采用U型地埋管换热器的地源热泵空调系统设计【含CAD图纸+文档】
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采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统目录摘要.IABSTRACT. II1绪论.11.1 设计背景. 11.2 国内地源热泵发展简史.21.3 国外地源热泵的发展.31.4 地源热泵发展趋势.41.5 地源热泵技术在中国的发展优势.41.6 地源热泵技术在发展中的问题.62 热泵工作原理和特点.72.1 热泵原理. 72.2 地源热泵系统的特点.82.3 地源热泵对环境的意义.93 热力计算.93.1 确定制冷系统的设计工况.103.2 绘制压焓图和查状态参数.103.3 循环的热力计算. 114 压缩机的选型.124.1 压缩机热力计算.124.2 压缩机的选型.134.2.1 往复式制冷压缩机.134.2.2 螺杆式压缩机.13采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统4.2.3 涡旋式空气压缩机.144.2.4 离心式压缩机.164.3 压缩机校核. 174.4 制热功率的计算.185 冷凝器的设计计算.205.1 水冷式冷凝器及分类.205.2 参数的选择及冷凝器换热面积计算.225.3 确定内管根数.235.4 传热计算. 235.4.1 计算水侧表面传热系数.235.4.2 计算套管间 R22 冷凝表面传热系数. 235.5 冷凝器总体结构设计.246 蒸发器的设计计算.256.1 蒸发器的分类及选型.256.2 肋管换热面积的计算.276.3 管内外侧换热系数的计算.286.3.1 管内侧制冷剂 R22 的换热系数的计算. 286.3.2 管外水侧换热系数的计算.286.4 管内热流密度验证及管长计算.296.5 管长的计算. 307 地源热泵系统地下换热器型式确定.307.1 确定管路连接方式.317.2 选择地埋管管材及埋管直径.317.3 地下换热器尺寸的确定及布置.32采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统7.3.1 已知条件的确定.327.3.2 确定地下换热器换热量.327.3.3 确定钻孔总长度，孔深及孔数.328 系统辅助设备的选择.338.1 电子膨胀阀的选用.338.2 干燥过滤器的选择.348.2.1 干燥过滤器的构造及原理.348.2.2 干燥过滤器的作用.348.2.3 干燥过滤器的选择.348.3 电磁阀. 368.3.1 电磁阀的工作原理及作用.368.3.2 电磁阀的安装和使用.368.3.3 单向阀选择.378.4 四通换向阀的选择.37总结.39致谢.40参考文献.41采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统I采用 U 型地埋管换热器的地源热泵空调系统设计摘要随着中国的建筑行业的飞速发展，人们对生活环境的要求也越来越高，这种需求带动了中国的空调制冷业的发展，人们对室内空气品质（IAQ）有了更深刻的认识,对环境的需求意识已经不是简单的冷热意识,而是趋向于健康化、卫生化的需求。因此采用更先进的空气调节方法提高空气品质满足人们的要求成了当前制冷行业发展的热点和重点之一。地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性,，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中,达到降温或制冷的目的。 冬季它代替锅炉从土壤、地下水或者地表水中取热，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空调向土壤、地下水或者地表水放热给建筑物制冷。同时，它还可供应生活用水，可谓一举三得，是一种有效地利用能源的方式。本文，将通过学习有关地源热泵和中央空调系统设计方面的书籍与资料，在老师的的指导和同学们的帮助下，用自已大学四年所学过的专业和努力设计一套土壤源热泵中央空调系统。希望借此机会检验我大学四年所学专业的成果，并使我的专业知识系统得到一次升华。关键词地源热泵/中央空调/节能环保/设计采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统IIU-SHAPED GROUND HEAT EXCHANGER OF GROUNDSOURCE HEATPUMPAIR CONDITIONINGSYSTEM DESIGNABSTRACTWiththerapiddevelopmentofChinasconstructionindustry,Peoplesrequirements of the Living environment is becoming higher and higher.This demandcontributed to the Chinas air conditioning refrigeration industry development.People havea more profound understanding of the in indoor air quality.Peoples requirement on theenvironment is not simple consciousness for cold and hot consciousness,but tend tohealth,and the demand of sanitation.So use the more advanced air conditioning method isbecoming one of the most important part of the development of the current refrigerationindustry to improve the air quality and meet the requirement of people.The ground source heat pump technology,is a technology which use thecharacteristics of temperature is relatively stable of the soil underground,surfacewater,groundwater to transfer heat from ground to anywhere that need it in the winter orcool the indoor temperature by let the heat flue into the ground.The ground source heatpump can take the place of the traditional heating and central air conditioning system suchas the boiler or municipal pipeline.In this paper,I will design a set of ground source heat pump system with myteacher and classmates help,by using the knowledge that I learned during these four yearand looking through books about the ground source heat pump central air conditioning.Ihope I can learn more about my subject from this design。KEY WORDSground source heat pump,Design,central air conditioning,energysaving采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统11 绪论1.1 设计背景地热是一种可再生的自然能源。 尽管目前它的应用还不能像传统能源(煤、 石油、天然气、水力能和核能)那样广泛，但由于地壳里蕴藏着丰富的地热能，特别是在传统能源越来越缺乏的今天，地热能利用在许多国家已得到了相当的重视。 地源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于 400 米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了 47的太阳能，比人类每年利用能量的 500 倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵中央空调系统是利用水与地源(地下水、 土壤或地表水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为“热泵”；夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地源为“冷源”。 地源热泵中央空调系统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。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将 90以上的电能或7090的燃料内能转化为热量供用户使用， 因此地源热泵中央空调系统要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量； 由于地源热泵中央空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为 916，其制冷、制热系数可达3.56.3，与传统的空气源热泵相比，要高出 40左右，其运行费用为普通中央空调的 5060。地源热泵中央空调系统的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少 40以上，与常规电供暖相比，相当于减少 70以上，如果结合其他节能措施减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少 25的充灌量。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。中国的建筑行业正处于飞速发展的阶段，人们对生活环境的要求也越来越高，而生活环境最主要的就是居住环境，这种需求带动了中国的空调制冷业的采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统2发展，特别是在“非典”之后，人们对室内空气品质（IAQ）有了更深刻的认识，室内空气的好坏直接影响到人们的健康，原来使用的空调技术已经不能满足人们的要求，对环境的需求意识已经不是简单的冷热意识，而是趋向于健康化、卫生化的需求。因此采用更先进的空气调节方法提高空气品质满足人们的要求成了当前制冷行业发展的热点和重点。从 2001 年至今，电力紧缺的问题一直困扰着我们，现在的情形更为严重，一方面是我国的经济每年以两位数的飞速发展，另一面是全球性的能源紧缺，再加上去年的全国性的冰灾，据有关部门预计，今年我国南方尤其是经济发达的广东地区缺电达 30%，不少工厂被迫“开四停三”，严重影响到了经济的持续发展。电厂的发展又不能盲目的增加发电量，或者增建新的电厂，必须依靠宏观的发展才能不至于发生电力过剩的尴尬局面，而且电厂发电对环境的污染也会随着电厂的增加而增加，在这种情况下，空调作为用电大户，充分利用现有的自然能，如太阳能、地热能、生活垃圾等可利用的能量资源既减轻了当前电力的负担，又增加了空调的环保能力，因此，利用自然资源，保护环境也成了当前各国空调制冷行业的研究方向。当前空调行业的已经在这些方面有了一定的进步，许多节能性空调如变频空调正越多的得到使用，而在中央空调方面，溴化锂双吸收式制冷等保护环境的制冷剂设备也发展的越来越快。热泵技术的使用既有效利用了自然能源，节省了能量，同时又保护了环境。1.2 国内地源热泵发展简史地源热泵并不是一种新的空调系统，早在 20 世纪 30 年代， 欧洲就已经出现了工程的应用，当时主要用于冬季的供暖。20 世纪 70 年代，出现能源危机，地源热泵系统的工程应用形成高潮，技术日趋成熟。由于中国空调技术应用较晚，地源热泵作为传统空调的一个分枝，对大多数人说，确实较为陌生。我国在地源热泵领域的研究始于20世纪80年代初的天津大学和天津商学院。自此，其他少数单位也先后在地热供暖方面进行了一系列的理论和试验研究，但是， 由于我国能源价格的特殊性， 以及其他一些因素的影响， 地源热泵的应用推广非常缓慢。采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统320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。1995年，中国国家科技部与美国能源部共同签署了 中华人民共和国国家科学技术委员会和美利坚合众国能源部效率和可再生能源技术的发展与利用领域合作协议书 ，并于1997年又签署了该合作协议书的附件六-中华人民共和国国家科学技术委员会与美利坚合众国能源部地热开发利用的合作协议书 。其中，两国政府将地源热泵空调技术纳人了两国能源效率和可再生能源的合作项目， 这一举措极大地促进了该技术的国际合作和推广应用。1998年是我国在该领域的一个里程碑，从这一年开始， 国内数家大学纷纷建立了地源热泵的实验台。其中，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；1998年青岛建工学院建设了聚乙烯垂直地源热泵装置；1998年湖南大学建设了水平埋管地源热泵实验装置； 1999年同济大学建设了垂直地源热泵装置等。同时，我国也成立了一些专门的生产厂家，开始批量生产相关产品。 这些科研单位和企业互相合作，在开发利用地源热泵技术方面取得了很大的进展， 做了许多实验研究和工程示范，产生了很多有效数据， 这些宝贵的经验教训势必将大大加快我国发展地源热泵的步伐。1.3 国外地源热泵的发展地能热泵系统在北美和欧洲都应用的比较普及，根据国际地热联合会（Thegeothermal heat pump consortium）的统计，到 2003 年底，采用地能热泵技术制冷供热的建筑面积美国为 3720 万平方米，瑞典为 2000 万平米，德国为 560 万平米，加拿大为 435 万平米。但北美的应用与欧洲的应用存在明显的差异。北美的应用，地能热泵更多地偏重于解决建筑的空调制冷问题。在美国，政府投入很多的力量来支持地能热泵系统的推广，政府和学校经过多年的努力， 建立了全国各地地质参数资料库，并在各州确立了经过认可的地能热泵推荐的工程商，ASHERE也针对系统特殊要求在机组设计上建立了标准， 同时政府支持在大地换热器设计以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策来鼓励地能热泵系统的推广，如专门的补贴、政府推广网站等。从系统设计的角度看，虽然北美也有小型的水水热采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统4泵机组，但北美地能热泵系统更多地采用的是水环热泵系统， 尤其对于一些大型的工商建筑，采用水环热泵正成为设计的主流趋势。美国著名的地能热泵制造商有CLIAMTMASTER、WATER FURNACE 等 ，他们提供符合 ARI 的专门用于地能系统的标准系列产品。而对于大地换热器，北美采用的多是单 U 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,钻孔深度为 50 至 160 米 。在欧洲，由于环保和节能的要求，目前，在欧洲，地能热泵系统在供热方面积累了丰富的经验，从系统设计的角度看，欧洲多采用水系统，欧洲的水水热泵机组更多偏重于制热，但没有专门的地能热泵机组标准和专门的地能热泵设备制造商。 而对于大地换热器，欧洲采用的多是双 U 型的垂直埋管方式。1.4 地源热泵发展趋势地源热泵与中央空调相连接的供热和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沿课题。根据地源热泵20年来的发展趋势， 其系统技术的发展大致有如下三个方向：(1) 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、办公用户的供热和制冷，更趋向于将供热的废弃能量(冷能)和制冷的废弃能量(热能)综合利用，比如用供热的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。(2) 一体化趋势。随着新材料和新工艺的开发，将来的地源热泵系统可能将热泵的转换系统与地上散热系统一体化，使采热和传热的效率更高。(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，越来越多的建筑物需要常年供暖、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个发展方向。1.5 地源热泵技术在中国的发展优势1) 初期投资费用少。随着改革开放的不断深入，人们生活水平的不断提高，持采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统5续的高速经济增长导致人们对舒适生活的追求， 从而使地源热泵这项崭新的技术在中国具有巨大的市场潜力。同时我们也要注意到，我国城市的建设步伐正在加快，每年城镇新建住宅 2.4 亿平方米。而在建设新建筑之前并入集中地源热泵系统，其成本要远远低于旧建筑的改造(甚至可以低于一般空调系统!)，这对我们这个“严寒”与“寒冷”采暖区几乎占了国土面积的 70和全国总建筑面积的 50的国家而言，节省的费用是巨大的。在美国，由于能源相对的便宜(与中国相近)，而人工费用很高，一般一个家庭的安装费用在 3000 美元左右，地源热泵仍然具很强的市场竞争力。而我国由于人工费用比较低，与西方发达国家相比，我国的基建费用低。基建费用是地源热泵最主要的成本增加部分。 由此可见， 我国与国外发达国家相比， 初期投资相对要少一些。2) 能够提高城市环境质量。随着人们生活水平的提高， 对生活质量的要来越高，环保意识增强，人们开始认识到高品质的空气是人类健康的保障。 目前居民对空气污染的关注程度越来越高，城市(包括室内)对人们生活以及身体的影响日益受到重视，在碰到身体不适的时候，很多居民开始考虑空气因素的影响。根据1997 年中国环境状况公报，我国城市空气质量仍处于较重的污染水平。据统计，世界大气污染最严重的 10 座城市中，中国就占了 7 席，这也从一个侧面反映出我国城市空气质量不容乐观，加强空气治理，已经到了刻不容缓的时候。目前我国的能源结构中有一个最为不利的因素，即长期以来在能源的生产和消费中煤炭的比例占 70左右。为了彻底整治环境，减少温室气体排放，我国政府正在规划改变以煤为主的能源结构，以实现可持续发展战略。北京等城市正在考虑以电代煤的方法来解决城市污染的问题。 每千瓦电能带来 3 至 4 千瓦热量的地源热泵将是极具竞争力的技术。 由于电力是地源热泵的唯一动力，因此没有燃料分散燃烧所造成的大气污染。 与此同时由于厂家密封制剂。使用过程中不泄露，不补充，减少了对臭氧层的破坏。分析和调查表明，地源热泵的应用对降低温室效应起了积极作用。可见， 这项技术应用于中国将缓解城市空气污染问题。3) 能够缓解能源紧张问题。进入新世纪，在生产力高速发展的条件下，人们越来越认识到地球上的资源和能源日益匣乏。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，我国总的能源利用率约为 30，这仅相当于发达国家 90 年代的水平。我国建筑耗能约占总耗能的 25，其中供热采暖能耗约占一半。能源短缺导致中国的能源价格越来越接近发达国家的水平。 我国要在能源每年增长率仅为 35的条件下满足国民经济持续每年增长 89，就必采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统6须重视节能技术和节能产品的开发利用， 这决定了我国必须在空调和取暖这一耗能大项上有所改进。 就地源热泵技术而言， 由于热泵仅仅用来传输热量， 而不是产生热量，所需要的热量有 70来自于地下，夏天制冷时，用来将建筑物中的热量传人地下所消耗的电力也非常少， 因此地源热泵这项节能技术应用于我国可以在一定程度上缓解我国的能源压力。4）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的能源消耗，寻求新的低能耗、无污染的供暖制冷空调技术，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源热泵合作协议，引进和推广美国先进的地源热泵技术。 这对地源热泵技术在中国的推广起到巨大的推动作用。八届人大常委会第二十八次会议审议并通过了中华人民共和国节约能源法，其中第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，这也将促进地源热泵事业的发展。自从我国实施民用建筑节能设计标准后，提高了建筑隔热保温性能，降低了建筑采暖能耗，结果是大幅度降低了地源热泵采暖方式的年运行费用，增加了地源热泵与集中供热采暖方式的竞争能力。1.6 地源热泵技术在发展中的问题任何一项新事物的出现总是要受到人们的质疑， 对于地源热泵这项新技术同样可能会遇到一些阻力。首先，中国有关地源热泵的现成技术资料不多，还缺少这方面的设计、安装和维护技术人员，同时，由于在中国生产地源热泵相关设备的厂家少， 人们对它还比较陌生， 大多抱着观望的态度， 这样的情形不利于这项技术在中国的推广。其次，我国现在还没有出台促进地源热泵技术发展的相关优惠政策， 这使部分想采用地源热泵系统的用户由于看不到眼前利益而采用其它的空调系统。 为了鼓励用户采用地源热泵系统，我国可以提供鼓励性补贴和资助给购买地源热泵系统的用户， 或者采用调整能源价格的方法，使能源价格合理化，给予这些用户一些实惠，鼓励人们采用地源热泵系统。还要说明的一点是，世界上热泵技术比较发达的北美、北欧和中欧国家由于气候条件基本上只用于供热，对地源热泵夏季制冷工况研究较少。 而我国幅员辽阔，地处温带，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地区气象条件差异很大，同样的建筑在不同的地区，其负荷情况可能迥然不同。因此，我们不能照搬外国的技术成果，必须投入大量的科研经费和研究人员进行研究，使其适合中国的气候特点，这也采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统7在一定程度上延缓了这项技术在中国的推广。但可以相信， 地热能具有广泛的应用前景，在不久的将来，地热能将在世界能源利用结构中占有更大的份额。随着人们环保意识的加强和对“绿色能源”的日益重视，地源热泵系统技术也将得到前所未有的发展。2 热泵工作原理和特点2.1 热泵原理热泵，就像水泵能把低位水提升到高位一样可以把热从低温端传送到高温端。 它是一种可以实现蒸发器与冷凝器之间功能转换的机械，实质上是另一种形式的制冷机。地源热泵（Ground source heat pump）是利用了地球表面浅层地热资源（通常小于 400 米深）作为冷热源，进行能量转换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） ，实现低温热源向高温热源的转移。地源热泵系统就是把传统空调器的冷凝器或蒸发器直接埋入地下，使其与大地进行热交换， 或通过中间介质作为热载体，并使中间介质在封闭环路中通过大地循环流动， 从而实现与大地进行热交换的目的；地上部分的空调器传热过程与传统的 HVAC 一样。地源热泵系统作为一种“绿色空调”，是以大地为热源对建筑进行空气调节的系统。图 2-1 地源热泵水-水系统工作原理示意图冬天，通过热泵将大地中的低位热能提高品味对建筑供暖，同时存储冷量，以备夏用； 夏季， 通过热泵将建筑内的热量转移到地下， 对建筑进行供冷， 同时存储热量，采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统8以备冬用。这样可保持地温恒定，冷暖负荷平衡，从而达到节能、环保的要求因此地源热泵空调系统可解决空气源热泵系统必需室外机及室外机对周围环境产生热污染等问题,并且冬季运行不存在结霜问题,节省了空气源热泵系统除霜所耗的电能,空调效果不受室外气温的影响,运行稳定可靠,是一种国家鼓励使用的适用于夏热冬冷地区居住建筑的节能环保空调系统。2.2 地源热泵系统的特点高效节能，稳定可靠地能或地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定，土壤与空气温差一般为 17度， 冬季比环境空气温度高， 夏季比环境空气温度低， 是很好的热泵热源和空调冷源，这种温度特性使得地源热泵比传统空调系统运行效率要高 40%60%， 因此要节能和节省运行费用 4050左右。 通常地源热泵消耗 1KW 的能量， 用户可以得到 5kW以上的热量或 4kW 以上冷量，所以我们将其称为节能型空调系统。无环境污染地源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少 40以上，与电供暖相比，相当于减少 70以上，真正的实现了节能减排。一机多用地源热泵系统可供暖、制冷，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。维护费用低地源热泵系统运动部件要比常规系统少，因而减少维护，系统安装在室内，不暴露在风雨中，也可免遭损坏，更加可靠，延长寿命。使用寿命长地源热泵的地下埋管选用聚乙烯和聚丙烯塑料管，寿命可达 50 年。要比普通空调高 35 年使用寿命。节省空间没有冷却塔、锅炉房和其它设备，省去了锅炉房，冷却塔占用的宝贵面积，产生附加经济效益，并改善了环境外部形象。采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统92.3 地源热泵对环境的意义建筑能耗是能源消耗的重要组成部分。 目前关于我国建筑能耗通用的数据要占总能耗的 27.6%,但因其统计方法过于粗糙,国内目前有不同看法,认为建筑能耗占社会总能耗的 18.8%。从上面的两个数据可以看出, 建筑物能耗是我国能耗的重要部分, 而且随着我国新增建筑面积高速增长,以及人民生活水平提高带来的对居住环境舒适性要求的增高,建筑能耗的比例有上升趋势。目前节能减排是我国政府工作的重中之重,关系到我国能否持续健康稳定发展的大问题。而且根据调查,建筑节能是目前耗能大户中节能潜力最大的部分。所以,建筑节能进行的好坏对于我国能否实现节能目标具有重要意义。为了顺应国家大力发展可再生能源的号召,当前政府、技术研究、工程设计与安装以及设备制造商等部门应共同努力做好以下几方面工作：建议国家建立专项基金 ,鼓励地源热泵的推广应用调查现有的地源热泵工程,总结经验收集现有的用于地源热泵的全国水文地质资料,建立基本资料库；建立专业的地源热泵用管井设计和施工队伍,完善地埋管换热器的安装和施工队伍,适当时候建立专项设计施工资质管理制度；开展国家级和城市级的地源热泵(海水源、污水源、余热热源)工程示范,以得到正确可靠的技术数据,指导工程设计、安装和运行,然后开发适合国情、因地制宜的地源热泵机组,完善产品系列和规格；加强政府对地源热泵工程的质量监管,防止一哄而起,杜绝假冒伪劣,保证地源热泵在建筑中应用中健康发展；开发地源热泵和其它能源互相补充的技术体系,拓宽发展方向。中国承受着世界上任何一个国家都前所未有的由于高密度人口和高速经济增长所带来的环境和能源压力。我国必须坚持走可持续发展的道路，加快城市化，特别是小城镇建设的进程。随着人口的增长经济的发展， 人们对居住环境质量的提高有了更迫切的要求。为地源热泵的发展提供了广阔的空间。近几年在国家发改委、财政部、科技部、 原建设部等部委的支持下， 国家鼓励推广的节能环保技术列入多项推广计划，从资金、税收、贷款、补贴等多方位予以政策扶持。由于地源热泵系统节能与环保的双重效益，国际上将地下储能技术和高效热泵同时引入 21 世纪最有发展前途的 50项新技术之中。采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统103 热力计算3.1 确定制冷系统的设计工况主要指确定蒸发温度、冷凝温度、压缩机吸气温度和过冷温度等工作参数。有关主要工作参数的确定参考制冷工程设计手册进行计算。蒸发温度：7.8冷凝温度：50过冷度： 5过热度：8制冷量：7kw制冷剂：R223.2 绘制压焓图和查状态参数图 3-1 制冷循环压焓图421057.8350lgph2s采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统11查 R22 热力性质表和图得:表 3-1 R22 热力性质参数表3.3 循环的热力计算1）单位质量制冷量 q0、单位容积制冷量 qv及单位理论工 w0的计算。)26.25668.407(500hhqkJ/kg=151.42kJ/kg/03867. 042.15110kJvqqv=3915.6969kJ/kgkJkgkJhhws/98.28/)83.41381.442(1202)制冷剂质量流量 qm的计算。skgqQqom/0462. 042.151703）压缩机理论功率 P0的计算。kwkwwqPom33. 1)046. 098.28(0压缩机的指示功率为：kwkwppii904.175.033.10压缩机的轴功率为：kwkwpPmim45. 192. 033. 1参数状态点Ct aMPPkgm3kgkJhKkgkJs07.86.3737.01407.681.7394115.86.3738.67413.831.76112s75.4319.4313.97442.821.761135019.430.92263.051.207644519.430.90256.261.187057.86.379.37256.261.2005采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统124）制冷系数0及热力完善度的计算225. 598.2842.151000wq828. 445. 170msPQ卡诺循环的制冷系数c为：658. 695.28015.32395.280c故热力完善度为 ：725. 0658. 6828. 4cs5）冷凝器热负荷 Qk的计算。kgkkgkJhhhhis/J48.452/)75. 083.41382.44283.413(1212故：kwkwhhqQmk026. 9)26.25648.452(046. 0)(424 压缩机的选型4.1 压缩机热力计算单位质量制冷量 q0、单位容积制冷量 qv及单位理论工 w0的计算。制冷剂质量流量 qm的计算：skgqQqm/0462. 042.151700压缩机理论功率 P0的计算：kwkwwqPom33. 1)046. 098.28(0压缩机的指示功率为：kwkwppii904. 175. 033. 10压缩机的轴功率为：kwkwpPmim45. 192. 033. 1实际输气量：采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统13)03867. 0046. 0(1vqqmvs/s=0.001778/s输气系数：lTpv取：95. 0压缩机的理论输气量：95. 0001778. 0vsvhqq/s=0.001872/s压缩机电机即输入功率（电动机效率86. 0mo）:kwkwPPmcmel686. 186. 045. 14.2 压缩机的选型压缩机为制冷系统中的核心设备，只有通过它将电能转换为机械功， 把低温低压气态制冷剂压缩为高温高压气体，才能保证制冷的循环进行。 在蒸汽压缩式制冷系统中，把制冷剂从低压提升为高压，并使制冷剂不断循环流动，从而使系统不断将内部热量排放到高于系统温度的环境中。制冷压缩机是制冷系统的心脏， 制冷系统通过压缩机输入电能，从而将热量从低温环境排放到高温环境。 制冷压缩机的能效比决定整个制冷系统的能效比。由于环境温度是经常变化的， 故制冷压缩机大部分时间是处于部分负荷状态，因此制冷压缩机要具有能量调节。4.2.1 往复式制冷压缩机往复式制冷压缩机迄今还是应用最广泛的一种机型，广泛应用于中、 小型制冷装置中，但由于往复式机器跟其他形式的机器相比，在可靠性、容积效率、压力稳定等性能方面都有所不及。所以，可以预料，除了在小冷量应用场合，往复式压缩机的市场份额已被其他形式的压缩机占去了一部分。 并且失去率还有扩大的趋势由于采取了计算机辅助设计的手段使压缩机的设计、气阀的改进等方面更加合理， 对其整体的性能的预料更加精确。4.2.2 螺杆式压缩机螺杆式空气压缩机的概述：采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统14螺杆式空气压缩机是喷油单级双螺杆压缩机，采用高效带轮(或轴器)传动，带动主机转动进行空气压缩，喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑， 压缩腔排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气。双螺杆空气压缩机具有优良的可靠性能，机组重量轻、震动小、噪声低、操作方便、易损件少、运行效率高是其最大的优点。压缩机主机工作原理：螺杆式空气压缩机的核心部件是压缩机主机，是容积式压缩机中的一种， 空气的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而达到。 转子副在与它精密配合的机壳内转动使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化而沿着转子轴线，由吸入侧推向排出侧,完成吸入、压缩、排气三个工作过程。因此，双螺杆转子的型线技术决定着螺杆式空气压缩机产品定位的档次。双螺杆空压机的工作流程：空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合， 经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离罐，此时压缩排出的含油气体通过碰撞、拦截、重力作用，绝大部份的油介质被分离下来，然后进入油气精分离器进行二次分离，得到含油量很少的压缩空气，当空气被压缩到规定的压力值时，最小压力阀开启，排出压缩空气到冷却器进行冷却，最后送入使用系统。在蒸汽压缩式制冷和热泵系统中， 各种类型的制冷压缩机是决定系统能力大小的关键部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响4.2.3 涡旋式空气压缩机涡旋式空气压缩机是近年来开发出来的最新型的空气压缩机， 它与传统空气压缩机相比，具有结构新颖、体积小、重量轻、噪音低，寿命长，输气平稳连续，操作简便， 维护费用少等一系列优异的技术性能， 被行业内誉为“无需维修空气压缩机”和“新革命空气压缩机”是 50HP 以下空气压缩机理想机型。涡旋空气压缩机是由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互啮合而成。在吸气、压缩、 排气工作过程中， 静盘固定在机架上， 动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静盘基圆中心，作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静盘的外围， 随采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统15着偏心轴旋转，气体在动静盘噬合所组合的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩， 然后由静盘中心部件的轴向孔连续排出。涡旋空气压缩机的特点有：可靠性高涡旋式割据压缩机的主机零件少， 是活塞机数量的1/8， 零件的大师减少是可靠性提高的关键要素； 回转半径小， 线速度仅为2m/s，因而磨损小,机械效率高，振动小；科学控制的整机系统更确保稳定性的提高；噪音最低。因无吸、排气阀和复杂的运动机构而消除了阀片的敲击声和气流的爆破声， 使噪音急剧降低。 吸、 排气连续稳定， 每分钟 6000 次以上， 使气流脉动极微小 1 台 20HP（15KW）的涡旋式空气压缩机只有 62dBA 的噪音，使其能在任何地方安装使用， 节省大量安装费用，更符合环保要求能耗最低。因为吸气增压效应和没有余隙容积， 故涡旋式空气压缩机的容积效率高达 98%以上。 因为若干个工作腔逐渐压缩， 故相邻工作腔的压差非常小， 因此泄露自然极少。 一个压缩过程分几次压缩， 热效率高。 无吸、排气阀，故进、排气的阻力损失几乎为零。无运动机构的磨擦磨损，机械效率高， 这是涡旋式压缩机比其它空气压缩机大大节能的主要原因。例如： （1 台 20HP15KW）的涡旋式空压机一年工作 6000 小时，节省电费可达 18000 元；维护费用最低。主机零件少，易损件更少，大幅度减少了零件更换可能性。同时更换零配件周期长，使用方便，维护工作量少，维护费用低.特点的具体表现：极低的噪音，比任何空压机噪音都低，可直接放置在生产车间内，对工作者极小干扰，完全省略空压机专用机房。历为噪音低，所以可以随意安放在您认为方便的地方， 无需为了隔离噪音而将空压机放置在较远的建筑物内，这样省下的不仅仅是建筑费用及长距离的气管安装费用， 更可以避免噪音困扰邻居和自身， 也可以随企业的不断发展而随意方便地增加压缩空气的供应。 （当然要注意避开热源和灰尘等） 。噪音范围在 4862 分贝；极低的保养费用保养费用低于任何空压机；由于涡旋空压机本身无易损件、机组性能优良，自动控制可靠，故用户只需轻轻地清扫一下机体两侧的滤网， 按规定定时更换机油和滤芯及空气过滤器，油精分器。您就可以放心地使用涡旋空压机了。不必像使用其它空压机那样，再为随时可能发生的易损件更换而破费（这种花费累计下来是不少的） ，更避免了因故障停机造成的生产停滞而给您带来的经济损失；极低的运行费用， 是公认的最高能效比的空压机，每年可为您节省上万元的电费。由于原理上的优越性，使得涡旋空压机比活塞、螺杆、滑片等传统空压机的效率都要高，电费是空压机运行的最大费用，以一台 2 立方/min 机为例，一年运行 4000 到 5000 小时，涡旋空压机可为您节约电费一万余元；极低的含油量，空气纯度最高，机内的润滑油主要是为建立一层采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统16极薄的油膜和润滑轴承， 而不像螺杆机那样主要是为了冷却， 而活塞机完全是在烧油。故需要注入的油很少，需要的油气分离器，过滤芯负荷也很轻，输出的压缩空气含油量自然极低。极高的可靠性号称是无需维修的空气压缩机 主机零部件少，结构新颖，吸送气平稳，故整机振动极小，动静涡盘相互不接触，整机无易损件，因此无需维修的概念具有充足的理由。4.2.4 离心式压缩机离心式制冷压缩机的构造与工作原理： 离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的区别， 它不是利用汽缸容积减小的方式来提高汽体的压力，而是依靠动能的变化来提高汽体压力。 离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时， 叶片就带动汽体运动或者使汽体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高汽体的压力。 这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入，又不断地沿半径方向被甩出去， 所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。 其中根据压缩机中安装的工作轮数量的多少， 分为单级式和多级式。如果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果由几个工作轮串联而组成， 就称为多级离心式压缩机。在空调中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级， 其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。 单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、 扩压器和蜗壳等所组成， 压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮 3(工作轮也称叶轮， 它是离心式制冷压缩机的重要部件， 因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体)。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动， 从而使汽体的压力和速度都得到提高。 由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器 4(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高。经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。离心式制冷压缩机的特点与特性11： 离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较，具有下列优点：单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地面积少，重量较活塞式轻 58 倍；由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，因采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统17而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低；工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能；能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大；对制冷剂的适应性差，一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂；离心式压缩机在大冷量范围内（大于1500kw）仍保持优势，这主要是受益于在这个冷量范围内，它具有无可比拟的系统总效率。 离心式压缩机的运动零件少而简单， 且其制造精度要比螺杆式压缩机低的多，这些都带来制造费用相对低且可靠的特点。此外，大型离心式压缩机 如应用在工作压力变化范围狭小的场合中，可以避开由喘振所带来的问题，在不久的将来，总体和部分负荷（Integratedpartlodevalue）将愈来愈被重视，从而要求离心式压缩机要在较宽广的应用工况中工作效率高。但是，相对来讲，离心式压缩机的发展近来有所缓慢，因为受到螺杆式压缩机和吸收式制冷机的挑战，离心式压缩机自 1993 年就开始根据 CFCS 替代的需要进行着重新的设计， 以使其热力和气动力性能得到更好的改善。因而已有很多离心式压缩机的工质替代转向从 HCFC22 置换为 HFC134方面，其制冷量范围为 901250kw。根据说明书要求以及以上计算结果， 查比泽尔半封闭往复式压缩机性能表选取压缩机：压缩机型号：2FC-3.2-40S，制冷量：7.87kw，输入功率：2.64kw，排气量：186.3kg/h4.3 压缩机校核试验工况：蒸发温度 7，冷凝温度 50，过热度 5，过冷度 8试验工况下的制冷量是BQ07.3kw ,在此工况下进行热力计算：单位质量制冷量：kgkJq/14.15126.25640.4070质量流量：skgqQqoOm/0487. 014.1513 . 7输气量：hkgqqmvh/5 .1753600输气系数：94. 03 .1865 .175b实际设计工况的制冷量为：kwqqQQvBBvBO4 . 70符合条件。采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统18用上计的制冷量计算实际设计工况的输气量：hmvqQqOvh/9 . 8310 输气系数：与所假设的输气系数差距不大，符合条件。则实际的制冷剂流量：skgqQqm/049. 042.1514 . 700。4.4 制热功率的计算制热工况：土壤换热器来水温度：10；循环水回水温度 38确定蒸发温度：由任务书知蒸发温度为 5。确定冷凝温度：由任务书得冷凝器的冷凝温度取为 54。循环系统图及 lgp-h 图如下图所示：图 4-1 制热工况的系统图与压焓图有蒸发温度和冷凝温度，可以从压焓图上查出个点的焓值如下表：ptvhsx点Kpal/kgKJ/kgKJ/kgk0584540.29406.711.743315841041.40410.5175682s212779.2712.70443.781.7568321275410.5417.781.680232127540.94268.651.224342127460.91257.601.19115584510.95257.601.20720.275采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统19进行热力计算：选定的压缩机2FC-3.2-40S， 理论排气量为186.3kg/h， 取压缩机的输气系数为0.95.1）压缩机的实际输气量：/sm0025. 0/sm95. 0360054. 933vhvVq2）实际质量输气量：Kg/s0608. 0Kg/s1040.410025. 03vqqvm3）制冷功率：KW2 .18KW6 .25771.406061. 022400hhqQm4）2 点焓值的计算：kJ/kg87.454kJ/kg75. 010.54-43.784410.5-1212）（ishhhh5）总的制热功率：kW06.24kW057.62-87.454(061. 02)-(242）hhqQmk5 冷凝器的设计计算5.1 水冷式冷凝器及分类在这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被冷却水带走。冷却水可以是一次性使用，也可以循环使用。水冷却式冷凝器按其不同的结构型式又可分为立式壳管式、 卧式壳管式和套管式等多种。 冷却水可用天然水、 自来水或者用经冷却水塔冷却后的循环水。使用天然水冷却水时容易使冷凝器结垢，影响传热效果，因此必须经常清洗。耗水量不大的小型装置可以用自来水冷却。 大、 中型水冷式冷凝器循环水冷却， 以减少水耗。在现代城市中，由于生产发展、人口集中，水的消耗量很大，节约用水的问题应特别重视。（1）壳管式冷凝器采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统20壳管式冷凝器分为立式和卧式两大类。 卧式壳管式冷凝器的基本结构形式与壳管式蒸发器十分相似，也是由筒形外壳、管板、管束和端盖组成。制冷剂蒸气在管外凝结，凝液从筒底流出，冷却水在管内多次往返流动。在正常情况下，筒下部只有少量液体，但也有一些小型冷凝器的筒体下部不装管束，筒底部用以储存凝结的液体， 使设备简化。有时筒下部设有集液包，制冷剂液体由此排出，并用以集存润滑油及机械杂质。立式壳管式冷凝器用于大、中型氨制冷装置，筒体直立地安装在储水池上。 冷却水从顶部的分水箱进入管道后，沿壁面呈膜状向下流动， 流下的水集中下面的水池中。制冷剂蒸气从筒体上部进入，放出热量后在管外凝结成液体，由底部排出。立式壳管式冷凝器可以露天安装，节省机房面积；也可以装在冷却塔下面，简化冷却水系统。与卧式壳管式冷凝器相比，立式壳管式冷凝器可以使用水质较差的水，因为它可以在运转时进行清洗。但由于冷却水不能始终沿管壁流动， 且上部管壁的凝结液覆盖下部管壁，因此传热系数低于卧式壳管式。（2）套管式冷凝器套管式冷凝器由两根或几根大小不同的管子组成。大管子内套小管子， 小管子可以是一根，也可以有数根，套管可以绕成螺旋型或弯成蛇管型，制冷剂蒸气从上部进入，凝结液从下部流出。冷却水从下部进入内管，吸热后从上部流出，制冷剂与冷却水之间为逆流换热。在套管式冷凝器中，制冷剂同时受到冷水及管外空气的冷却， 因而它的传热效果好，但金属的消耗较大。套管式冷凝器用于氟里昂机组时，内管常用滚压肋片管，这种结构常驻机构在水冷却式空调柜中应用。 氨制冷机中套管式热交换器主要用作过冷器。（3）壳-盘管式冷凝器它由一根或几根盘管装在一个壳体内构成。冷凝器管内通水，管外是制冷剂。 制冷剂蒸气从顶部进入壳体后在管外冷却并冷凝，冷凝液汇集在壳体底部后引出。 用壳-盘管式冷凝器时，不可以在系统中充灌过多的制冷剂，否则太多的制冷剂会减少有效传热面积。壳盘管式冷凝器结构简单，适用于小型制冷装置，主要用在氟里昂制冷系统中，因为氟里昂系统中盘管的材料为铜，容易加工。但壳-盘管式冷凝器无法机械清洗应当使用符合水质要求的水，宽定期进行化学清洗。（4）螺旋板式冷凝器螺旋板式冷凝器由两个螺旋体加上顶盖和接管构成。两个螺旋体形成螺旋形通道。两种介质在螺旋形通道内逆向流动，一种介质由螺旋中心流入，从周边流出； 另采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统21一种介质由周边流入，从中心流出。螺旋板式冷凝器周边处的管接头应切向连接。为了增强螺旋板的刚度， 在通道内每隔一定的距离便设有支撑。当冷凝器承受的压力较高时，应在其外围焊加强筋。 与壳管式冷凝器比较，螺旋板式冷凝器不但体积小、重量轻，而且传热系数也高。根据试验，当工作条件及介质流速相同时， 新的氨螺旋板式冷凝器的传热系数比壳管式冷凝器高 50%左右。这种冷凝器的主要缺点是不适用于高压。此外，它的内部不易清洗和检修，只能用软水或低硬度的水。由设计任务书得知，应采用壳管式冷凝器。5.2 参数的选择及冷凝器换热面积计算冷却水进口温度 tw1=30,出口温度 tw2=35,则对数平均温差：4 .1735503050ln3035ln2112wkwkwwmtttttt选取管内水速5 . 2sm/选取管内冷却水污垢系数irWK /m000172. 02采用套管式冷凝器和低肋管，2 . 116外螺纹管，40 肋/in。每英寸 40 肋且为正三角形螺纹肋片,一英寸是 0.0254 米， 所以单位长度的肋个数为1575400254. 01n个。因为肋片为正三角形肋片，所以内管的表面传热面积计算如下：正三角形变长：41035. 615751lm肋高：4105 . 523lhm管内经：mi0136. 00024. 0016. 0d管外径：m0149. 0200055. 0016. 0db则单位内管表面传热面积是：mmS/097. 0157523200055. 0008. 0008. 0222采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统22单位管长内表面积是：mmSi/043. 00024. 0016. 025.3 确定内管根数实际循环热力计算：kwhhqQmk67. 9)(42冷却水在平均温度在33mt时，密度为3/4 .995mkg，比定压热容)/(174. 4KkgkJcp，则冷却水体积流量：)(12wwpkvttcQqsm /1065. 430-3541744 .995967034）（根据所选的管型0136. 0dim 以及管内水速sm/5 . 2，则所需内管根数：24ivdqn28. 1根取整为 1 根5.4 传热计算5.4.1 计算水侧表面传热系数水在33mt时，运动粘度7-10904. 7，因为：ideR47-104301610904. 70136. 05 . 2故水在管内的流动状态为湍流。考虑将套管盘成曲率半径125Rmm的螺旋盘管，盘管水侧的换热修正系数：RdiR77. 11193. 1则水侧表面传热系数：RwiidB2 . 08 . 0)/(12619193. 10136. 05 . 255.215122 . 08 . 0KmWB水在33mt时物性集合系数：mtB26.236 .139555.2151采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统235.4.2 计算套管间 R22 冷凝表面传热系数表 5-1 常见制冷剂得物性集合参数查上表得 R22 在50tk时，物性集合系数4 .1325B。查小型制冷装置得管增强系数1.35。取蒸汽流速影响系数6套管间 R22 冷凝表面传热系数由下式计算：25. 0025. 0025. 0858.22277725. 00bBdk取紫铜的热导率KmW 393将有关各数值代入传热方程式得：000kaq75. 00858.22277miimaaaarqofofwi100004 .174 .1753045. 0097. 039300065. 0043. 0097. 0000172. 01261914 .17上式中的0q单位为2mW，单位为0。解联立方程得：364. 10当364. 10 时 ， 两 式 的0q分 别 为281172/mW和 281172/mW， 取20/19733mWq 计算，则冷凝器所需传热面积是：20344. 0281179670mqQAkof则所需低翅片管的有效总管长是：/kt2030405060R221658.41557.01447.11325.4_采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统24mSAofL5 . 3097. 0344. 0采用外套管内接 1 根紫铜管结构，则每根套管长度为 3.5m。5.5 冷凝器总体结构设计冷凝器外管采用mm5 . 232的无缝钢管。 将每根套管成型为曲率半径mmR125的螺旋盘管，并使冷凝器的进出水端面朝向同一方向。6 蒸发器的设计计算6.1 蒸发器的分类及选型根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类：冷却液体载冷剂的蒸发器，用于冷却液体载冷剂-水、盐水或乙二醇水溶液等，这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等；冷却空气的蒸发器， 这类蒸发器有冷却排管和冷风机。(1) 卧式蒸发器其与卧式壳管式冷凝器的结构基本相似。 按供液方式可分为壳管式蒸发器和干式蒸发器两种。卧式壳管式蒸发器广泛使用于闭式盐水循环系统,其主要特点是：结构紧凑，液体与传热表面接触好，传热系数高。但是它需要充入大量制冷剂，液柱对蒸发温度将会有一定的影响14。 且当盐水浓度降低或盐水泵因故停机时， 盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂，则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外清洗时需停止工作。（2） 干式氟利昂蒸发器主要区别在于：制冷剂在管内流动,而载冷剂在管外流动。节流后的氟利昂液体从一侧端盖的下部进入蒸发器，经过几个流程后从端盖的上部引出， 制冷剂在管内随着流动而不断蒸发，所以壁面有一部分为蒸气所占有，因此，它的传热效果不如满液式。但是它无液柱对蒸发温度的影响，且由于氟利昂流速较高(4m/s)，则回油较好。此外，由于管外充入的是大量的载冷剂，从而减缓了冻结的危险。这种蒸发器内制冷剂的充注量只需满液式的 1/2l/3 或更少，故称之为“干式蒸发器”。干式蒸发器式一种制冷剂液体在传热管内能够完全汽化的蒸发器， 传热管外侧的采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统25被冷却介质式载冷剂或空气,制冷剂则在管内吸热蒸发，器流量约为传热管内容积的百分之二十到三十。增加制冷剂的质量流量,可增加制冷剂液体在管内的湿润面积。同时其进出口处的压差岁流动阻力增大而增加，以致使制冷系数降低。 干式蒸发器按其被冷却介质的不同分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两类。 而冷却空气的干式蒸发器又可分为冷却自由运动空气的蒸发器和冷却强制流动空气的蒸发器。 自由运动型一般被制成光管蛇形管管组，通常称作冷却排管， 一般用于冷藏库和低温的实验装置中。强制对流型则是在自由型的管外设置肋片以提高传热系数。 其多用于空气调节装置和大型冷藏库以及大型低温实验环境场合。（3） 立管式蒸发器立管式和螺旋管式蒸发器的共同点是制冷剂在管内蒸发， 整个蒸发器管组沉浸在盛满载冷剂的箱体内(或池、槽内)，为了保证载冷剂在箱内以一定速度循环，箱内焊有纵向隔板和装有螺旋搅拌器。载冷剂流速一般为 0.30.7m/s，以增强传热。这两种蒸发器只能用于开式循环系统，故载冷剂必须是非挥发性物质， 常用的是盐水和水等。如用盐水，蒸发器管子易被氧化，且盐水易吸潮而使浓度降低。这两种蒸发器可以直接观察载冷剂的流动情况，广泛用于以氨为制冷剂的盐水制冷系统。（4） 冷却排管冷却排管是用来冷却空气的一种蒸发器。广泛应用于低温冷藏库中， 制冷剂在冷却排管内流动并蒸发，管外作为传热介质的被冷却空气作自然对流。 冷却排管最大的优点是结构简单，便于制作，对库房内贮存的非包装食品造成的干耗较少。但排管的传热系数较低，且融霜时操作困难，不利于实现自动化。对于氨直接冷却系统用无缝钢管焊制，采用光管或绕制翅片管；对于氟利昂系统，大都采用绕片或套片式铜管翅片管组。蛇管式排管：蛇管式顶管重力供液或氨泵供液均可； 单排和双排蛇管式墙排管可用于下进上出式的氨泵供液系统及重力供液系统， 对单根蛇管式排管还可用于氨泵上进下出供液系统和热力膨胀阀供液系统。蛇管式排管的优点是结构简单，易于制作，存液量较小，适用性强。其主要缺点为排管下段产生的蒸气不能及时引出，必须经过排管的全长后才能排出， 故传热系数小，汽液二相流动阻力大；U 形排管，常用的 U 形排管由两层或四层光滑无缝钢管构成，U 形顶排管优点是结霜比较均匀，制作和安装较方便，充液量小，约占其容积的 50，适用重力供液系统和氨泵下进上出氨制冷系统，在冷库中获得较广泛的采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统26应用。但其占据库房的有效空间较多，且上层排管不易除霜。（5） 循环式蒸发器这种蒸发器中,制冷剂在其管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化，故称做循环式蒸发器。 循环式蒸发器多应用于大型的液泵供液和重力供液冷库系统或低温环境试验装置。（6） 冷风机冷风机多是由轴流式风机与冷却排管等组成的一台成套设备。 它依靠风机强制库房内的空气流经箱体内的冷却排管进行热交换，使空气冷却， 从而达到降低库温的目的。冷风机按冷却空气所采用的方式可分为干式、湿式和干湿混合式三种。其中， 制冷剂或载冷剂在排管内流动，通过管壁冷却管外空气的称为干式冷风机； 以喷淋的载冷剂液体直接和空气进行热交换的，称为湿式冷风机；混合式冷风机除冷却排管外，还有载冷剂的喷淋装置。下面介绍目前冷库广泛使用的干式冷风机。冷库常用的干式冷风机按其安装的位置又可分为吊顶式和落地式两种类型。 它们都由空气冷却排管，通风机及除霜装置组成，且冷风机内的冷却排管都是套片式的。大型干式冷风机常为落地式。根据任务书的要求选择干式套管式蒸发器。套管式换热器适用于流体流量较小和所需传热面积不大的场合， 优点是其结构紧凑。生产负荷变动时，可以任意增减传热面积，没有象列管式换热器内的折流板、 导流筒等那样的零件，所以同样流速下压降小、所需备件少；但缺点是单位传热面的金属消耗量大，检修、清洗、拆卸都较麻烦，可拆连接处容易造成泄漏。冷热流体的流向设计：参考干式蒸发器的设计， 由于顺流传热的平均温差大于逆流传热的平均传热温差，因此本套管式蒸发器进出口接管尽可能使之符合顺流传热。制冷剂自下而上流动，冷媒水自下而上流动。6.2 肋管换热面积的计算采用套管式蒸发器和低肋管， 161内螺纹管， d0=16mm， di=14.66mm， f=0.17mm，翅数 Nn=68内肋管的流道面积采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统27220.1714.6614.66166.743242248iidfAdmm000.05024fdmmm /222220.0556424iiinddfNfmN00.052942imfffm管束安排：拟采用 3 管束，大管内经mmDi456.3 管内外侧换热系数的计算6.3.1 管内侧制冷剂 R22 的换热系数的计算查郑贤德主编制冷原理与装置附表 E2 制冷剂液体在管内沸腾换热假设2/4070mWqi，采用公式：fiididqGB6 . 06 . 02 . 0其中（510）B系数，取 B=1.455dG每根内管制冷剂流量iq 管内单位面积热流量33600052. 0mmdzqG=62.4kg/hfiiq6 . 036 . 02 . 0)1066.14(4 .62455. 141.99fiq6 . 0)/(2Cmw 低螺纹管的增强系数（其中取f1）4143)(1 . 1Hdfffffbfifrtbf内螺纹其0bf，ifrfff4143)8 . 11 .15(111 . 10f1.87管内侧沸腾换热系数6 . 06 . 035.7887. 199.41iiiqq)/(2Cmw 采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统286.3.2 管外水侧换热系数的计算查吴业正主编、韩宝琦副主编的制冷原理与设备957 公式：33. 06 . 00022. 0rfefPRd冷却水的平均温度2 11ttts（16+11）/213.5查得水的物性参数：普朗特数52. 8Pr 运动粘性系数sm/10186. 16导热率)/(584. 0cmw 密度3/1 .999mkg定压比热容)/(188. 4kkgkJcp冷却水流量smttcQqpvs/10334. 3)11-16(188. 41 .9997)(34- 110冷却水流通截面00099. 03)1016(4)1045(43442323202dDAiS冷却水流速00099. 01034. 34svsAqu0.34m/s雷诺数63010188. 1101643 . 0udRef4579.180m）,对竖直U型管，一般为中埋，若取埋深为45m,则需打2个圆孔。实际上打2个孔的话，每个孔只需打41.5m即可。对于竖埋管，考虑一定的水平间距，尽量减少各埋管单元之间温度场的相互影响。取孔间距为6m，采用钻孔过程产生的泥浆回填。8 系统辅助设备的选择8.1 电子膨胀阀的选用电子膨胀阀是按照预设程序调节蒸发器供液量，因属于电子式调节模式， 故称为电子膨胀阀12。 它适应了制冷机电一体化的发展要求， 具有热力膨胀阀无法比拟的优良特性， 为制冷系统的智能化控制提供了条件， 是一种很有发展前途的自控节能元件。电子膨胀阀与热膨胀阀的基本用途相同，结构上多种多样，但在性能上，两者却存在较大的差异。从控制实现的角度来看，电子膨胀阀由控制器、执行器和传感器 3 部分构成，通常所说的电子膨胀阀大多仅指执行器，即可控驱动装置和阀体， 实际上仅有这一部分是无法完成控制功能的。电子膨胀阀控制器的核心硬件为单片机， 如控制器同时要完成压缩机及风机的变频等控制功能，一般采用多机级连的形式。 电子膨胀阀的传感器通常采用热电偶或热电阻。采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统33电子膨胀阀作为一种新型的控制元件，早已经突破了节流机构的概念，它是制冷系统智能化的重要环节17也是制冷系统优化得以真正实现的重要手段和保证， 也是制冷系统机电一体的象征， 已经被应用在越来越多的领域中。 由于电子膨胀阀的采用，突破了以前在空调机组设计过程中存在的某种系统屈从热力膨胀阀的观念， 进入膨胀阀为系统优化服务的新境界，对于制冷行业的发展起着重要的作用。 电子膨胀阀的选用主要是根据制冷量、制冷剂种类、膨胀阀节流前后的压差、蒸发器管内制冷剂的流动阻力等因素来确定膨胀阀的型式和阀的孔径。选配时应使阀的容量与蒸发器的产冷量相匹配，如果容量选得过小，将使蒸发器的传热面积得不到充分利用，以致制冷系统冷量不足：若选得过大，则使膨胀阀的调节不稳定，蒸发器出口处温度产生较大波动， 严重时甚至会发生压缩机的液击现象14。一般来说，在实际工作工况下，电子膨胀阀制冷量应是压缩机制冷量的 1.2 倍。综上，根据本课题实际情况选用艾高 EX5 型电子膨胀阀。图 8-1 电子膨胀阀表 8-1 电子膨胀阀的名义制冷量（kw）型号R407cR22R134aR404aR410aR23EX55-535-504-394-356-585-538.2 干燥过滤器的选择8.2.1 干燥过滤器的构造及原理氟利昂液体干燥过滤器用于清除系统内的机械杂质、水分、氧化皮、金属屑等。采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统34它采用无缝钢管做壳体，内部装有 0.1 到 0.2mm 网孔的黄铜丝网或者不锈钢丝网， 内部填充有干燥剂，干燥剂一般为无水氯化钙、硅胶、活性氧化铝和分子筛等。两端盖用螺纹或筒体连接并用焊锡焊牢。 一般安装 （焊接） 在夜管的供液电磁阀前的管道中，高压储液器之后。同时在筒体标有流向指示符号，避免发生安装错误。【18】8.2.2 干燥过滤器的作用在空调制冷系统中，干燥过滤器的作用是吸收制冷系统中的水分， 阻挡系统中的杂质使其不能通过， 防止制冷系统管路发生冰堵和脏堵19。 由于系统最容易堵塞的部位是毛细管(或膨胀阀)，因此，干燥过滤器通常安装在冷凝器与毛细管(或膨胀阀)之间。空调器使用的干燥过滤器比电冰箱使用的干燥过滤器粗而短。 干燥过滤器简称干燥器，有干燥过滤器和过滤器两种。8.2.3 干燥过滤器的选择对于 R22 系统来说，选择酯类油（POE） ，则干燥过滤器应该考虑润滑油的影响，它对于水分的吸收比一般的矿物油高 20 倍左右，对系统要求运行环境更苛刻，过量的污物及其湿度会导致系统的制冷负荷和效率的很快下降21。选择艾默生公司的 EK 系列干燥过滤器正适应了系统的要求， 它通过选择第一层40 m的玻璃纤维作为过滤器，去除大多数的固体污物和淤泥类的污物沉渣等，采用弹簧来提供紧凑的致密的过滤，而且最后还有一道 20 m的玻璃纤维，基本上彻底去除杂物，得到干净的制冷剂。表 8-2:EKZ032S 干燥过滤器的参数型号连接接口（进/出）每 1psi（R410A）流体负荷用冷吨表示水负荷/7.2（百万分之一）EKZ 03 2S1/4 (8mm)ODF（焊接）2.9（10.15kw）45采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统35图 8-2:干燥过滤器外形标注表 8-3:外型尺寸数据如下型号尺寸数据 in（25.4mm）重量 lbs（454g）ABDEFEKZ 03 3S3.9 （100） 3.14 （80） 0.3 （8.9） 2.57 （65）1.73（44）0.5（0.227kg）8.3 电磁阀8.3.1 电磁阀的工作原理及作用电磁阀是制冷系统中重要的自动控制与调节元件， 通常与制冷系统的管路串联在一起，其主要作用是自动接通或切断制冷系统的管路流体的流通。电磁阀的启闭是由流过其线圈的电流所产生的电磁吸力来控制的， 而电流受压力继电器、温度继电器、液面控制器等各种继电器、控制器和手动开关所发出的指挥信号控制。电磁阀按开启方式分为直接启闭式和间接启闭式， 直接启闭式电磁阀是通过控制线圈电流，来控制作用在电磁心上的电磁吸力， 然后由电磁头所组成的电磁心直接去启、闭阀口的，适用于小口径的管道。间接启闭式电磁阀是通过控制线圈电流，来控制作用在电磁心上的电磁吸力，电磁心则控制着活塞浮阀组，由活塞浮阀组启、闭阀口，适用于大口径的管道【19】电磁阀对于不同的介质往往不能通用， 所以要按照控制的介质如制冷剂、 清洁水、蒸汽和油等选择适用的产品。采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统36制冷或热泵系统中的电磁阀，应根据电磁阀制造厂的技术参数进行选用， 这些技术参数包括产品型号、通径、接管形式、流量系数和外形尺寸等。此外，必须注意所选电磁阀的最高工作压力、最大开阀压差、最小开阀压差、 介质温度和线圈使用电压。8.3.2 电磁阀的安装和使用电磁阀通常与压缩机同接一启动开关，当压缩机启动时，电磁阀开启，所控制的管路接通，当压缩机停机时，电磁阀立即关闭，所控制的管路也随即被切断。对于装在膨胀阀和冷凝器之间的电磁阀，安装位置应尽量靠近膨胀阀， 这样可以防止停机后制冷剂进入蒸发器 ， 以避免下次启动压缩机时发生液击。安装、使用和维护电磁阀的注意事项：（1） 电磁阀应垂直安装在水平管路上，线圈向上，周围环境要求没有滴水或溅水。（2） 安装电磁阀时应使制冷剂等流体的的流向与阀体上标明的箭头指向一致，进出口不能装反。（3）注意查看电磁阀铭牌上标注的工作电压和流体压力差限制， 电磁阀工作时，工作电压和流体压差应满足要求。（4）维护电磁阀之前，应该先切断电源，卸去介质压力，以防烧坏线圈。（5） 电磁阀的线圈组件不宜拆开。如果电磁阀仅因存在杂质、污垢等而不能正常工作，只需拆下阀盖，清除杂物，疏通膜片或活塞上的节流孔，即可使电磁阀恢复正常工作。（6）焊接电磁阀时，应先拆下线圈，然后用湿布包住阀体，使用乙炔助氧焊枪进行焊接，以免因焊接温度过高而损坏阀内部件。8.3.3 单向阀选择单问阀是一种只允许管路中介质单方向流动的阀门， 它靠管路中正方向的流体流动推动阀芯， 克服复位弹簧力把阀门打开当管路中出现反方向压力或者正向压力小于阀的开启最小开启压力时，阀在复位弹簧力和阀芯自重的作用下将阀关闭。 一般止回阀的最小开阀压差为 4 到 30kpa。在空调和热泵机组中，单向阀与节流元件并联，有采用 U 型地埋管的地源热泵空调系统37效地阻止了液体制冷剂从暂不工作的节流元件中流过，确保系统的正常运行。 安装时要特别注意阀上的箭头方向要与管路中的流体流动方向一致。 直接作用式止回阀可以水平也可以垂直安装，导阀控制式止回阀必须水平安装。焊接单向阀时接管时，应选择低熔点焊料，阀体用湿布包扎冷却，焊接时间尽量短，有条件的可以在焊接时通氮气保护。在此，本系统采用上海日核阀门有限公司生产的单向阀。8.4 四通换向阀的选择电磁四通换向阀是热泵型空调、冷冻机、除湿机、冷柜、陈列柜窗的关键组件，适用于空调器中制冷和制热的换向；适用于各种冷冻机、除湿机的热气式除霜；适用于各种冷柜、陈列柜窗的除霜去冰和解冻。电磁四通换向阀由电磁线圈、先导阀、 主体阀三大部分组成，主要通过导阀的电磁作用改变冷媒的流向，以达到夏季制冷，
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