《S县某农村空气源热泵地暖系统设计》7700字（论文）

S县某农村空气源热泵地暖系统设计摘要本房屋为天津市S县某居民住所，根据天津市的相关气象资料，参考国家的相关出台的规范和标准等一些有用的资料，对此住所进行供暖工程设计。同时为了响应国家煤改电的号召，利用空气源热泵设备进行此次的设计。再进行计算的同时，建造模型和仿真模拟。房屋的面积为300m2,室外设计温度为-10℃。完成了选择之后对在房间内的设备和管路进行布置。根据相应的布置最后完成图纸的绘制。关键词：空气源热泵设计；负荷计算；供暖设备选型；煤改电；目录TOC\o"1-3"\h\u29497第一章绪论 6212521.1课题背景 690811.2空气源热泵的特点 6323921.3空气源热泵应用领域 7297631.3.1空气源热泵原理 7311781.3.2在制冷制热方面的应用 7703第二章工程概况及设计条件 8292362.1空气源热泵水地暖的设计条件 8163922.1.1原始资料及设计条件 842012.1.2设计目标 816292.2设计图纸及要求 9289682.2.1设计图纸 912772.2.2设计要求 924142第三章设计计算 1080933.1水地暖系统的设计计算 1043123.1.1原始资料及技术条件： 1017583.1.2建筑条件 10194823.2负荷计算 12146403.2.1围护结构的基本耗热量 12254743.3利用energyplus进行仿真模拟 14225253.4地暖盘管的设计计算 16233273.5空气源热泵机组的设计计算 17236393.5.1压缩机的选型计算[7]： 17155793.5.2冷凝器的设计计算[9] 20105553.5.3节流机构的分类 22192043.5.4电子膨胀阀的选择 24160913.6保温水箱的设计计算 25281493.7空气源热泵型号选择 2615926第四章自动控制 26318654.1自动温控 2675664.2自动防冻控制 2611232参考文献 27第一章绪论课题背景根据我国现阶段能源结构形式，不可再生能源仍居于能源消耗主流。中国的人均能源和资源份额十分不足，其中人均开发量占据世界7%左右的是石油、天然气等资源。[1]其中在农村普遍采用燃煤取暖的方式，燃煤取暖产生大量的二氧化碳和可吸入颗粒物PM2.5，同时也是京津冀地区雾霾严重的主要原因之一，污染最严重时，可吸入颗粒物甚至于达到769μg/m3，远远超过国家标准75μg/m3，因此，国家为了尽快的改变现如今空气产生污染的现实情况，尽可能地去减少对煤炭和其他非清洁化石能源的使用，下达了对空气的污染现状进行控制的任务，在中国一些不同的省份和城市，开展和推广了“煤改电”这一对空气有意义的项目，同时政府煤清洁能源设备进行拨款，更加展示了国家对这一项目的大力支持，以及对空气治理的决心。我国生态环境部在2019年发布了一则治理行动方案——这则方案是《京津冀及周边地区2019-2020年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》。方案制定了秋冬季环境空气质量改善目标，要求区域2019-2020年秋季以及冬季PM2.5的浓度同比之前下降达到3.9%，重污染天数同比下降达到5.9%。制定的《农村散煤燃烧污染综合治理技术指南(试行)》提倡用热泵代替燃煤取暖。空气源热泵的特点空气源热泵是以空气为低温热源制取高于环境温度的热水（或热风）的热泵装置，是重要的采暖和生活热水设备之一。[2利用燃气来进行采暖和利用电能来进行采暖，其一是能源效率高，既减少了采暖的能源消耗，又减少了环境污染，与此同时可夏季制冷，空气源热泵采用逆卡诺循环，冷媒从室外空气吸收热量温度升高达到沸点，进入压缩机，气体压缩升温，进入水箱和水交换热量，冷媒冷凝液化通过节流降压进入热交换器，再次循环。空气源热泵将大气作为取得热量的对象，不需要锅炉或者相应的燃料供应系统、除尘系统和烟气排放系统，不会造成环境污染、安全系数和可靠性高，基本上实现了零排放。低温空气源热泵技术大大拓宽了空气源热泵的应用地域和范围，使其从原来的长江流域以南逐步北扩至黄河流域的华北地区，甚至东北地区。[3]空气源热泵节能的主要原因是，低温低压的制冷剂液体从空气中获取热量，再把冷量给空气，实现热交换。因为室外空气进行吸收热量的行为，使其蒸发变成低T低P的气体，之后吸收热量将其称之为Q1，低T低P的制冷剂气体在此之后进入压缩机，压缩之后就变为高T高P气体，此时吸收的热量我们暂且称之为Q2，之后箱冷却水与高温高压制冷剂气体进行热量交换，冷却水吸收热量为Q3，此时Q1+Q2=Q3，若无空气源加热，单纯利用压缩机升温加压的热泵，更为节省能量。如果要是需要使空气源热泵系统效率更加的提高，可以利用的方法是补气增焓系统。或者与其他清洁能源合作，利用太阳能热泵辅助空气源热泵，降低能耗，实现Q1+Q2+Q4=Q3的作用。1.3空气源热泵应用领域1.3.1空气源热泵原理空气源热泵是以空气为低温热源制取高于环境温度的热水（或热风）的热泵装置，是重要的采暖和生活热水设备之一。[4]在夏天炎热，冬天寒冷的地区，它会使得采暖所用到的能源消耗减少，同时也会使得对环境的污染变低，在这种情况下也可以进行夏季的制冷，空气源热泵采用逆卡诺循环，冷媒从室外空气吸收热量温度升高达到沸点，进入压缩机，气体压缩升温，进入水箱和水交换热量，冷媒冷凝液化通过节流降压进入热交换器，再次循环。1.3.2在制冷制热方面的应用对空气源热泵地暖、燃气锅炉散热片式供暖、区域燃煤锅炉地暖进行了技术经济性比较，结果显示：空气源热泵地暖年运行费用最低，分别为后两种方式的40.7%和69.1%，空气源热泵耗能较少，尤其是电能，但是却能产生相比其他热泵3~5倍的热能，节能环保。室内温度每降低1℃可节约燃料10%[5]。第二章工程概况及设计条件2.1空气源热泵水地暖的设计条件2.1.1原始资料及设计条件表2-SEQ表\*ARABIC1设计条件建筑面积室内温度室外温度水地暖的额定水温水地暖的最高水温电压室内温度水地暖的自来水压力300m220℃-10℃50℃55℃220V/50HZ330V/50HZ20℃0.3MPa根据《实用供热空调设计》可得上述的条件。2.1.2设计目标对天津市某农村居民住宅的空气源热泵采暖系统进行设计，尽管目前国内外已经有很多研究对空气源热泵进行了很深入的研究，但是农村住宅尚未广泛使用空气源热泵，在煤改电和散煤治理的大背景下，对空气源热泵应用在农村住宅采暖领域是很有必要的，切实为我国节能减排做出贡献并提供理论参考。2.2设计图纸及要求2.2.1设计图纸图SEQ图\*ARABIC1住宅平面图2.2.2设计要求位于天津市S县某农村居民住宅。冬季寒冷、干燥、少雪。水源为城市给水，热源采用空气源热泵。确定采暖方案，计算采暖负荷、新风量和送风量，进行水力计算及设备选型计算。对该采暖系统进行经济性分析。编制设计计算说明书，绘制图纸一套。第三章设计计算3.1水地暖系统的设计计算3.1.1原始资料及技术条件：建筑面积：300m2室内温度：20℃室外温度：-10℃水地暖的额定水温：50℃水地暖的最高水温：55℃电压：220V/50HZ330V/50HZ根据《实用供热空调设计》可得:室内温度：20℃水地暖的自来水压力：0.3MPa根据《采暖通风与空气调节设计规范》可得天津市S县冬季气象参数：表3-1冬季气象参数冬季气象参数冬季大气压（kpa）室外供暖计算干球温度(℃)通风计算温度(℃)室外空调计算干球温度(℃)室外平均风速（m/s）地表面最冷月平均温度（℃）102.54-10-4-123-4.2表3-2冷风渗透朝向修正冷风渗透朝向修正东西南北0.65.2建筑条件1.土建资料房屋建筑的材料进行了节能的改造，屋面和墙体的材料都使用了保温材料，门窗的材质断桥铝。窗：一般窗子高度1.5m，门，一般普通木门，高2.0m。墙体设定高度4.5m。2.围护结构指标：外墙：37空心砖墙左右各20厚混合砂浆+柱珍珠岩复合保温板屋面：120mm厚混凝土+柱珍珠岩复合保温板非采暖房间与采暖房间隔墙：100厚空心砖左右各20厚混合砂浆外窗：塑钢框单层玻璃根据《实用供热手册设计手册》第二版可得，表3-3墙体材质及传热系数墙体材质及传热系数墙体材质传热系数k传热衰减外墙空心砖墙2.481混合砂浆柱珍珠岩复合保温板内墙厚空心砖1.670.4厚混合砂浆表3-4屋面材质及传热系数屋面材质及传热系数材质传热系数k传热衰减屋面厚混凝土0.90.31柱珍珠岩复合保温板表3-5外窗材质及传热系数c外窗材质及传热系数材质传热系数k传热衰减单层塑钢窗单层塑钢窗4.713.2负荷计算室内条件：农村住宅建筑面积300m2，末端设施为地板辐射采暖。室内压力稍大于室外大气压力；房间设备负荷5w/m2；照明：暗装荧光灯镇流器设于顶棚内，上部穿有小孔，照明灯具平均功率为10w/m2。3.2.1围护结构的基本耗热量1.（3-1）-传热系数（）-传热面积，m2-室内计算温度，℃-修正系数-室外计算温度，℃根据公式（1）可得，表3-6墙体热负荷墙体热负荷墙面积（m2）K（w/m2·k）修正系数负荷(w)北墙68.582.481.005102.35南墙92.162.481.006856.70西墙45.002.481.003348.00东墙68.582.481.005102.35设备间外墙47.162.481.003508.70设备间内墙47.161.670.40882.08其余热负荷面积（m2）K（w/m2·k）负荷(w)南窗3.004.70846.00地面300.000.232070.00屋面300.000.758100.00门4.653.60502.20表3-7其余热负荷2.冷风渗透耗热量：（3-2）n-渗风量的朝向修正Cp-冷空气的定压比热容，1.0KJ/(kg/℃)冷风渗透朝向修正东西南北0.6510.20.6表3-8冷风渗透朝向修正-供暖室外计算温度下的空气密度，1.2kg/m33.冷风侵入耗热量：（3-3）4.房间总耗热量：5.辐射供热系统热负荷：3.3利用energyplus进行仿真模拟对于300m2的房屋进行热负荷计算同样可以使用energyplus（以下简称EN）进行模拟。1.建立模型对于此次模拟，首先在sketchup草图大师中根据所给平面图（图1）画出模型（图2，3），如图所示；图3-SEQ图\*ARABIC2正视图图3-SEQ图\*ARABIC3顶视图模型长20.48m，宽15.48m。模型建立完成后，利用openstudio导出idf文件。进行模拟将导出完成的idf文件以及在官网下载的天气文件（.epw）导入EPlaunch，如图4；点击Edit-IDFEDitor进行材质，温度和条件的设置。如图5；之后点击图3红色处simulate,进行模拟。图3-SEQ图\*ARABIC4图3-SEQ图\*ARABIC53.模拟结果在模拟结束后，通过spreadsheets和Table导出最后模拟结果。如图6。图3-SEQ图\*ARABIC6最后结果模拟得出38.81kw,与计算负荷相差不大。3.4地暖盘管的设计计算设定供水温度为50℃，根据《供热工程》回水温度不可大于10℃，所以选择40℃回水。选择地暖盘管为200mm，的复合管。将材料选定为铝塑复合材质。在此次设计中准备将内热源设定为加热管这一系统：（3-4）cp-水的比热容，ts-热水供水温度，℃-热水回水温度，℃ms-热水的质量流量，kg/s，V-地板体积，m3Q=41.80kw;水的比热容为;ms=0.97kg/s又因为(3-5)V=3.09m/s3.5空气源热泵机组的设计计算3.5.1压缩机的选型计算[7]：1.制热量为41.80kw，制冷剂选用R222.:天津市S县这一地点的冬季室外环境温度根据参考文献可知为-10℃，所以在此次设计中t0=-14℃。3.:在此次设计中水地暖的供水的温度暂时设定为50℃，所以之后取tk=53℃4.过热度:压缩机的吸气温度暂时设定为-10℃，所以过热度设定为5℃。5.制冷循环热力计算压缩机的为0.75。压焓图如图所示：图3-SEQ图\*ARABIC7压焓图这一时刻0点就是蒸汽达到了饱和的状态，在这一时刻的1点表示蒸汽到达过热程度，1-2表示制冷剂处于系统与外界无能量交换的状态和过程下，从2出来经过3到达4状态点表示此时的制冷剂正在进行热量交换，被冷却和冷凝，此时的4-5显示的是制冷剂正在处于节流的过程，在节流中制冷剂的压力和湿度都会有一定幅度的进行降低和减少，h不变。5-1表示制冷冷却和冷凝过程剂的蒸发过程，准备采用的制冷剂为R22。[8]（1）压焓图参数值查询R22的热力性质表和图，表3-9热力性质表R22热力性质表温度（℃）h（KJ/kg）0-14403.5512405.782s97.43458.32115.18474.5353267.08448260.475-14183.83热力计算：1.：（3-6）2.：（3-7）3.：（3-8）4.：（3-9）5.：（3-10）6.：（3-11）7.：（3-12）此次设计中将取值为0.95；8.压缩机的：（3-13）9.压缩机的：（3-14）10.压缩机的（本设计中将取值为0.75）：（3-15）11.压缩机轴的（本设计中将ηm取值为0.92）：（3-16）12.压缩机电机的Pei（本设计中将ηmo取值为0.86）:（3-17）（3-18）13.EER： （3-19）3.5.2冷凝器[9]对冷凝器的参数进行选择对于冷凝器的参数选择，在本次设计我们将冷却水进水口的温度tw1暂时设定为50℃，出水口的温度tw2暂时设定为40℃。（3-20）冷凝器的管内的水的流动速度：；冷凝器的管内的冷却水的污垢系数：；在此次设计中准备选用的冷凝器的内管的大小是内径为19毫米，也就是的，选择的形式是一种低翅片管，关于它结构参数都在表3-10中：翅片管结构参数sf（mm）hdi1445.918.9表3-10翅片管结构参数每米管长各有关换热面积：（3-21）（3-22）（3-23）（3-24）（3-25）由《小型制冷装置》查表可得，当tk=53℃，t0=-14℃，c0=1.50，冷凝热负荷，（3-26）2.冷凝器的内管的根数根据上述条件算出水的平均温度tm=45℃，那么在这种情况下它的，cp=4.1805,式3-27计算冷却水的qv：（3-27）内管n：（3-28）3.冷凝器的传热计算[10]首先要选取在水的那一侧的表面传热系数，当时，此时的运动粘度应该为，根据下方的式子，可以算出水的那一侧的表面传热系数；（3-29）由上式能够计算出此时水在管内的状态，由式子看出此时的水应该为湍流，那么就应该将套管盘成的螺旋盘管，这个螺旋盘管的半径为，盘管水的那一侧的修正系数由下式计算：（3-30）则水的那一侧的表面换热系数[11]（3-31）查表3-11我们可以发现制冷剂R22的参数，它在的时候，。查表3-4我们可以发现4号管取冷凝器制冷剂为R22的机器的表面传热系数由式3-32计算得到：（3-32）我们取值紫铜的联立上面的方程，代入数据，可以得到下面的式子：（3-33）（3-34）的单位：，的单位：解出方程式设定那么本次设计中冷凝器的传热面积应该为：（3-35）本次设计中所需要的低翅片管的总管长：（3-36）本设计中准备采用三根套管来进行并联连接这种结构，每一根套管将要被穿进一根低翅片管内部，那么套管的长度应该为7.3m，这些可以计算得到。（4）冷凝器结构[12]外管：选取的为无缝钢管，其内径的大小：。将其管弯曲为螺旋盘管，获得的，进出口端那两面应该要朝向一个地方。每一个螺旋管高度大概应该为0.232m，三个一模一样的螺旋盘管互相重叠放置在一起，那么就能得到冷凝器的h为0.696m。3.5.3节流机构的分类节流机构分为：浮球式膨胀阀、手动膨胀阀、热力膨胀阀、阻流式膨胀阀等。节流阀主要用于节流降压和控制制冷量的流量。安装位置一般在冷凝器或触流器之后，并且在蒸发器之前，节流阀压差一定时，其流量的变化一般是由节流阀的开口度大小决定的。基本原理是迫使高压液体系统的制冷剂流经节流阀产生的局部阻力损失（或沿路径损失），使制冷剂压力急剧下降，而部分液体制冷剂蒸发并吸收潜热使得制冷剂变为低压和低温。（1）浮球节流阀①浮球节流阀的工作原理：浮球节流阀可以进行自动调节。满液式蒸发器的液面变化会致使供液量发生变化，于此同时我们可以通过控制蒸发器的液面高度达到节流降压的目的。当液面高度上升到合适的高度时，浮球节流阀关闭。它最为广泛应用的是一种低压浮球阀，一般在氨制冷系统中。低压浮球阀可以被分为两种，即直通式和非直通式两种。直通浮球节流阀的特点是，全部液体制冷剂进入容器后首先会通过节流阀的阀孔进入到浮球室，然后再进入容器。非直通式浮球节流阀的特点是，阀座装在浮球室外，经节流后的制冷剂不需要通过浮球室而沿管道直接进入容器。因此，浮球室的液面较平稳，但其结构与安装均较复杂。[13]手动膨胀阀：手动膨胀阀的外形与普通截止阀没有太大的区别，是最原始的节流阀。手动节流阀常用于冷库、试验系统，主要功能是分流，也可以在制冷系统中作为安装在旁通管路上的备用阀。它由阀体、阀芯、阀杆、手轮和螺栓等零件组成手动膨胀阀和普通的截止阀在结构上的不同之处主要是阀芯的结构与阀杆的螺纹形式。运行方式：利用阀芯与阀座间隙变化来调节工质通过量。它只能控制管路的通断，但无法进行精准控制流量，产生合适的节流作用。（3）热力膨胀阀：用于干式蒸发器。热力膨胀阀通过感温包内冷媒蒸气压力与信号压力之差，来控制蒸发器出口过热度。控制过热度的原因是：1.避免湿压缩；2.避免蒸发器的相变换热面积减小；3.避免COP降低；4.调节冷媒。热力膨胀阀分为不同的类型：外平衡式、内平衡式。内平衡式热力膨胀阀：用蒸发器的入口压力来代表蒸发压力。适用于沿程阻力偏小的蒸发器。目前常用的小型R22热力膨胀阀多为薄膜式内平衡热力膨胀阀。在其中内平衡式热力膨胀阀结构特点是：金属膜片的两侧工质来自感温包和阀出口。原理：当膨胀阀收到感温包内的工质压力时，开启；当收到制冷剂蒸发压力和弹簧力时关闭。外平衡式：适用于蒸发器出入口压力降大的情况下。结构特点：金属膜片两侧工质来自感温包和蒸发器出口。原理：当膨胀阀收到感温包内的工质压力时，开启；当收到制冷剂蒸发压力和弹簧力时关闭。阻流式膨胀阀：利用压力差来进行制冷剂的流量控制，来节流降压。它的供流取决于入口压力和过冷度。长度：1-6m；内径：0.5-2mm。一般应用于负荷较小且有稳定的压力的制冷系统中。特点：成本低，便于安装，结构简单，稳定性极强，但是对制冷剂流量调节的效果不好；系统停止运行后，压力会自动平衡，可以减轻再次启动的负荷。电子膨胀阀：电子膨胀阀类型：电动型和电磁型。电动型：开位相比较于其他膨胀阀更准确，调整完毕后，就不需要带电了，更加可靠，性能好；但是调节的速度较慢。电磁型：定位准确，可靠性不高，带电工作，调节速度相较于其他膨胀阀更快。电磁膨胀阀的特点：可以自由确定不同蒸发温度下的过热度，热惯性小。根据以上不同结论，本设计决定采用电子膨胀阀，其可以达到精准调节制冷剂流量，对蒸发器的传热面积实现充分利用，同时又可防止“液击”的目的，3.5.4电子膨胀阀的选择适用环境温度：-30℃-+90℃，适用介质：R22R134AR407R410A和冷冻油。表3-10电子膨胀阀型号R22名义容量kw匹配功率（HP）阀口径mm最大动作压差DPF1.871~21.82.26DPF2.08.751.5~2.522.26DPF2.210.52~32.22.26DPF2.417.53~52.42.26DPF2.819.34.5~6DPF3.0215~632.26选择型号DPF2.8，功率4.5-5.5HP，阀口径2.8mm，R22最大动作压差2.26MPa。3.6保温水箱本设计中将我们选取的热水箱尺寸定为：H=1m，R=0.2m。，热水箱的形状设定为圆柱形；（3-37）-厚度，mm；=1.0-2.0；-热导率，W/（m·℃）；F-内表面积，㎡；-温度差，℃；-允许的下降幅度，℃；M-热水的质量，t；隔热材料在此次设计中选择Polyurethanefoam：，℃，，，代入上式中就可以得到：（3-38）则根据式3-38可得：保温层的厚度为21mm。3.7空气源热泵型号选择根据上述结果和选型，最后选择开利30RQ039，其工作参数如表3-11；表3-11空气源热泵型号参数型号名义制冷量（kw）名义制热量(kw)压缩机输入功率制热（kw）运行重量