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本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 采用U型地埋管換熱器的 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué) 號 院 （系） 指導(dǎo)教師(職稱） 完成時間 采用U型地埋管換熱器的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著中國的建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，這種需求帶動了中國的空調(diào)制冷業(yè)的發(fā)展，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）有了更深刻的認(rèn)識,對環(huán)境的需求意識已經(jīng)不是簡單的冷熱意識,而是趨向于健康化、衛(wèi)生化的需求。因此采用更先進(jìn)的空氣調(diào)節(jié)方法提高空氣品質(zhì)滿足人們的要求成了當(dāng)前制冷行業(yè)發(fā)展的熱點和重點之一。 地源熱泵技術(shù)，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性,，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，在夏天還可以將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中,達(dá)到降溫或制冷的目的。冬季它代替鍋爐從土壤、地下水或者地表水中取熱，向建筑物供暖；夏季它可以代替普通空調(diào)向土壤、地下水或者地表水放熱給建筑物制冷。同時，它還可供應(yīng)生活用水，可謂一舉三得，是一種有效地利用能源的方式。 本文，將通過學(xué)習(xí)有關(guān)地源熱泵和中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方面的書籍與資料，在老師的的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助下，用自已大學(xué)四年所學(xué)過的專業(yè)和努力設(shè)計一套土壤源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)。希望借此機(jī)會檢驗我大學(xué)四年所學(xué)專業(yè)的成果，并使我的專業(yè)知識系統(tǒng)得到一次升華。 關(guān)鍵詞 地源熱泵/中央空調(diào)/節(jié)能環(huán)保/設(shè)計 I U-SHAPED GROUND HEAT EXCHANGER OF GROUND SOURCE HEATPUMP AIR CONDITIONING SYSTEM DESIGN ABSTRACT With the rapid development of China’s construction industry,People’s requirements of the Living environment is becoming higher and higher.This demand contributed to the China's air conditioning refrigeration industry development.People have a more profound understanding of the in indoor air quality.People’s requirement on the environment is not simple consciousness for cold and hot consciousness,but tend to health,and the demand of sanitation.So use the more advanced air conditioning method is becoming one of the most important part of the development of the current refrigeration industry to improve the air quality and meet the requirement of people. The ground source heat pump technology,is a technology which use the characteristics of temperature is relatively stable of the soil underground,surface water,groundwater to transfer heat from ground to anywhere that need it in the winter or cool the indoor temperature by let the heat flue into the ground.The ground source heat pump can take the place of the traditional heating and central air conditioning system such as the boiler or municipal pipeline. In this paper,I will design a set of ground source heat pump system with my teacher and classmates help,by using the knowledge that I learned during these four year and looking through books about the ground source heat pump central air conditioning.I hope I can learn more about my subject from this design。 KEY WORDS ground source heat pump,Design,central air conditioning,energy saving II 采用U型地埋管的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng) 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 設(shè)計背景 1 1.2 國內(nèi)地源熱泵發(fā)展簡史 2 1.3 國外地源熱泵的發(fā)展 3 1.4 地源熱泵發(fā)展趨勢 4 1.5 地源熱泵技術(shù)在中國的發(fā)展優(yōu)勢 4 1.6 地源熱泵技術(shù)在發(fā)展中的問題 6 2 熱泵工作原理和特點 7 2.1 熱泵原理 7 2.2 地源熱泵系統(tǒng)的特點 8 2.3 地源熱泵對環(huán)境的意義 9 3 熱力計算 9 3.1 確定制冷系統(tǒng)的設(shè)計工況 10 3.2 繪制壓焓圖和查狀態(tài)參數(shù) 10 3.3 循環(huán)的熱力計算 11 4 壓縮機(jī)的選型 12 4.1 壓縮機(jī)熱力計算 12 4.2 壓縮機(jī)的選型 13 4.2.1 往復(fù)式制冷壓縮機(jī) 13 4.2.2 螺桿式壓縮機(jī) 13 4.2.3 渦旋式空氣壓縮機(jī) 14 4.2.4 離心式壓縮機(jī) 16 4.3 壓縮機(jī)校核 17 4.4 制熱功率的計算 18 5 冷凝器的設(shè)計計算 20 5.1 水冷式冷凝器及分類 20 5.2 參數(shù)的選擇及冷凝器換熱面積計算 22 5.3 確定內(nèi)管根數(shù) 23 5.4 傳熱計算 23 5.4.1 計算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 23 5.4.2 計算套管間R22冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 23 5.5 冷凝器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 6 蒸發(fā)器的設(shè)計計算 25 6.1 蒸發(fā)器的分類及選型 25 6.2肋管換熱面積的計算 27 6.3 管內(nèi)外側(cè)換熱系數(shù)的計算 28 6.3.1 管內(nèi)側(cè)制冷劑R22的換熱系數(shù)的計算 28 6.3.2 管外水側(cè)換熱系數(shù)的計算 28 6.4 管內(nèi)熱流密度驗證及管長計算 29 6.5 管長的計算 30 7 地源熱泵系統(tǒng)地下?lián)Q熱器型式確定 30 7.1 確定管路連接方式 31 7.2 選擇地埋管管材及埋管直徑 31 7.3 地下?lián)Q熱器尺寸的確定及布置 32 7.3.1 已知條件的確定 32 7.3.2 確定地下?lián)Q熱器換熱量 32 7.3.3 確定鉆孔總長度，孔深及孔數(shù) 32 8 系統(tǒng)輔助設(shè)備的選擇 33 8.1電子膨脹閥的選用 33 8.2 干燥過濾器的選擇 34 8.2.1 干燥過濾器的構(gòu)造及原理 34 8.2.2 干燥過濾器的作用 34 8.2.3 干燥過濾器的選擇 34 8.3 電磁閥 36 8.3.1 電磁閥的工作原理及作用 36 8.3.2 電磁閥的安裝和使用 36 8.3.3 單向閥選擇 37 8.4 四通換向閥的選擇 37 總結(jié) 39 致謝 40 參考文獻(xiàn) 41 1 緒論 1.1 設(shè)計背景 地?zé)崾且环N可再生的自然能源。盡管目前它的應(yīng)用還不能像傳統(tǒng)能源(煤、石油、天然氣、水力能和核能)那樣廣泛，但由于地殼里蘊(yùn)藏著豐富的地?zé)崮?，特別是在傳統(tǒng)能源越來越缺乏的今天，地?zé)崮芾迷谠S多國家已得到了相當(dāng)?shù)闹匾?。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源(通常小于400米深)作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。地表淺層地?zé)豳Y源可以稱之為地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太陽能、地?zé)崮芏N(yùn)藏的低溫位熱能。地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了47％的太陽能，比人類每年利用能量的500倍還多。它不受地域、資源等限制，真正是量大面廣、無處不在。這種儲存于地表淺層近乎無限的可再生能源，使得地源也成為清潔的可再生能源一種形式。 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)是利用水與地源(地下水、土壤或地表水)進(jìn)行冷熱交換來作為水源熱泵的冷熱源，冬季把地源中的熱量“取”出來，供給室內(nèi)采暖，此時地源為“熱泵”；夏季把室內(nèi)熱量“取”出來，釋放到地下水、土壤或地表水中，此時地源為“冷源”。地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。與鍋爐(電、燃料)供熱系統(tǒng)相比，鍋爐供熱只能將90％以上的電能或70—90％的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量供用戶使用，因此地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為9—16℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5—6.3，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40％左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50—60％。 地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40％以上，與常規(guī)電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上，如果結(jié)合其他節(jié)能措施減排會更明顯。雖然也采用制冷劑，但比常規(guī)空調(diào)裝置減少25％的充灌量。該裝置的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。 中國的建筑行業(yè)正處于飛速發(fā)展的階段，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，而生活環(huán)境最主要的就是居住環(huán)境，這種需求帶動了中國的空調(diào)制冷業(yè)的發(fā)展，特別是在“非典”之后，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)（IAQ）有了更深刻的認(rèn)識，室內(nèi)空氣的好壞直接影響到人們的健康，原來使用的空調(diào)技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們的要求，對環(huán)境的需求意識已經(jīng)不是簡單的冷熱意識，而是趨向于健康化、衛(wèi)生化的需求。因此采用更先進(jìn)的空氣調(diào)節(jié)方法提高空氣品質(zhì)滿足人們的要求成了當(dāng)前制冷行業(yè)發(fā)展的熱點和重點。 從2001年至今，電力緊缺的問題一直困擾著我們，現(xiàn)在的情形更為嚴(yán)重，一方面是我國的經(jīng)濟(jì)每年以兩位數(shù)的飛速發(fā)展，另一面是全球性的能源緊缺，再加上去年的全國性的冰災(zāi)，據(jù)有關(guān)部門預(yù)計，今年我國南方尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的廣東地區(qū)缺電達(dá)30%，不少工廠被迫“開四停三”，嚴(yán)重影響到了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。電廠的發(fā)展又不能盲目的增加發(fā)電量，或者增建新的電廠，必須依靠宏觀的發(fā)展才能不至于發(fā)生電力過剩的尷尬局面，而且電廠發(fā)電對環(huán)境的污染也會隨著電廠的增加而增加，在這種情況下，空調(diào)作為用電大戶，充分利用現(xiàn)有的自然能，如太陽能、地?zé)崮?、生活垃圾等可利用的能量資源既減輕了當(dāng)前電力的負(fù)擔(dān)，又增加了空調(diào)的環(huán)保能力，因此，利用自然資源，保護(hù)環(huán)境也成了當(dāng)前各國空調(diào)制冷行業(yè)的研究方向。 當(dāng)前空調(diào)行業(yè)的已經(jīng)在這些方面有了一定的進(jìn)步，許多節(jié)能性空調(diào)如變頻空調(diào)正越多的得到使用，而在中央空調(diào)方面，溴化鋰雙吸收式制冷等保護(hù)環(huán)境的制冷劑設(shè)備也發(fā)展的越來越快。熱泵技術(shù)的使用既有效利用了自然能源，節(jié)省了能量，同時又保護(hù)了環(huán)境。 1.2 國內(nèi)地源熱泵發(fā)展簡史 地源熱泵并不是一種新的空調(diào)系統(tǒng)，早在20世紀(jì)30年代，歐洲就已經(jīng)出現(xiàn)了工程的應(yīng)用，當(dāng)時主要用于冬季的供暖。20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)能源危機(jī)，地源熱泵系統(tǒng)的工程應(yīng)用形成高潮，技術(shù)日趨成熟。由于中國空調(diào)技術(shù)應(yīng)用較晚，地源熱泵作為傳統(tǒng)空調(diào)的一個分枝，對大多數(shù)人說，確實較為陌生。 我國在地源熱泵領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)80年代初的天津大學(xué)和天津商學(xué)院。自此，其他少數(shù)單位也先后在地?zé)峁┡矫孢M(jìn)行了一系列的理論和試驗研究，但是，由于我國能源價格的特殊性，以及其他一些因素的影響，地源熱泵的應(yīng)用推廣非常緩慢。20世紀(jì)90年代以后，由于受國際大環(huán)境的影響以及地源熱泵自身所具備的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢，這項技術(shù)日益受到人們的重視，越來越多的技術(shù)人員開始投身于此項研究。 1995年，中國國家科技部與美國能源部共同簽署了《中華人民共和國國家科學(xué)技術(shù)委員會和美利堅合眾國能源部效率和可再生能源技術(shù)的發(fā)展與利用領(lǐng)域合作協(xié)議書》，并于1997年又簽署了該合作協(xié)議書的附件六--《中華人民共和國國家科學(xué)技術(shù)委員會與美利堅合眾國能源部地?zé)衢_發(fā)利用的合作協(xié)議書》。其中，兩國政府將地源熱泵空調(diào)技術(shù)納人了兩國能源效率和可再生能源的合作項目，這一舉措極大地促進(jìn)了該技術(shù)的國際合作和推廣應(yīng)用。 1998年是我國在該領(lǐng)域的一個里程碑，從這一年開始，國內(nèi)數(shù)家大學(xué)紛紛建立了地源熱泵的實驗臺。其中，1998年重慶建工學(xué)院建設(shè)了包括淺埋豎管換熱器和水平埋管換熱器在內(nèi)的實驗裝置；1998年青島建工學(xué)院建設(shè)了聚乙烯垂直地源熱泵裝置；1998年湖南大學(xué)建設(shè)了水平埋管地源熱泵實驗裝置；1999年同濟(jì)大學(xué)建設(shè)了垂直地源熱泵裝置等。同時，我國也成立了一些專門的生產(chǎn)廠家，開始批量生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品。這些科研單位和企業(yè)互相合作，在開發(fā)利用地源熱泵技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)展，做了許多實驗研究和工程示范，產(chǎn)生了很多有效數(shù)據(jù)，這些寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)勢必將大大加快我國發(fā)展地源熱泵的步伐。 1.3 國外地源熱泵的發(fā)展 地能熱泵系統(tǒng)在北美和歐洲都應(yīng)用的比較普及，根據(jù)國際地?zé)崧?lián)合會（The geothermal heat pump consortium）的統(tǒng)計，到2003年底，采用地能熱泵技術(shù)制冷供熱的建筑面積美國為3720萬平方米，瑞典為2000萬平米，德國為560萬平米，加拿大為435萬平米。但北美的應(yīng)用與歐洲的應(yīng)用存在明顯的差異。 北美的應(yīng)用，地能熱泵更多地偏重于解決建筑的空調(diào)制冷問題。在美國，政府投入很多的力量來支持地能熱泵系統(tǒng)的推廣，政府和學(xué)校經(jīng)過多年的努力，建立了全國各地地質(zhì)參數(shù)資料庫，并在各州確立了經(jīng)過認(rèn)可的地能熱泵推薦的工程商，ASHERE 也針對系統(tǒng)特殊要求在機(jī)組設(shè)計上建立了標(biāo)準(zhǔn)，同時政府支持在大地?fù)Q熱器設(shè)計以及工程施工方面的研究，而在不同的州，又有各自的政策來鼓勵地能熱泵系統(tǒng)的推廣，如專門的補(bǔ)貼、政府推廣網(wǎng)站等。從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，雖然北美也有小型的水水熱泵機(jī)組，但北美地能熱泵系統(tǒng)更多地采用的是水環(huán)熱泵系統(tǒng)，尤其對于一些大型的工商建筑，采用水環(huán)熱泵正成為設(shè)計的主流趨勢。美國著名的地能熱泵制造商有 CLIAMTMASTER、WATER FURNACE 等 ，他們提供符合ARI 的專門用于地能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品。而對于大地?fù)Q熱器，北美采用的多是單 U 型的垂直埋管方式和水平埋管的方式,鉆孔深度為50至160米 。 在歐洲，由于環(huán)保和節(jié)能的要求，目前，在歐洲，地能熱泵系統(tǒng)在供熱方面積累了豐富的經(jīng)驗，從系統(tǒng)設(shè)計的角度看，歐洲多采用水系統(tǒng)，歐洲的水水熱泵機(jī)組更多偏重于制熱，但沒有專門的地能熱泵機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)和專門的地能熱泵設(shè)備制造商。而對于大地?fù)Q熱器，歐洲采用的多是雙U 型的垂直埋管方式。 1.4 地源熱泵發(fā)展趨勢 地源熱泵與中央空調(diào)相連接的供熱和制冷系統(tǒng)是目前的發(fā)展趨勢。綜合利用低品位熱能、高效率利用熱能、簡單化和一體化的地源熱泵系統(tǒng)等都是目前地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)的前沿課題。根據(jù)地源熱泵20年來的發(fā)展趨勢，其系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展大致有如下三個方向： (1) 綜合利用熱能的趨勢。將來的地源熱泵系統(tǒng)不僅用于一般住宅、辦公用戶的供熱和制冷，更趨向于將供熱的廢棄能量(冷能)和制冷的廢棄能量(熱能)綜合利用，比如用供熱的廢棄冷能運轉(zhuǎn)冷藏庫、自動售貨機(jī)等，用制冷的廢棄熱能供應(yīng)溫室養(yǎng)殖、種植和生活熱水等。 (2) 一體化趨勢。隨著新材料和新工藝的開發(fā)，將來的地源熱泵系統(tǒng)可能將熱泵的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與地上散熱系統(tǒng)一體化，使采熱和傳熱的效率更高。 (3) 實地建造的趨勢。隨著人們對居住和生活環(huán)境要求的不斷提高，越來越多的建筑物需要常年供暖、制冷、熱水和冷藏的功能。因此，充分利用建筑物的空間和周邊的自然環(huán)境和自然能源，因地制宜地設(shè)計、制造和配套安裝相應(yīng)的地源熱泵系統(tǒng)也將是一個發(fā)展方向。 1.5 地源熱泵技術(shù)在中國的發(fā)展優(yōu)勢 1) 初期投資費用少。隨著改革開放的不斷深入，人們生活水平的不斷提高，持續(xù)的高速經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致人們對舒適生活的追求，從而使地源熱泵這項嶄新的技術(shù)在中國具有巨大的市場潛力。同時我們也要注意到，我國城市的建設(shè)步伐正在加快，每年城鎮(zhèn)新建住宅2.4億平方米。而在建設(shè)新建筑之前并入集中地源熱泵系統(tǒng)，其成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于舊建筑的改造(甚至可以低于一般空調(diào)系統(tǒng)!)，這對我們這個“嚴(yán)寒”與“寒冷”采暖區(qū)幾乎占了國土面積的70％和全國總建筑面積的50％的國家而言，節(jié)省的費用是巨大的。在美國，由于能源相對的便宜(與中國相近)，而人工費用很高，一般一個家庭的安裝費用在3000美元左右，地源熱泵仍然具很強(qiáng)的市場競爭力。而我國由于人工費用比較低，與西方發(fā)達(dá)國家相比，我國的基建費用低?；ㄙM用是地源熱泵最主要的成本增加部分。由此可見，我國與國外發(fā)達(dá)國家相比，初期投資相對要少一些。 2) 能夠提高城市環(huán)境質(zhì)量。隨著人們生活水平的提高，對生活質(zhì)量的要來越高，環(huán)保意識增強(qiáng)，人們開始認(rèn)識到高品質(zhì)的空氣是人類健康的保障。目前居民對空氣污染的關(guān)注程度越來越高，城市(包括室內(nèi))對人們生活以及身體的影響日益受到重視，在碰到身體不適的時候，很多居民開始考慮空氣因素的影響。根據(jù)《1997年中國環(huán)境狀況公報》，我國城市空氣質(zhì)量仍處于較重的污染水平。據(jù)統(tǒng)計，世界大氣污染最嚴(yán)重的10座城市中，中國就占了7席，這也從一個側(cè)面反映出我國城市空氣質(zhì)量不容樂觀，加強(qiáng)空氣治理，已經(jīng)到了刻不容緩的時候。目前我國的能源結(jié)構(gòu)中有一個最為不利的因素，即長期以來在能源的生產(chǎn)和消費中煤炭的比例占70％左右。為了徹底整治環(huán)境，減少溫室氣體排放，我國政府正在規(guī)劃改變以煤為主的能源結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。北京等城市正在考慮以電代煤的方法來解決城市污染的問題。每千瓦電能帶來3至4千瓦熱量的地源熱泵將是極具競爭力的技術(shù)。由于電力是地源熱泵的唯一動力，因此沒有燃料分散燃燒所造成的大氣污染。與此同時由于廠家密封制劑。使用過程中不泄露，不補(bǔ)充，減少了對臭氧層的破壞。分析和調(diào)查表明，地源熱泵的應(yīng)用對降低溫室效應(yīng)起了積極作用?？梢姡@項技術(shù)應(yīng)用于中國將緩解城市空氣污染問題。 3) 能夠緩解能源緊張問題。進(jìn)入新世紀(jì)，在生產(chǎn)力高速發(fā)展的條件下，人們越來越認(rèn)識到地球上的資源和能源日益匣乏。我國能源短缺是一個不爭的事實，與此同時，我國又存在能源利用率低的矛盾。據(jù)統(tǒng)計，我國總的能源利用率約為30％，這僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家90年代的水平。我國建筑耗能約占總耗能的25％，其中供熱采暖能耗約占一半。能源短缺導(dǎo)致中國的能源價格越來越接近發(fā)達(dá)國家的水平。我國要在能源每年增長率僅為3％—5％的條件下滿足國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)每年增長8％—9％，就必須重視節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)利用，這決定了我國必須在空調(diào)和取暖這一耗能大項上有所改進(jìn)。就地源熱泵技術(shù)而言，由于熱泵僅僅用來傳輸熱量，而不是產(chǎn)生熱量，所需要的熱量有70％來自于地下，夏天制冷時，用來將建筑物中的熱量傳人地下所消耗的電力也非常少，因此地源熱泵這項節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于我國可以在一定程度上緩解我國的能源壓力。 4）受到國家相關(guān)政策的支持。為了減少我國由于冬季采暖所造成的大氣污染，減低國內(nèi)現(xiàn)有制冷空調(diào)的能源消耗，尋求新的低能耗、無污染的供暖制冷空調(diào)技術(shù)，國家科技部與美國能源部分別代表兩國政府簽署了中美兩國政府地源熱泵合作協(xié)議，引進(jìn)和推廣美國先進(jìn)的地源熱泵技術(shù)。這對地源熱泵技術(shù)在中國的推廣起到巨大的推動作用。八屆人大常委會第二十八次會議審議并通過了《中華人民共和國節(jié)約能源法》，其中第三十九條將熱電冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)列入國家鼓勵發(fā)展的通用技術(shù)，這也將促進(jìn)地源熱泵事業(yè)的發(fā)展。自從我國實施《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》后，提高了建筑隔熱保溫性能，降低了建筑采暖能耗，結(jié)果是大幅度降低了地源熱泵采暖方式的年運行費用，增加了地源熱泵與集中供熱采暖方式的競爭能力。 1.6 地源熱泵技術(shù)在發(fā)展中的問題 任何一項新事物的出現(xiàn)總是要受到人們的質(zhì)疑，對于地源熱泵這項新技術(shù)同樣可能會遇到一些阻力。首先，中國有關(guān)地源熱泵的現(xiàn)成技術(shù)資料不多，還缺少這方面的設(shè)計、安裝和維護(hù)技術(shù)人員，同時，由于在中國生產(chǎn)地源熱泵相關(guān)設(shè)備的廠家少，人們對它還比較陌生，大多抱著觀望的態(tài)度，這樣的情形不利于這項技術(shù)在中國的推廣。其次，我國現(xiàn)在還沒有出臺促進(jìn)地源熱泵技術(shù)發(fā)展的相關(guān)優(yōu)惠政策，這使部分想采用地源熱泵系統(tǒng)的用戶由于看不到眼前利益而采用其它的空調(diào)系統(tǒng)。為了鼓勵用戶采用地源熱泵系統(tǒng)，我國可以提供鼓勵性補(bǔ)貼和資助給購買地源熱泵系統(tǒng)的用戶，或者采用調(diào)整能源價格的方法，使能源價格合理化，給予這些用戶一些實惠，鼓勵人們采用地源熱泵系統(tǒng)。還要說明的一點是，世界上熱泵技術(shù)比較發(fā)達(dá)的北美、北歐和中歐國家由于氣候條件基本上只用于供熱，對地源熱泵夏季制冷工況研究較少。而我國幅員遼闊，地處溫帶，冬季需供暖，夏季需供冷，而且南北地區(qū)氣象條件差異很大，同樣的建筑在不同的地區(qū)，其負(fù)荷情況可能迥然不同。因此，我們不能照搬外國的技術(shù)成果，必須投入大量的科研經(jīng)費和研究人員進(jìn)行研究，使其適合中國的氣候特點，這也在一定程度上延緩了這項技術(shù)在中國的推廣。但可以相信，地?zé)崮芫哂袕V泛的應(yīng)用前景，在不久的將來，地?zé)崮軐⒃谑澜缒茉蠢媒Y(jié)構(gòu)中占有更大的份額。隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)和對“綠色能源”的日益重視，地源熱泵系統(tǒng)技術(shù)也將得到前所未有的發(fā)展。 2 熱泵工作原理和特點 2.1 熱泵原理 熱泵，就像水泵能把低位水提升到高位一樣可以把熱從低溫端傳送到高溫端。它是一種可以實現(xiàn)蒸發(fā)器與冷凝器之間功能轉(zhuǎn)換的機(jī)械，實質(zhì)上是另一種形式的制冷機(jī)。地源熱泵（Ground source heat pump）是利用了地球表面淺層地?zé)豳Y源（通常小于400米深）作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。地源熱泵系統(tǒng)就是把傳統(tǒng)空調(diào)器的冷凝器或蒸發(fā)器直接埋入地下，使其與大地進(jìn)行熱交換，或通過中間介質(zhì)作為熱載體，并使中間介質(zhì)在封閉環(huán)路中通過大地循環(huán)流動，從而實現(xiàn)與大地進(jìn)行熱交換的目的；地上部分的空調(diào)器傳熱過程與傳統(tǒng)的HVAC一樣。地源熱泵系統(tǒng)作為一種“綠色空調(diào)”，是以大地為熱源對建筑進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。 圖2-1 地源熱泵水-水系統(tǒng)工作原理示意圖 冬天，通過熱泵將大地中的低位熱能提高品味對建筑供暖，同時存儲冷量，以備夏用；夏季，通過熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對建筑進(jìn)行供冷，同時存儲熱量， 以備冬用。這樣可保持地溫恒定，冷暖負(fù)荷平衡，從而達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的要求因此地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)可解決空氣源熱泵系統(tǒng)必需室外機(jī)及室外機(jī)對周圍環(huán)境產(chǎn)生熱污染等問題,并且冬季運行不存在結(jié)霜問題,節(jié)省了空氣源熱泵系統(tǒng)除霜所耗的電能,空調(diào)效果不受室外氣溫的影響,運行穩(wěn)定可靠,是一種國家鼓勵使用的適用于夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的節(jié)能環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)。 2.2 地源熱泵系統(tǒng)的特點 ①高效節(jié)能，穩(wěn)定可靠 地能或地表淺層地?zé)豳Y源的溫度一年四季相對穩(wěn)定，土壤與空氣溫差一般為17度，冬季比環(huán)境空氣溫度高，夏季比環(huán)境空氣溫度低，是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，這種溫度特性使得地源熱泵比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)運行效率要高40%～60%，因此要節(jié)能和節(jié)省運行費用40％～50％左右。通常地源熱泵消耗1KW的能量，用戶可以得到5kW以上的熱量或4kW以上冷量，所以我們將其稱為節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)。 ②無環(huán)境污染 地源熱泵的污染物排放，與空氣源熱泵相比，相當(dāng)于減少40％以上，與電供暖相比，相當(dāng)于減少70％以上，真正的實現(xiàn)了節(jié)能減排。 ③一機(jī)多用 地源熱泵系統(tǒng)可供暖、制冷，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。 ④維護(hù)費用低 地源熱泵系統(tǒng)運動部件要比常規(guī)系統(tǒng)少，因而減少維護(hù)，系統(tǒng)安裝在室內(nèi)，不暴露在風(fēng)雨中，也可免遭損壞，更加可靠，延長壽命。 ⑤使用壽命長 地源熱泵的地下埋管選用聚乙烯和聚丙烯塑料管，壽命可達(dá)50年。要比普通空調(diào)高35年使用壽命。 ⑥節(jié)省空間 沒有冷卻塔、鍋爐房和其它設(shè)備，省去了鍋爐房，冷卻塔占用的寶貴面積，產(chǎn)生附加經(jīng)濟(jì)效益，并改善了環(huán)境外部形象。 2.3 地源熱泵對環(huán)境的意義 建筑能耗是能源消耗的重要組成部分。目前關(guān)于我國建筑能耗通用的數(shù)據(jù)要占總能耗的27.6%,但因其統(tǒng)計方法過于粗糙,國內(nèi)目前有不同看法,認(rèn)為建筑能耗占社會總能耗的18.8%。從上面的兩個數(shù)據(jù)可以看出, 建筑物能耗是我國能耗的重要部分, 而且隨著我國新增建筑面積高速增長,以及人民生活水平提高帶來的對居住環(huán)境舒適性要求的增高,建筑能耗的比例有上升趨勢。目前節(jié)能減排是我國政府工作的重中之重,關(guān)系到我國能否持續(xù)健康穩(wěn)定發(fā)展的大問題。而且根據(jù)調(diào)查,建筑節(jié)能是目前耗能大戶中節(jié)能潛力最大的部分。所以,建筑節(jié)能進(jìn)行的好壞對于我國能否實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)具有重要意義。 為了順應(yīng)國家大力發(fā)展可再生能源的號召,當(dāng)前政府、技術(shù)研究、工程設(shè)計與安裝以及設(shè)備制造商等部門應(yīng)共同努力做好以下幾方面工作：建議國家建立專項基金 ,鼓勵地源熱泵的推廣應(yīng)用調(diào)查現(xiàn)有的地源熱泵工程,總結(jié)經(jīng)驗收集現(xiàn)有的用于地源熱泵的全國水文地質(zhì)資料,建立基本資料庫；建立專業(yè)的地源熱泵用管井設(shè)計和施工隊伍,完善地埋管換熱器的安裝和施工隊伍,適當(dāng)時候建立專項設(shè)計施工資質(zhì)管理制度；開展國家級和城市級的地源熱泵(海水源、污水源、余熱熱源)工程示范,以得到正確可靠的技術(shù)數(shù)據(jù),指導(dǎo)工程設(shè)計、安裝和運行,然后開發(fā)適合國情、因地制宜的地源熱泵機(jī)組,完善產(chǎn)品系列和規(guī)格；加強(qiáng)政府對地源熱泵工程的質(zhì)量監(jiān)管,防止一哄而起,杜絕假冒偽劣,保證地源熱泵在建筑中應(yīng)用中健康發(fā)展；開發(fā)地源熱泵和其它能源互相補(bǔ)充的技術(shù)體系,拓寬發(fā)展方向。 中國承受著世界上任何一個國家都前所未有的由于高密度人口和高速經(jīng)濟(jì)增長所帶來的環(huán)境和能源壓力。我國必須堅持走可持續(xù)發(fā)展的道路，加快城市化，特別是小城鎮(zhèn)建設(shè)的進(jìn)程。隨著人口的增長經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對居住環(huán)境質(zhì)量的提高有了更迫切的要求。為地源熱泵的發(fā)展提供了廣闊的空間。近幾年在國家發(fā)改委、財政部、科技部、原建設(shè)部等部委的支持下，國家鼓勵推廣的節(jié)能環(huán)保技術(shù)列入多項推廣計劃，從資金、稅收、貸款、補(bǔ)貼等多方位予以政策扶持。由于地源熱泵系統(tǒng)節(jié)能與環(huán)保的雙重效益，國際上將地下儲能技術(shù)和高效熱泵同時引入21世紀(jì)最有發(fā)展前途的50項新技術(shù)之中。 3 熱力計算 3.1 確定制冷系統(tǒng)的設(shè)計工況 主要指確定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)吸氣溫度和過冷溫度等工作參數(shù)。有關(guān)主要工作參數(shù)的確定參考《制冷工程設(shè)計手冊》進(jìn)行計算。 蒸發(fā)溫度：7.8℃ 冷凝溫度：50℃ 過冷度： 5℃ 過熱度：8℃ 制冷量： 7kw 制冷劑：R22 3.2 繪制壓焓圖和查狀態(tài)參數(shù) 圖3-1 制冷循環(huán)壓焓圖 4 2aa2 1 0 5 7.8℃ 3 50℃ lgp h 2s 查R22熱力性質(zhì)表和圖得: 表3-1 R22熱力性質(zhì)參數(shù)表 參數(shù) 狀態(tài)點 0 7.8 6.37 37.01 407.68 1.7394 1 15.8 6.37 38.67 413.83 1.7611 2s 75.43 19.43 13.97 442.82 1.7611 3 50 19.43 0.92 263.05 1.2076 4 45 19.43 0.90 256.26 1.1870 5 7.8 6.37 9.37 256.26 1.2005 3.3 循環(huán)的熱力計算 1）單位質(zhì)量制冷量q0、單位容積制冷量qv及單位理論工w0的計算。 kJ/kg=151.42kJ/kg ｍ3=3915.6969kJ/ｍ3 2) 制冷劑質(zhì)量流量qm的計算。 3） 壓縮機(jī)理論功率P0的計算。 壓縮機(jī)的指示功率為： 壓縮機(jī)的軸功率為： 4）制冷系數(shù)ε0及熱力完善度η的計算 卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)εc為： 故熱力完善度η為 ： 5）冷凝器熱負(fù)荷Qk的計算。 故： 4 壓縮機(jī)的選型 4.1 壓縮機(jī)熱力計算 單位質(zhì)量制冷量q0、單位容積制冷量qv及單位理論工w0的計算。 制冷劑質(zhì)量流量qm的計算： 壓縮機(jī)理論功率P0的計算： 壓縮機(jī)的指示功率為： 壓縮機(jī)的軸功率為： 實際輸氣量： ｍ3/s=0.001778ｍ3/s 輸氣系數(shù)： ?。? 壓縮機(jī)的理論輸氣量： ｍ3/s=0.001872ｍ3/s 壓縮機(jī)電機(jī)即輸入功率（電動機(jī)效率）: 4.2 壓縮機(jī)的選型 壓縮機(jī)為制冷系統(tǒng)中的核心設(shè)備，只有通過它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，把低溫低壓氣態(tài)制冷劑壓縮為高溫高壓氣體，才能保證制冷的循環(huán)進(jìn)行。在蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中，把制冷劑從低壓提升為高壓，并使制冷劑不斷循環(huán)流動，從而使系統(tǒng)不斷將內(nèi)部熱量排放到高于系統(tǒng)溫度的環(huán)境中。制冷壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的心臟，制冷系統(tǒng)通過壓縮機(jī)輸入電能，從而將熱量從低溫環(huán)境排放到高溫環(huán)境。制冷壓縮機(jī)的能效比決定整個制冷系統(tǒng)的能效比。由于環(huán)境溫度是經(jīng)常變化的，故制冷壓縮機(jī)大部分時間是處于部分負(fù)荷狀態(tài)，因此制冷壓縮機(jī)要具有能量調(diào)節(jié)。 4.2.1 往復(fù)式制冷壓縮機(jī) 往復(fù)式制冷壓縮機(jī)迄今還是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型，廣泛應(yīng)用于中、小型制冷裝置中，但由于往復(fù)式機(jī)器跟其他形式的機(jī)器相比，在可靠性、容積效率、壓力穩(wěn)定等性能方面都有所不及。所以，可以預(yù)料，除了在小冷量應(yīng)用場合，往復(fù)式壓縮機(jī)的市場份額已被其他形式的壓縮機(jī)占去了一部分。并且失去率還有擴(kuò)大的趨勢由于采取了計算機(jī)輔助設(shè)計的手段使壓縮機(jī)的設(shè)計、氣閥的改進(jìn)等方面更加合理，對其整體的性能的預(yù)料更加精確。 4.2.2 螺桿式壓縮機(jī) 螺桿式空氣壓縮機(jī)的概述： 螺桿式空氣壓縮機(jī)是噴油單級雙螺桿壓縮機(jī)，采用高效帶輪(或軸器)傳動，帶動主機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行空氣壓縮，噴油對主機(jī)壓縮腔進(jìn)行冷卻和潤滑，壓縮腔排出的空氣和油混合氣體經(jīng)過粗、精兩道分離，將壓縮空氣中的油分離出來，最后得到潔凈的壓縮空氣。 雙螺桿空氣壓縮機(jī)具有優(yōu)良的可靠性能，機(jī)組重量輕、震動小、噪聲低、操作方便、易損件少、運行效率高是其最大的優(yōu)點。 壓縮機(jī)主機(jī)工作原理： 螺桿式空氣壓縮機(jī)的核心部件是壓縮機(jī)主機(jī)，是容積式壓縮機(jī)中的一種，空氣的壓縮是靠裝置于機(jī)殼內(nèi)互相平行嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子的齒槽之容積變化而達(dá)到。轉(zhuǎn)子副在與它精密配合的機(jī)殼內(nèi)轉(zhuǎn)動使轉(zhuǎn)子齒槽之間的氣體不斷地產(chǎn)生周期性的容積變化而沿著轉(zhuǎn)子軸線，由吸入側(cè)推向排出側(cè),完成吸入、壓縮、排氣三個工作過程。因此，雙螺桿轉(zhuǎn)子的型線技術(shù)決定著螺桿式空氣壓縮機(jī)產(chǎn)品定位的檔次。 雙螺桿空壓機(jī)的工作流程：空氣通過進(jìn)氣過濾器將大氣中的灰塵或雜質(zhì)濾除后，由進(jìn)氣控制閥進(jìn)入壓縮機(jī)主機(jī)，在壓縮過程中與噴入的冷卻潤滑油混合，經(jīng)壓縮后的混合氣體從壓縮腔排入油氣分離罐，此時壓縮排出的含油氣體通過碰撞、攔截、重力作用，絕大部份的油介質(zhì)被分離下來，然后進(jìn)入油氣精分離器進(jìn)行二次分離，得到含油量很少的壓縮空氣，當(dāng)空氣被壓縮到規(guī)定的壓力值時，最小壓力閥開啟，排出壓縮空氣到冷卻器進(jìn)行冷卻，最后送入使用系統(tǒng)。 在蒸汽壓縮式制冷和熱泵系統(tǒng)中，各種類型的制冷壓縮機(jī)是決定系統(tǒng)能力大小的關(guān)鍵部件，對系統(tǒng)的運行性能、噪聲、振動、維護(hù)和使用壽命等有著直接的影響． 4.2.3 渦旋式空氣壓縮機(jī) 渦旋式空氣壓縮機(jī)是近年來開發(fā)出來的最新型的空氣壓縮機(jī)，它與傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)新穎、體積小、重量輕、噪音低，壽命長，輸氣平穩(wěn)連續(xù)，操作簡便，維護(hù)費用少等一系列優(yōu)異的技術(shù)性能，被行業(yè)內(nèi)譽(yù)為“無需維修空氣壓縮機(jī)”和“新革命空氣壓縮機(jī)”是50HP以下空氣壓縮機(jī)理想機(jī)型。 渦旋空氣壓縮機(jī)是由兩個雙函數(shù)方程型線的動、靜渦盤相互嚙合而成。在吸氣、壓縮、排氣工作過程中，靜盤固定在機(jī)架上，動盤由偏心軸驅(qū)動并由防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約，圍繞靜盤基圓中心，作很小半徑的平面轉(zhuǎn)動。氣體通過空氣濾芯吸入靜盤的外圍，隨著偏心軸旋轉(zhuǎn)，氣體在動靜盤噬合所組合的若干個月牙形壓縮腔內(nèi)被逐步壓縮，然后由靜盤中心部件的軸向孔連續(xù)排出。 渦旋空氣壓縮機(jī)的特點有：可靠性高渦旋式割據(jù)壓縮機(jī)的主機(jī)零件少，是活塞機(jī)數(shù)量的1/8，零件的大師減少是可靠性提高的關(guān)鍵要素；回轉(zhuǎn)半徑小，線速度僅為2m/s，因而磨損小,機(jī)械效率高，振動?。豢茖W(xué)控制的整機(jī)系統(tǒng)更確保穩(wěn)定性的提高；噪音最低。因無吸、排氣閥和復(fù)雜的運動機(jī)構(gòu)而消除了閥片的敲擊聲和氣流的爆破聲，使噪音急劇降低。吸、排氣連續(xù)穩(wěn)定，每分鐘6000次以上，使氣流脈動極微小1臺20HP（15KW）的渦旋式空氣壓縮機(jī)只有62dBA的噪音，使其能在任何地方安裝使用，節(jié)省大量安裝費用，更符合環(huán)保要求能耗最低。因為吸氣增壓效應(yīng)和沒有余隙容積，故渦旋式空氣壓縮機(jī)的容積效率高達(dá)98%以上。因為若干個工作腔逐漸壓縮，故相鄰工作腔的壓差非常小，因此泄露自然極少。一個壓縮過程分幾次壓縮，熱效率高。無吸、排氣閥，故進(jìn)、排氣的阻力損失幾乎為零。無運動機(jī)構(gòu)的磨擦磨損，機(jī)械效率高，這是渦旋式壓縮機(jī)比其它空氣壓縮機(jī)大大節(jié)能的主要原因。例如：（1臺20HP15KW）的渦旋式空壓機(jī)一年工作6000小時，節(jié)省電費可達(dá)18000元；維護(hù)費用最低。主機(jī)零件少，易損件更少，大幅度減少了零件更換可能性。同時更換零配件周期長，使用方便，維護(hù)工作量少，維護(hù)費用低.特點的具體表現(xiàn)：極低的噪音，比任何空壓機(jī)噪音都低，可直接放置在生產(chǎn)車間內(nèi)，對工作者極小干擾，完全省略空壓機(jī)專用機(jī)房。歷為噪音低，所以可以隨意安放在您認(rèn)為方便的地方，無需為了隔離噪音而將空壓機(jī)放置在較遠(yuǎn)的建筑物內(nèi)，這樣省下的不僅僅是建筑費用及長距離的氣管安裝費用，更可以避免噪音困擾鄰居和自身，也可以隨企業(yè)的不斷發(fā)展而隨意方便地增加壓縮空氣的供應(yīng)。（當(dāng)然要注意避開熱源和灰塵等）。噪音范圍在48－62分貝；極低的保養(yǎng)費用－保養(yǎng)費用低于任何空壓機(jī)；由于渦旋空壓機(jī)本身無易損件、機(jī)組性能優(yōu)良，自動控制可靠，故用戶只需輕輕地清掃一下機(jī)體兩側(cè)的濾網(wǎng)，按規(guī)定定時更換機(jī)油和濾芯及空氣過濾器，油精分器。您就可以放心地使用渦旋空壓機(jī)了。不必像使用其它空壓機(jī)那樣，再為隨時可能發(fā)生的易損件更換而破費（這種花費累計下來是不少的），更避免了因故障停機(jī)造成的生產(chǎn)停滯而給您帶來的經(jīng)濟(jì)損失；極低的運行費用，是公認(rèn)的最高能效比的空壓機(jī)，每年可為您節(jié)省上萬元的電費。由于原理上的優(yōu)越性，使得渦旋空壓機(jī)比活塞、螺桿、滑片等傳統(tǒng)空壓機(jī)的效率都要高，電費是空壓機(jī)運行的最大費用，以一臺2立方/min機(jī)為例，一年運行4000到5000小時，渦旋空壓機(jī)可為您節(jié)約電費一萬余元；極低的含油量，空氣純度最高，機(jī)內(nèi)的潤滑油主要是為建立一層極薄的油膜和潤滑軸承，而不像螺桿機(jī)那樣主要是為了冷卻，而活塞機(jī)完全是在燒油。故需要注入的油很少，需要的油氣分離器，過濾芯負(fù)荷也很輕，輸出的壓縮空氣含油量自然極低。極高的可靠性－號稱是無需維修的空氣壓縮機(jī) 主機(jī)零部件少，結(jié)構(gòu)新穎，吸送氣平穩(wěn)，故整機(jī)振動極小，動靜渦盤相互不接觸，整機(jī)無易損件，因此無需維修的概念具有充足的理由。 4.2.4 離心式壓縮機(jī) 離心式制冷壓縮機(jī)的構(gòu)造與工作原理：離心式制冷壓縮機(jī)的構(gòu)造和工作原理與離心式鼓風(fēng)機(jī)極為相似。但它的工作原理與活塞式壓縮機(jī)有根本的區(qū)別，它不是利用汽缸容積減小的方式來提高汽體的壓力，而是依靠動能的變化來提高汽體壓力。離心式壓縮機(jī)具有帶葉片的工作輪，當(dāng)工作輪轉(zhuǎn)動時，葉片就帶動汽體運動或者使汽體得到動能，然后使部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能從而提高汽體的壓力。這種壓縮機(jī)由于它工作時不斷地將制冷劑蒸汽吸入，又不斷地沿半徑方向被甩出去，所以稱這種型式的壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī)。其中根據(jù)壓縮機(jī)中安裝的工作輪數(shù)量的多少，分為單級式和多級式。如果只有一個工作輪，就稱為單級離心式壓縮機(jī)，如果由幾個工作輪串聯(lián)而組成，就稱為多級離心式壓縮機(jī)。在空調(diào)中，由于壓力增高較少，所以一般都是采用單級，其它方面所用的離心式制冷壓縮機(jī)大都是多級的。單級離心式制冷壓縮機(jī)的構(gòu)造主要由工作輪、擴(kuò)壓器和蝸殼等所組成，壓縮機(jī)工作時制冷劑蒸汽由吸汽口軸向進(jìn)入吸汽室，并在吸汽室的導(dǎo)流作用引導(dǎo)由蒸發(fā)器(或中間冷卻器)來的制冷劑蒸汽均勻地進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的工作輪3(工作輪也稱葉輪，它是離心式制冷壓縮機(jī)的重要部件，因為只有通過工作輪才能將能量傳給汽體)。汽體在葉片作用下，一邊跟著工作輪作高速旋轉(zhuǎn)，一邊由于受離心力的作用，在葉片槽道中作擴(kuò)壓流動，從而使汽體的壓力和速度都得到提高。由工作輪出來的汽體再進(jìn)入截面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器4(因為汽體從工作輪流出時具有較高的流速，擴(kuò)壓器便把動能部分地轉(zhuǎn)化為壓力能，從而提高汽體的壓力)。汽體流過擴(kuò)壓器時速度減小，而壓力則進(jìn)一步提高。經(jīng)擴(kuò)壓器后汽體匯集到蝸殼中，再經(jīng)排氣口引導(dǎo)至中間冷卻器或冷凝器中。 離心式制冷壓縮機(jī)的特點與特性[11]：離心式制冷壓縮機(jī)與活塞式制冷壓縮機(jī)相比較，具有下列優(yōu)點：單機(jī)制冷量大，在制冷量相同時它的體積小，占地面積少，重量較活塞式輕5～8倍；由于它沒有汽閥活塞環(huán)等易損部件，又沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，因而工作可靠、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音小、操作簡單、維護(hù)費用低；工作輪和機(jī)殼之間沒有摩擦，無需潤滑。故制冷劑蒸汽與潤滑油不接觸，從而提高了蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱性能；能經(jīng)濟(jì)方便的調(diào)節(jié)制冷量且調(diào)節(jié)的范圍較大；對制冷劑的適應(yīng)性差，一臺結(jié)構(gòu)一定的離心式制冷壓縮機(jī)只能適應(yīng)一種制冷劑；離心式壓縮機(jī)在大冷量范圍內(nèi)（大于1500kw）仍保持優(yōu)勢，這主要是受益于在這個冷量范圍內(nèi)，它具有無可比擬的系統(tǒng)總效率。離心式壓縮機(jī)的運動零件少而簡單，且其制造精度要比螺桿式壓縮機(jī)低的多，這些都帶來制造費用相對低且可靠的特點。此外，大型離心式壓縮機(jī) 如應(yīng)用在工作壓力變化范圍狹小的場合中，可以避開由喘振所帶來的問題，在不久的將來，總體和部分負(fù)荷（Integrated part lode value）將愈來愈被重視，從而要求離心式壓縮機(jī)要在較寬廣的應(yīng)用工況中工作效率高。但是，相對來講，離心式壓縮機(jī)的發(fā)展近來有所緩慢，因為受到螺桿式壓縮機(jī)和吸收式制冷機(jī)的挑戰(zhàn)，離心式壓縮機(jī)自1993年就開始根據(jù)CFCS替代的需要進(jìn)行著重新的設(shè)計，以使其熱力和氣動力性能得到更好的改善。因而已有很多離心式壓縮機(jī)的工質(zhì)替代轉(zhuǎn)向從HCFC—22置換為HFC—134方面，其制冷量范圍為90~1250kw。 根據(jù)說明書要求以及以上計算結(jié)果，查比澤爾半封閉往復(fù)式壓縮機(jī)性能表選取壓縮機(jī)： 壓縮機(jī)型號：2FC-3.2-40S，制冷量：7.87kw，輸入功率：2.64kw，排氣量：186.3kg/h 4.3 壓縮機(jī)校核 試驗工況：蒸發(fā)溫度7℃，冷凝溫度50℃，過熱度5℃，過冷度8℃ 試驗工況下的制冷量是7.3kw ,在此工況下進(jìn)行熱力計算： 單位質(zhì)量制冷量： 質(zhì)量流量： 輸氣量： 輸氣系數(shù)： 實際設(shè)計工況的制冷量為： 符合條件。 用上計的制冷量計算實際設(shè)計工況的輸氣量： 輸氣系數(shù)：與所假設(shè)的輸氣系數(shù)差距不大，符合條件。 則實際的制冷劑流量：。 4.4 制熱功率的計算 制熱工況： 土壤換熱器來水溫度：10℃；循環(huán)水回水溫度38℃ 確定蒸發(fā)溫度：由任務(wù)書知蒸發(fā)溫度為5℃。 確定冷凝溫度：由任務(wù)書得冷凝器的冷凝溫度取為54℃。 循環(huán)系統(tǒng)圖及l(fā)gp-h圖如下圖所示： 圖4-1 制熱工況的系統(tǒng)圖與壓焓圖 有蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，可以從壓焓圖上查出個點的焓值如下表： p t v h s x 點 Kpa ℃ l/kg KJ/kg KJ/kgk 0 584 5 40.29 406.71 1.7433 1 584 10 41.40 410.5 17568 2s 2127 79.27 12.70 443.78 1.7568 3’ 2127 54 10.5 417.78 1.6802 3 2127 54 0.94 268.65 1.2243 4 2127 46 0.91 257.60 1.1911 5 584 5 10.95 257.60 1.2072 0.275 進(jìn)行熱力計算： 選定的壓縮機(jī)2FC-3.2-40S，理論排氣量為186.3kg/h，取壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)為0.95. 1）壓縮機(jī)的實際輸氣量： 2）實際質(zhì)量輸氣量： 3）制冷功率： 4）2點焓值的計算： 5）總的制熱功率： 5 冷凝器的設(shè)計計算 5.1 水冷式冷凝器及分類 在這類冷凝器中，制冷劑放出的熱量被冷卻水帶走。冷卻水可以是一次性使用，也可以循環(huán)使用。水冷卻式冷凝器按其不同的結(jié)構(gòu)型式又可分為立式殼管式、臥式殼管式和套管式等多種。冷卻水可用天然水、自來水或者用經(jīng)冷卻水塔冷卻后的循環(huán)水。使用天然水冷卻水時容易使冷凝器結(jié)垢，影響傳熱效果，因此必須經(jīng)常清洗。耗水量不大的小型裝置可以用自來水冷卻。大、中型水冷式冷凝器循環(huán)水冷卻，以減少水耗。在現(xiàn)代城市中，由于生產(chǎn)發(fā)展、人口集中，水的消耗量很大，節(jié)約用水的問題應(yīng)特別重視。 （1）殼管式冷凝器 殼管式冷凝器分為立式和臥式兩大類。臥式殼管式冷凝器的基本結(jié)構(gòu)形式與殼管式蒸發(fā)器十分相似，也是由筒形外殼、管板、管束和端蓋組成。制冷劑蒸氣在管外凝結(jié)，凝液從筒底流出，冷卻水在管內(nèi)多次往返流動。在正常情況下，筒下部只有少量液體，但也有一些小型冷凝器的筒體下部不裝管束，筒底部用以儲存凝結(jié)的液體，使設(shè)備簡化。有時筒下部設(shè)有集液包，制冷劑液體由此排出，并用以集存潤滑油及機(jī)械雜質(zhì)。立式殼管式冷凝器用于大、中型氨制冷裝置，筒體直立地安裝在儲水池上。冷卻水從頂部的分水箱進(jìn)入管道后，沿壁面呈膜狀向下流動，流下的水集中下面的水池中。制冷劑蒸氣從筒體上部進(jìn)入，放出熱量后在管外凝結(jié)成液體，由底部排出。立式 殼管式冷凝器可以露天安裝，節(jié)省機(jī)房面積；也可以裝在冷卻塔下面，簡化冷卻水系統(tǒng)。與臥式殼管式冷凝器相比，立式殼管式冷凝器可以使用水質(zhì)較差的水，因為它可以在運轉(zhuǎn)時進(jìn)行清洗。但由于冷卻水不能始終沿管壁流動，且上部管壁的凝結(jié)液覆蓋下部管壁，因此傳熱系數(shù)低于臥式殼管式。 （2）套管式冷凝器 套管式冷凝器由兩根或幾根大小不同的管子組成。大管子內(nèi)套小管子，小管子可以是一根，也可以有數(shù)根，套管可以繞成螺旋型或彎成蛇管型，制冷劑蒸氣從上部進(jìn)入，凝結(jié)液從下部流出。冷卻水從下部進(jìn)入內(nèi)管，吸熱后從上部流出，制冷劑與冷卻水之間為逆流換熱。在套管式冷凝器中，制冷劑同時受到冷水及管外空氣的冷卻，因而它的傳熱效果好，但金屬的消耗較大。套管式冷凝器用于氟里昂機(jī)組時，內(nèi)管常用滾壓肋片管，這種結(jié)構(gòu)常駐機(jī)構(gòu)在水冷卻式空調(diào)柜中應(yīng)用。氨制冷機(jī)中套管式熱交換器主要用作過冷器。 （3）殼-盤管式冷凝器 它由一根或幾根盤管裝在一個殼體內(nèi)構(gòu)成。冷凝器管內(nèi)通水，管外是制冷劑。制冷劑蒸氣從頂部進(jìn)入殼體后在管外冷卻并冷凝，冷凝液匯集在殼體底部后引出。用殼-盤管式冷凝器時，不可以在系統(tǒng)中充灌過多的制冷劑，否則太多的制冷劑會減少有效傳熱面積。殼盤管式冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，適用于小型制冷裝置，主要用在氟里昂制冷系統(tǒng)中，因為氟里昂系統(tǒng)中盤管的材料為銅，容易加工。但殼-盤管式冷凝器無法機(jī)械清洗應(yīng)當(dāng)使用符合水質(zhì)要求的水，寬定期進(jìn)行化學(xué)清洗。 （4）螺旋板式冷凝器 螺旋板式冷凝器由兩個螺旋體加上頂蓋和接管構(gòu)成。兩個螺旋體形成螺旋形通道。兩種介質(zhì)在螺旋形通道內(nèi)逆向流動，一種介質(zhì)由螺旋中心流入，從周邊流出；另一種介質(zhì)由周邊流入，從中心流出。 螺旋板式冷凝器周邊處的管接頭應(yīng)切向連接。為了增強(qiáng)螺旋板的剛度，在通道內(nèi)每隔一定的距離便設(shè)有支撐。當(dāng)冷凝器承受的壓力較高時，應(yīng)在其外圍焊加強(qiáng)筋。與殼管式冷凝器比較，螺旋板式冷凝器不但體積小、重量輕，而且傳熱系數(shù)也高。根據(jù)試驗，當(dāng)工作條件及介質(zhì)流速相同時，新的氨螺旋板式冷凝器的傳熱系數(shù)比殼管式冷凝器高50%左右。 這種冷凝器的主要缺點是不適用于高壓。此外，它的內(nèi)部不易清洗和檢修，只能用軟水或低硬度的水。 由設(shè)計任務(wù)書得知，應(yīng)采用殼管式冷凝器。 5.2 參數(shù)的選擇及冷凝器換熱面積計算 冷卻水進(jìn)口溫度tw1=30℃,出口溫度tw2=35℃,則對數(shù)平均溫差： ℃ 選取管內(nèi)水速 選取管內(nèi)冷卻水污垢系數(shù) 采用套管式冷凝器和低肋管，外螺紋管，40肋/in。 每英寸40肋且為正三角形螺紋肋片,一英寸是0.0254米，所以單位長度的肋個數(shù)為個。 因為肋片為正三角形肋片，所以內(nèi)管的表面?zhèn)鳠崦娣e計算如下： 正三角形變長： m 肋高：m 管內(nèi)經(jīng)： 管外徑： 則單位內(nèi)管表面?zhèn)鳠崦娣e是： 單位管長內(nèi)表面積是： 5.3 確定內(nèi)管根數(shù) 實際循環(huán)熱力計算： 冷卻水在平均溫度在℃時，密度為，比定壓熱容，則冷卻水體積流量： 根據(jù)所選的管型m以及管內(nèi)水速，則所需內(nèi)管根數(shù)： 根 取整為1根 5.4 傳熱計算 5.4.1 計算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 水在℃時，運動粘度，因為： 故水在管內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流。考慮將套管盤成曲率半徑的螺旋盤管，盤管水側(cè)的換熱修正系數(shù)： 則水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： B——水在℃時物性集合系數(shù)：