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小型地源热泵制冷系统设计
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  • 120504123-孙建宽-热能121-齐安宾1 绪论
    能源是人类赖以生存和发展的物质基础,随着人类文明的进步和社会的发展,人类对能源的消耗越来越多,人的生活中衣、食、住、行、文化娱乐等等,都需要消耗大量的能源。在最近二、三十年里,世界各国生产用电大幅度增加。在一些工业发达国家,现代化水平较高的城市,民用电量比例很大。同时随着人们对舒适生活条件的要求提高,用于采暖和空气调节方面的能耗占能源总量的比例逐步增加。自1945年以来,采暖和空气调节用能量每年平均以5%左右的速度增长。因此,导致能源枯竭、环境恶化等严重后果。
    我国是一个人口众多、人均能源占有量低于世界平均水平的发展中大国,能源供给不足已成为制约经济社会发展的重要因素。科学用能实在信息时代发展进程中对节能工作的一次升华,是以科学发展观为指导,为解决制约经济和社会可持续发展的能源瓶颈问题而建立的新理念和寻找的新出路,即运用熵定律和耗散结构理论,对能源世界观进行深入研究。科学用能是实现节能为本的具体措施。其具体措施主要指科学使用能源、科学配置能源和科学管理能源。
    1.1地源热泵简介
    地源热泵是一种利用地下浅层地热资源进行供热、供冷的新型空调器。它就像泵一样,可以利用高位能使热量把土壤或者地下水中的低位热能转换为可以利用的高位热能,从而达到节省部分高温能(如煤、燃气、油、电能等)的目的。
    由于其热源温度比较高,全年稳定,不随外界环境温度的变化而变化,所以不管是冬季供暖还是夏季制冷,地源热泵的COP都要比其他热源形式的热泵高出许多。目前地源热泵在许多国家已经得到普遍的应用。
    1.1.1 地源热泵的应用现状
    地埋管地源热泵系统是由传热介质通过竖直或水平土壤换热器与岩土体进行热交换的地源热泵系统,也称为地耦合系统。近年来,地下埋管换热器类型、土壤换热器传热分析、土壤热物性参数有效性测试及施工工艺成为地埋管热泵系统的热点研究内容。
    地表水源热泵系统(SWHPs,Surface Water HeatPumps System)是地源热泵的一种系统方式。它是利用的低位热能是地球表面如河流、湖泊或水池等水源。地表水水体的温度变化规律、地表水热泵系统的换热研究、针对不同地表水特定设备研发逐渐成为研究的热点内容。
    地下水源热泵系统(Ground Water Heat PumpSystem,GWHPs)是采用地下水作为低品位热源,并利用热泵技术,通过少量的高位电能输入,实现冷热量由低位能向高位能的转移,从而达到为使用对象供热或供冷的一种系统。地下水源热泵系统适合于地下水资源丰富,并且当地资源管理部门允许开采利用地下水的场合。近年来,地下水的水质处理及地下水的回灌技术成为研究的主要内容。
    对于冷热负荷差别比较大,或者单纯利用地源热泵系统不能满足冷负荷或热负荷需求时,经技术经济分析合理时,可采用复合式地源热泵系统。其研究热点主要集中在地源热泵复合系统可行性研究,地源热泵复合系统经济性分析研究,地源热泵复合系统运行特性实验研究和数值模拟,复合式地源热泵系统运行策略研究以及新型的复合式地源热泵系统开发等。典型的复合式地源热泵系统主要包括地源热泵与太阳能复合式系统、地源热泵与冰蓄冷复合式系统、地源热泵与冷却塔复合式系统、地源热泵热水系统等。
    1.1.2 其他热泵系统简介
    空气源热泵。空气作为低位热源,取之不尽,用之不竭,处处都有,可以无偿地获取。空气源热泵装置的安装和使用都比较方便。其主要特点是:室外空气的状态参数随地区和季节的不同而有很大的变化,这对热泵的容量和制热性能系数影响很大;一般来说,当室外空气相对湿度大于70%,温度为3~5℃时,机组室外换热器就会结霜,致使空气源热泵的制热量、制热性能系数和可靠性下降;空气的热容量小,为了获取足够的热量,则需要较大的空气量,因而风机的容量较大,致使空气源热泵装置的噪声较大。
    水源热泵。水源热泵就是用水作为热泵的低位热源的热泵装置。可作为低位热源的水有地表水(河水、湖 水、海水等),地下水(深井水、泉水、地热尾水等),生活废水、工业污水和工业设备冷却水等。水源热泵的优点是:水的热容大,传热性能好,所以换热设备较紧凑;水温较稳定,因而使热泵的运行工况较稳定。其缺点是:热泵装置必须靠近水源,或设有一定的蓄水装置;其次,对水质也有一定的要求,应进行水质分析后采用合适的换热器材质和结构型式,以防止出现腐蚀等问题
    太阳能热泵。太阳能是一种无穷无尽,无公害的干净能源。太阳能热泵是一种把温度较低的太阳能提升到30~50℃,再进行供热的装置。其主要优点是:可以采用结构简单,与建筑物做成一体的低温平板集热器,其效率较高;热泵用的集热器成本较低是它的最大优点;热泵可不设除霜装置。其缺点是:要解决太阳能利用的间歇性和不可靠性问题;投资较高。
    随着我国“十一五”节能规划和《可再生能源法》的颁布实施,可再生能源的建筑利用日益引起人们的重视。建筑节能与可再生能源利用成为焦点问题之一,而浅层地能与地源热泵系统在解决此问题具有重大优势。
    截至2012年底,我国以地源热泵相关设备产品制造、工程设计与施工、系统集成与调试管理维护的相关企业已经达到3 450余家,从全国范围看来,现有工程数量已经达到5 000多个,总面积达2.4×108m2。项目比较集中的地区有北京、河北、河南、山东、辽宁和天津,80%的项目集中在我国华北和东北南部地区。随着地源热泵技术在我国的发展,可再生能源建筑应用示范城市中,北京市、天津市、大连市、上海市、青岛市、深圳市、重庆市,河北、河南、山西、山东、辽宁、吉林、黑龙江、江苏、江西、浙江、安徽、福建、湖北、河南、海南、四川、贵州、陕西,内蒙古自治区、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区、广西壮族自治区、新疆生产建设兵团,共有144个与地源热泵有关的项目,其示范工程总面积为1 578.09万m2。其中的典型项目包括北京九华山庄、北京中关村用友软件园一期、国家北方苗木培训基地、北京果品市场、南京朗诗国际街区、武警辽宁省总队指挥中心、西安都市之门、宁波市嘉乐企业办公楼、北京海淀外国语实验学校、国家大剧院、青岛银盛泰国际商务港及城阳经贸中心、大连星海湾商务区、黄龙月亮湾大酒店、湖南湘潭城市中心区、重庆市开县人民医院、威海之星、北京奥运村、青岛国际帆船中心媒体中心、宁波银凤度假村、北京建研科技园、广西大学学生公寓、南宁市建兴苑小区高层建筑公寓—办公大楼、宁波鄞州区国税局办公大楼等,关于上述项目具体概况见《中国地源热泵发展报告(2008)》。...
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