【医院住院部太阳能土壤源热泵系统设计13000字（论文）】

医院住院部太阳能土壤源热泵系统设计摘要随着常规能源日益短缺，可再生能源的开发与利用日益引人关注。可再生能源是指能够持续生长而可供人类长期使用的能源，包括：太阳能、风能、海洋能、水力发电、生物质能、地热能、生物燃料及氢能等。其中地热能是指地球表面浅层土壤通过吸收太阳辐射能或地球内部物质发生衰变放出热量等从而形成的较低品位的热能资源。浅层土壤在一年内温度基本恒定，通常为18℃左右，因此，在夏季可作为空调系统的冷源，而在冬季又可作为采暖系统的热源。利用地能的主要设备就是地源热泵。本文研究采用太阳能土壤源热泵系统，实现对济南地区一栋建筑面积为500m2的社区医院住院部进行供暖，经过系统优化设计及优化运行控制，实现节约能源和保护环境的目的。m2ISG20-110r/min；冷凝器侧循环泵的型号为：ISG20-160，电机功率为：0.75kW2900r/min。关键词：土壤源热泵；太阳能；节能；医院目录TOC\o"1-3"\h\u2588摘要 太阳能土壤源热泵系统简介2.1土壤源热泵系统概述土壤源热泵，是利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的管路系统与建筑物完成热交换的装置。该装置以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。因100m的地表浅层热能，受外界环境影响小，从而解决了空气源热泵和水源热泵两种热泵的运行缺陷。土壤源热泵的优点主要在于以下几点：资源可再生利用。这种技术利用地球表面浅层地热资源作为冷热源进行能量转换，而地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了近半的太阳能，相当于人类每年利用能量的500多倍，且不受地域、资源等限制，量大面广且无处不在。运行费用低。土壤源热泵系统的COP值一般在3-6左右，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通空调系统的50%-60%。占地面积小。由于换热器埋于地下，机房占地面积小，节省空间。绿色环保。土壤源热泵系统利用地球表面浅层热资源，没有燃烧，没有排烟及废弃物，绿色环保无任何污染。自动化程度高。机组内部及机组与系统均可实现自动化控制，可根据室外温度变化及室内温度要求控制机组启停，达到最佳节能效果，同时节省了人力物力；可自主调节机组，能够任意调机，可按需要调整供给时间及温度，完全自主。土壤源热泵系统（管换热器的效率影响着整个系统的性能，其可分为水平埋管、垂直埋管和螺旋埋管。（1）水平埋管：埋深一般在1.2-3m，当项目经费有限时，选择水平埋管方式，节小，会随地面温度变化导致传热不稳定，目前该系统大多用于采暖。100m，钻井费用较高。2.2太阳能土壤源热泵联合系统（收集太阳光（辅助供暖示。图2-1暖，在夏季串联运行太阳能系统对土壤进行补热。就不同。（2）并联式：循环水从热泵流出后，分别流向并联的太阳能集热器和埋地管，并统适合于太阳能资源丰富的地区。（3）混联式：将串联式与并联式相结合的一种供热方式，包含了两个蒸发器，能2.3太阳能土壤源热泵技术的工作模式在实际运行中，太阳能-土壤源热泵联合系统有4种供暖模式：太阳能-土壤源热泵联合供暖：当集热器出口温度大于15℃，且供暖水箱负荷出口温度低于50℃，模式运行；集热器出口温度低于15℃或供暖水箱负荷出口温度大于50℃，模式停止。土壤源热泵单独供暖模式：当集热器出口温度小于15℃，且供暖水箱负荷出口温度小于50℃，模式运行；供暖水箱负荷出口温度大于50℃，模式停止。太阳能采暖期补热模式：当集热器出口温度大于15℃，且供暖水箱负荷出口温度大于50℃，模式运行；集热器出口温度小于15℃或供暖水箱负荷出口温度小于44℃，停止补热。太阳能非采暖期补热模式：当集热器出口温度大于15℃，模式运行；当集热器出口温度小于15℃，停止补热。[16]PAGEPAGE103热负荷计算建筑的供暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。冬季供暖通风系统的热负荷，应根据建筑物或房间的得失热量确定。本建筑需要考虑的失热量有：围护结构传热耗热量Q1;Q2；Q3对没有装置机械通风系统的建筑物，供暖系统的设计热负荷可表示为：Q(3-1)式中：h——建筑物失热量（d——建筑物得热量（W3.1围护结构的传热耗热量（修正（从室内传到室外（修正耗热量是指围护结构的传热状况发生变化对基本耗热量进行修正的耗热量。附加（修正）高度附加和外门附加等耗热量。因此，在工程设计中，供暖系统的设计热负荷，其计算公式为：Qj（3-2）式中：1j——围护结构的基本耗热量2——冷风渗透耗热量（3——冷风侵入耗热量（3.1.1围护结构的基本耗热量各部分围护结构的基本耗热量，可按下式计算：qFtntn（3-3）式中：twn——供暖室外计算温度（℃tn——供暖室内计算温度（℃q——各部分围护结构的基本耗热量（K——围护结构的传热系数K；F——围护结构的面积（——围护结构的温差修正系数。整个建筑或房间的基本耗热量等于它的围护结构各部分基本耗热量的总和，其计算公式为：1jqFtntn（3-4）式中：室内计算温度tn室外计算温度twn温差修正系数值：1；K值。K值（1）墙的传热系数内墙厚度：180mm；外墙从外到内结构依次为20mm厚专用饰面砂浆与涂料，100mm厚的膨胀聚苯板，360mm厚的烧结多孔砖，20mm厚的石灰、水泥、砂、砂浆。查相关手册得：围护结构内表面换热系数8.7W/(m2K)，外表面换热系数23W/(m2K)，砂浆导热系数0.29W/(mK)，膨胀聚苯板导热系数0.041W/(mK)，烧结多孔砖导热系数0.58W/(mK)，石灰、水泥、砂、砂浆导热系数0.87W/(mK)。根据公式：K1/R0（3-5）K=0.3W/(m2K)。外窗的传热系数外窗均为双层塑钢窗，查设计手册，传热系数K=2.4W/(m2K)。屋顶的传热系数屋顶从上到下结构依次为40mm厚的水泥砂浆10mm厚的防水层，20mm厚的水泥砂浆，70mm厚的保温砂浆，200mm厚的膨胀聚苯板，100mm厚的钢筋混凝土，20mm厚的白灰砂浆。查阅得传热系数依次为：0.23W/(mK)；0.085W/(mK)；0.23W/(mK)；0.07W/(mK)；0.041W/(mK)；1.74W/(mK)；0.87W/(mK)。将数据代入公式得：K=0.165W/(m2K)。地面的传热系数济南地区采用贴土保温地面；查表得第一地带地面传热系数限值为0.3W/(mK)，须作保温处理，选用100mm保温砂浆，求得K1=0.3W/m2K)。1.面积丈量原则外墙面积的丈量：高度从本层地面算到上层的地面。对平屋顶的建筑物，最顶层的丈量是从最顶层的地面到平屋顶的外表面的高度。外墙的平面尺寸，应按建筑物外廓尺寸计算。两相邻房间以内墙中线为分界线。门、窗面积的丈量：按外墙外面上的净空尺寸计算。地面面积的丈量：按建筑物外墙以内的内廓尺寸计算。屋顶面积的丈量：按建筑物外廓尺寸计算。2.以病房1为例西外墙：高3.5m，宽4m，面积=3.5×4=14m2南外窗：高1.5m，宽2m，面积=1.5×2=3m2南外墙：高3.5m，宽4m，面积=3.5×4-3=11m2第一地带：3.41×2+3.41×2-2×2=9.64m2第二地带：1.41×1.41=1.99m2将以上数据代入式3-4中求得其基本耗热量1j63+49.5+108+52.34+36.96=312.8W修正耗热量称为围护结构的附加（修正）率进行修正。附加（修正）耗热量有朝向附加、风力附加和高度附加耗热量。1.朝向附加耗热量朝向附加耗热量是考虑建筑物受太阳照射影响而对维护结构基本耗热量的修正。需要修正的耗热量等于垂直的外围护结构（门、窗、外墙及屋顶的垂直部分）的基本耗热量乘以相应的朝向修正率。查《民建暖通空调规范》，得到济南不同朝向的修正率：北、西北、东北：10%西、东：-5%西南、东南：-10%南：-20%2.风力附加耗热量4m/s我国大部分地区冬季平均风速一般为2-3m/s济南冬季室外平均风速为2.7m/s，因此，不必考虑风力附加。3.高度附加耗热量高度附加耗热量是考虑房屋高度对围护结构耗热量的影响而附加的耗热量。（除楼梯间外的围护结构高度附加率，4m1m15%。（修正）耗热量的总和上。因本建筑层高为3.4m小于4m，故不考虑高度附加。量可用下式综合表示：j1xgKFtntwn1hxf（3-6）式中：——朝向修正率；xf——风力附加率；xg——高度附加率；将数据代入式（3-6）得：278.3W故病房1围护结构的总耗热量Q1278.3W。3.2冷风渗透耗热量（中空气之间的密度差形成的热压以及风吹过建筑物时在门窗两侧形成根据冷风浸透耗热量公式缝隙法：2cpnLtntn（3-7）LL0ln（3-8）式中：n——供暖室外计算温度下的空气密度(kg/m3)，取1.439；twn——供暖室外计算温度（℃2——由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量cpcP1.00[kJ/kgK]；tn——供暖室内计算温度（℃L——渗透空气量（/——不同类型门窗、不同风速下每米缝隙渗入的空气,3.1验数据采用；l——门窗缝隙的计算长度（mn——渗透空气量的朝向修正系数，见表3.2。表3.1每米门、窗缝隙渗入的空气量L0冬季室外平均风速/（m/s）123456单层木窗123.14.35.56.7双层木窗0.71.42.233.94.7单层钢窗0.61.52.63.95.26.7双层钢窗0.41.11.82.73.64.7推拉铝窗0.20.511.62.32.9平开铝窗00.10.30.40.60.8表3.2济南渗透空气量的朝向修正系数n方向n值北0.45东北0.15东0.2东南0.7南0.55西南0.85西0.7西北0.6下面以病房1为例，计算房间的冷风渗透耗热量：南外窗缝隙计算长度l221.5236.25m；查表得当地冬季室外风速下每米缝隙空气渗透量L0为1.8；查表得南向修正系数为0.55。代入式3-8得：L=11.25m。代入式子3-7得：Q2=37.4W。将基本耗热量与冷风渗透耗热量代入式（3-2）得热负荷Q=37.4+278.3=315.7W。3.3冷风侵入耗热量冷风侵入耗热量是考虑建筑物外门开启时侵入冷空气导致耗热量增大，而对外门基本耗热量的修正。QmNQ1jm（3-9）式中：jm——外门的基本耗热量；N——冷风侵入的外门附加率，按表3.3采用。表3.3外门附加率外门布置状况附加率一道门65%×n两道门80%×n三道门（有两个门斗）60×n公共建筑和工业建筑的主要出入口500×n注：n为建筑物的楼层数代入计算冷风侵入耗热量：Qm209.7×500%×2=2097W3.4总热负荷将各个房间区域耗热量加起来求得住院部的总热负荷：Q总7387.64W单位面积的耗热量：qQ总=14.76W/m2S

4系统设备选型计算4.1热泵机组功率计算kW由热平衡原理可知：地埋管换热器换热量+热泵机组耗电量=热泵机组制热（不计热损失为：1WP=7.388/（1-10%）=8.209KW，查找文献得济南地区热泵机组能效比COP为5，则热泵的输入功率:=7.388/5=1.642KW。(4-1)4.2地埋管换热器设计影响着整个系统的性能。U型埋管敷设方式。U5mW/m，则：W=P=8.209-1.642=6.57KW；(4-2)那么总孔深为：W/30=219m(4-3)钻孔数目为：219/100=2.19个（4-4）40-50PE100𝜙484，流通介质为浓度为30%5m图4-1地埋管换热器连接方式4.3太阳能集热器设计济南地处山东省，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。其特点是季风明显，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季较为清爽，冬季干燥寒冷。年平均气温14.3℃，年平均降水量660.7毫米。能集热器吸收太阳辐射，及时向土壤排放热量，实现土壤的热平衡。热器包括全玻璃真空管型太阳能集热器、玻璃-金属结构真空管型集热器；全玻U集热器和热管式集热器三种。这里选用热管式真空管太阳能集热器。年太阳能集热系统向土壤排放的热量进行计算：AcQH/JTcd1L（4-5）式中：cd——平均集热效率，取0.60；A——太阳能集热器总面积，(m2)；QH——供暖期地埋管换热器从土壤中吸收的热量，(J/年)；J——太阳能集热器采光面上年平均太阳辐射量，[J/(m2年)]；L——管路热损失率，取0.15。济南供暖期为120天左右，每日平均供暖10小时，查资料可知，济南年平均太阳辐射量为1.8×108J/(m2年)，代入式中可算得：Ac=11.274m2。集热器主要由联箱、集热管、支座等组成。采用先串联在并联的连接方式，目的是在提高换热效率的同时减小阻抗的损耗。相邻二个集热器之间的距离不要太大，串联距离取为300mm。综合分析选用浙江金普森新能源科技有限公司的太阳能集热器。产品的具体型号如表4.1所示。表4.1太阳能集热器型号技术参数集热器尺寸产品型号集热管规格集热管数量（根）集热面积（m2）自重（kg）工作压力（Pa）LWHJPS-JA100HP-16ϕ102×20001641000.621501960150+10°°3000mm。4.4热泵机组及附属设备的选型计算知热泵输入功率1.64kW，查地源热泵参数表，取热泵机组的机型为LSHP26，具体参数如下表4.2所示。表4.2LSHP26热泵机组参数制热工况输入功率（kW）7.34制热量（kW）26.424冷凝器进出水管规格DN40制热工况水循环量（m3/h）5.55蒸发器进出水管规格DN40制热工况水循环量（m3/h）4.29机组重量（kg）160机组外形尺寸长（mm）1260宽（mm）845高（mm）1050（1）蒸发器侧循环泵1.循环介质流量计算：每小时的总流量根据下式计算：G=3.6Q/C（TG-TH）（4-6）式中：TGTHG（/Q（C——循环介质的比热，[kJ/(kgK)]。取地埋管尺寸为浓度下的乙二醇水溶液密度为1054.31kg/m3，比热为3.56kJ/kg，采暖热负荷为7.39kW4℃，量𝐺=2.3m3/h。0.8Qm3/h2.循环泵的参数确定：m3/h；ttt3.0℃；管径：d126mm,d240.8mm；管道长度：，PdPS0。3.地埋管并联水头损失hf1每个支路流量为：3/3=1m3/h；流速v1为：4Q/d=0.52m/s；（4-7）雷诺数：Re1=v1d1-/v=4.2×103（4-8）当4000<Re<105时，此时处于紊流光滑区，用布拉修斯公式：10.3164Re0.250.04（4-9）hf1Lv2/d12g=4.2（4-10）4.连接管沿程水头损失hf2Q=3m/d则雷诺数=7.9×103当4000<Re<105时，此时处于紊流光滑区，用布拉修斯公式：20.3164Re0.250.034；则沿程水头损失：hf2Lv2/d22g=0.44m5.局部阻力损失hf3的计算：强，但是出口的阻力应该和截面的选择有关。通管，这样可计算出整个管线上的局部阻力损失。由于局部阻力损失系数是局部形状、几何尺寸以及管道雷诺数的函数，具体局部阻力损失系数如表4.3所示。表4.3局部阻力损失系数名 称数 量个）单项阻力系数标准弯头90°10（主管）0Y形过滤器1（主管）.0止回阀（摇板式）1（主管）.0闸阀（全开）6（主管）.7水表2（主管）.0流量调节阀1（主管）.5标准三通管2（埋地管）、2（太阳能）5hf3v2/2g（4-11）hf3=v2/2g=11022270.1760.51.540.642/19.6=0.74m设备阻力损失hf4的计算：由于泵系统设备存在阻力损失，按照经验值，取此损失为hf4=0.7m7.循环泵扬程的计算：根据扬程公式：hDShf1hf2hf3hf4PdPS（4-12）式中：d、S——容器内操作压力（）液柱（表压；取值：以表压正负为准；hf1（；hf2（；hf3（hf4（；D（取值：高于泵入口中心线：为正；低于泵入口中心线：为负；S（取值：高于泵入口中心线：为正；低于泵入口中心线：为负；h（代入数据：D-S=0，hf14.2hf20.44m，hf30.74m，hf4=0.7m，取修正系数为1.2，则：h01.2h7.3m根据上述所得流量和扬程可选泵为：ISG20-110，流量为3.3m³/h，扬程为13.5m，电机功率为0.37kW，转速为2800r/min。冷凝器侧循环泵1.循环水流量计算：（4-6Q1.583h，考虑损失后，量为1.98m3/h。2.热水循环泵的设计参数确定：Q1.98m3/h；t48℃；t4.0℃；d23.地暖管沿程水头损失hf1每个支路流量为：Q=1.98/4=0.5m3/h；流速为：v14d1.75m（4-13）查表得45℃时水的运动粘滞系数v0.602106m2/s；雷诺数：Re1=v1d1-/v=58×103（4-14）当4000<Re<105时，此时处于紊流光滑区，用布拉修斯公式：10.3164Re0.250.02；（4-15）hf1Lv2d12g=18.8m（4-16）4.沿程水头损失hf2沿程流量为：Q=1.98/2=0.99m3/h；流速为：v14d0.2m（4-17）雷诺数Re2v2d2-/=14×103（4-18）4000Re2<10520.3164Re0.250.029；（4-19）hf2Lv2d22g0.04m（4-20）5.局部阻力损失hf3的计算：表4.4局部阻力损失系数名 称数 量个）单项阻力系数标准弯头90°100流量调节阀1.0止回阀（摇板式）2.0水表1.0闸阀（全开）14.7标准三通管60hf3v2/2g（4-21）hf3v2/2g=11040.570.17141.560.22/19.6=0.07m6.设备阻力损失hf4的计算：由于换热器和冷凝器都存在损失，则hf44m。7.代入数据，取修正系数1.2，则扬程损失为：h0=1.2h=22.91m根据流量和扬程，选择立式单级离心泵。循环泵的型号为：ISG20-160，m³/hm0.75kW，转速2900r/min。

结论通过给定参数的计算，完成了热负荷计算以及热泵的选型。总热负荷为7387.64W，单位面积的耗热量为14.76W/m2。地埋管换热器采用垂直单U型埋管敷设方式，并联布置，地下孔径确定为200mm，钻孔数目为3，埋地管材料为PE100𝜙484，流通介质为浓度为30%5m选用浙江金普森新能源科技公司热管式真空管太阳能集热器，总集热面积为11.247m2，采用先并联后串联的方式，目的在于提高换热效率以及减小阻抗的损耗，串联距离为300mm，集热器数量3。热泵机组输入功率1.71KW，选用热泵机组机型为LSHP26，COP值为5，地下土壤温度为14oC蒸发器侧循环泵选用泵型号为ISG20-110，流量为3.3m³/h，扬程为13.5m，电机功率为0.37kW，转速为2800r/min。冷凝器侧循环泵选用泵型号为ISG20-160，m³/hm0.75kW，转速2900r/min。

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