模拟，现在国际地源热泵协 会总部所在地美国俄克拉何马大学都在学习瑞典的经验。同时，我们可以

7、看到，在美国和加拿大， 更多的地源热泵在提供建筑空调、供暖和热水以外的服务，如桥梁的桥面防冻，农业和水产养殖， 冷库等。此外，利用地源热泵进行道路的积雪清除是日本比较早的地热研究工程。在日本地源热 泵受到重视是在1990年以后，主要是在以中国地区为中心的四国岛及九州地区的空调和道路融 雪等规模的利用。在日本寒冷的地区，由于积雪而造成的交通事故很多，且往往主要出现在转向 较急的地方。因此在某些关键地方采用地源热泵融雪系统很有必要。为了提高冬天时运行的工作 效率，在夏季可以采用同一系统收集道路上的太阳辐射热能，蓄热到地下。这一技术的研究和应 用将对我国北方严寒地.区冬季道路融雪提供良好的借鉴国内研

8、究简况2.220世纪50年代，我国开始空气源热泵方面的研究工作，而地源热泵的发展则比较缓慢。 在国家自然科学基金委员会的资助下，自20世纪90年代初期以来国内开始了对地源热泵的探索 性研究。1988年中科院广州能源研究所主办了 “热泵在我国应用与发展问题专家研讨会”。20 世纪90年代以后，由于受国际大环境的影响以及地源热泵自身所具备的节能和环保优势，这项 技术日益受到人们的重视，越来越多的技术人员开始投身于此项研究。1998年重庆建工学院建 设了包括浅埋竖管换热器和水平埋管换热器在内的实验装置；刘宪英，王勇等人从1999年开始， 在国家自然科学基金的资助下对浅埋竖直管换热器的采暖、供热特性进

9、行了研究4； 1999年同 济大学建设了垂直地源热泵装置；张旭等人从1999年开始，在联合技术公司(UTC)的资助下针对 长江中下游地区含水率较高的土壤的蓄放热特性进行了土壤-太阳能复合热源的研究5。此外， 清华大学、浙江大学、天津大学、华中科技大学、山东建筑工程学院及中科院广州能源研究所等 高校和科研单位也对土壤源热。并取得了一定的成果2泵进行过研究，国内对地源热泵的研究主要集中在以下5个方面：地下换热器的传热计算模型的建立；地下换热器传热计算的模拟研 究；地下换热器的筛选及埋地盘管合理管间距的理论分析；土壤冻结对地下换热器传热的影响； 地下换热器间歇运行工况的分析6。目前，国内外的热泵产品

10、主要以风冷热泵和地源热泵为主。 输出温度大于60摄氏度，以地源或低温地热水(50摄氏度以下)为热源的高温地源热泵在国内只有少数几个单位在研制，如中科院广州能源研究所、天津大学、清华大学等。广州能源研究所于2001年初率先推出了最高出水温度可达75的高温地源热泵机 组，并在近两年里由其下属公司一北京中科能源高科技有限公司在北京、广州等地成功实施了十 余个工程工程，涉及空调采暖、散热器采暖、热水供应、地热尾水热回收利用等多种形式，取得 了良好的运行效果7。而在实际应用方面，据统计仅在北京2004年施工并投入运行的地源热泵系统的空调工 以上。 2/3程占全年空调工程总量的2008年北京奥运会实施“绿

11、色奥运”奥运工程中，4个工程建设了 地源热泵，3个工程建设了水源热泵，还有两个工程直接利用了地热。北京奥运会主体育场“鸟 巢”采用了地源热泵系统，通过地埋换热管，在冬季吸收土壤中蕴含的热量为“鸟巢”供热，在 夏季吸收土壤中存贮的冷量向“鸟巢”供冷。此外，奥运村微能耗建筑示范工程是奥运村配套工程，作为低能耗示范工程，该工程在设计中 充分重视节能技术的优先应用，包括高效节能外围护结构、自然通风和自然采.光，重视可再生能源的应用。通过溶液回收机组，回收排风的能量，提高了整个系统的能效比。 同时通过热管式的蓄冷系统，与地源热泵有机结合，在整个系统中又遵循着能源互补的原则。该 工程区别于常规地源热泵系统

12、的特点主要是一个多种可再生能源的复合系统。冬季地源热泵和太 阳能联合供暖，夏季是地源热泵和自然蓄冷的联合供冷，同时还有地源热泵夜间蓄冷水；生活热 水由地源热泵和太阳能联合提供。工程中采用了温湿度独立控制的方式。制冷、供热季节系统末 端采用辐射地板及溶液式全热回收新风机组。溶液式全热回收新风机组负责湿度控制。地板辐射 负责室内的温度控制。选择了两台热泵机组， 一台专门负责空调系统，夏季供冷，冬季供暖， 另一台专门负责生活热水的制取。年世博轴及地下综合体工程位于浦东世博园核心区，工程采用 地源热泵技术和江2010水源热泵技术，充分体现世博会绿色环保的理念，设有一组江水源热泵 机房和三组地源热泵机房

13、。系统采用江水和地埋管(地埋管散热器)作为热泵系统的高温热源或 低温热源。夏季以江水源系统为主，地源热泵为辅，同时江水源系统离心式冷水机组优先开启和 使摄氏度时，4用。冬季以地源热泵为主，江水源热泵系统为辅。当江水源侧出水温度低于加大 江水吸水泵的流量。总体来看，我国对地源热泵技术的应用已经不局限于单一能源，。而是多 种高效、节能、环保能源的优化组合8发展趋势2.3地源热泵与中央空调相连接的供热、制冷系统是目前的发展趋势。综合利用低品位热能、高效率 利用热能、简单化和一体化的地源热泵系统等都是目前地源热泵系统技术的前 年来的发展趋势， 其系统技术的发展大致有如下三个方向：沿课题。根据地源热泵2

14、0综合利用热能的趋势。将来 的地源热泵系统不仅用于一般住宅、办公用户的供热和(1)综合利用。比如用供热的热能)(冷能) 和制冷的废弃能量制冷，更趋向于将供热的废弃能量废弃冷能运转冷藏库、自动售货机等。用制冷的废弃热能供应温室养殖、种植和生活热水等。将来的地源热泵系统可能将热泵的转换系统一体化趋势。随着新材料和新工艺的开发(2)使采热和传热的效率更高。与地上散热系统一体化越来越多的建筑物需要(3)实地建造的趋势。随着人们对居住和生 活环境要求的不断提高常年供暖、制冷、热水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空间和周 边的自然环境和自然能源，因地制宜地设计、制造和配套安装相应的地源热泵系统也将是一

15、个 发展方向。可以预见，随着经济的发展，人们节能、环保意识的日益提高，地源热泵作为一种节 能、环保的绿色空调设备适应能源可持续发展战略要求，在中国必将有广阔的应用和发展前景。一、研究内容及实验方案本课题旨在设计一种地下水源热泵系统。系统处于发展程度较高的 热田中部，利用热田 所蕴藏的地热资源对住宅小区进行供暖，系统应具有较好的供热效果，实现节省能源的目的。对该系统提出的主要设计要求如下：2m ；）建筑位于北京市，小区总住宅面积28000（1MPa ；（2）使用水源热泵进行供暖，系统式压0.52mWkW ； 1400，采暖热负荷为50）采暖供热指标为 3 （.3?dmmC ； 1550，出水温度

16、，成井后出水量59 （4）地热抽水井井深2054?C上下。5 （）采暖期 房间内温度期望值20根据设计的初步要求，本系统的功率为100KW，且只用于制热的单热型空调系统。考虑到要结合地源热泵并有效利用地表浅热，在比较活塞式、螺杆式、离心式、漠 化锂吸收式空调系统的优缺点后，选择螺杆式空调机组作为本地源热泵系统的地上部分。而地下 部分主要是地下热交换器。本设计涉及负荷计算、空调设备选择及其空调系统设计、冷冻水管 路 的设计及水力计算、地下埋管设计与计算等环节。 四、目标、主要特色及工作进度目标通过网上查询相关数字期刊、图书馆查阅相关书刊和杂志的途径，来完成毕业设计，以达到以下几点：L熟悉地源热泵

17、系统理论与实验分析过程；2.从理论上掌握换热器的设 计计算；2.提出地源热泵系统的设计方案。3.工作进度周3.312.25.-1.搜集有关资料，熟悉地源热泵原理，撰写开题报告周3.1723.4-2.相关外文文献资料的阅读与翻译（6000字符以上）周一3.3123.183.初定地源热泵系统结构形式和热泵机组型号 周一5.1264.对系统所使用板式换热器进行设计计算4.1周一5.2625.对系统整体进行设计5.13周一6.216.计算系统经济性5.27周一6.2137.撰写毕业论文及答辩准备6.3四、参考文献：）12中国医院建筑与装备，2012，（1沙允杰.地源热泵系统在医院应用中的性能分析J 2

18、 P.Roth,A.Georgiev, A.Busso, E.Barraza, First in situ determination of ground and borehole thermal properties in Latin America, RenewableEnergy 29（2004） 1947-1963. 3 Sognhild E A Gehlin, Goran Hellstrom, Compatison of Four Models for Thermal Response Test Evaluation,ASHRAE Transactions 2003,pg.131.J 述综的型模热传器热换管埋下地泵热源地.棣唐魏，明鸣胡，英宪刘4），（重庆建筑大学学报， 19994 ） （202011J.刘东，陈沛霖，张旭5土壤源热泵系统的适用性分析。山西建筑，。工程 建设与设计，6吕悦，杨立平，周沫，莫然.国内地源热泵应用情况调查报告J ）. 2005, （6. 刁乃仁、方肇洪.地埋管地源热泵技术，高等教育出版社7 ） 3 （2010山西建筑职业技术学院， J曹艺.地源热泵的应用现状探讨8毕业设计（论文）开题报告地源热泵系统的设计题目飞行器动力工程称名 专业号级学班名生 学姓 导指教师日25月年期日表填201302