【醫(yī)院住院部太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計13000字（論文）】

醫(yī)院住院部太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著常規(guī)能源日益短缺，可再生能源的開發(fā)與利用日益引人關(guān)注?？稍偕茉词侵改軌虺掷m(xù)生長而可供人類長期使用的能源，包括：太陽能、風能、海洋能、水力發(fā)電、生物質(zhì)能、地熱能、生物燃料及氫能等。其中地熱能是指地球表面淺層土壤通過吸收太陽輻射能或地球內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生衰變放出熱量等從而形成的較低品位的熱能資源。淺層土壤在一年內(nèi)溫度基本恒定，通常為18℃左右，因此，在夏季可作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源，而在冬季又可作為采暖系統(tǒng)的熱源。利用地能的主要設(shè)備就是地源熱泵。本文研究采用太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)，實現(xiàn)對濟南地區(qū)一棟建筑面積為500m2的社區(qū)醫(yī)院住院部進行供暖，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及優(yōu)化運行控制，實現(xiàn)節(jié)約能源和保護環(huán)境的目的。m2ISG20-110r/min；冷凝器側(cè)循環(huán)泵的型號為：ISG20-160，電機功率為：0.75kW2900r/min。關(guān)鍵詞：土壤源熱泵；太陽能；節(jié)能；醫(yī)院目錄TOC\o"1-3"\h\u2588摘要 太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)簡介2.1土壤源熱泵系統(tǒng)概述土壤源熱泵，是利用地下常溫土壤溫度相對穩(wěn)定的特性，通過深埋于建筑物周圍的管路系統(tǒng)與建筑物完成熱交換的裝置。該裝置以土壤作為熱源、冷源，通過高效熱泵機組向建筑物供熱或供冷。因100m的地表淺層熱能，受外界環(huán)境影響小，從而解決了空氣源熱泵和水源熱泵兩種熱泵的運行缺陷。土壤源熱泵的優(yōu)點主要在于以下幾點：資源可再生利用。這種技術(shù)利用地球表面淺層地熱資源作為冷熱源進行能量轉(zhuǎn)換，而地表淺層是一個巨大的太陽能集熱器，收集了近半的太陽能，相當于人類每年利用能量的500多倍，且不受地域、資源等限制，量大面廣且無處不在。運行費用低。土壤源熱泵系統(tǒng)的COP值一般在3-6左右，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通空調(diào)系統(tǒng)的50%-60%。占地面積小。由于換熱器埋于地下，機房占地面積小，節(jié)省空間。綠色環(huán)保。土壤源熱泵系統(tǒng)利用地球表面淺層熱資源，沒有燃燒，沒有排煙及廢棄物，綠色環(huán)保無任何污染。自動化程度高。機組內(nèi)部及機組與系統(tǒng)均可實現(xiàn)自動化控制，可根據(jù)室外溫度變化及室內(nèi)溫度要求控制機組啟停，達到最佳節(jié)能效果，同時節(jié)省了人力物力；可自主調(diào)節(jié)機組，能夠任意調(diào)機，可按需要調(diào)整供給時間及溫度，完全自主。土壤源熱泵系統(tǒng)（管換熱器的效率影響著整個系統(tǒng)的性能，其可分為水平埋管、垂直埋管和螺旋埋管。（1）水平埋管：埋深一般在1.2-3m，當項目經(jīng)費有限時，選擇水平埋管方式，節(jié)小，會隨地面溫度變化導致傳熱不穩(wěn)定，目前該系統(tǒng)大多用于采暖。100m，鉆井費用較高。2.2太陽能土壤源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)（收集太陽光（輔助供暖示。圖2-1暖，在夏季串聯(lián)運行太陽能系統(tǒng)對土壤進行補熱。就不同。（2）并聯(lián)式：循環(huán)水從熱泵流出后，分別流向并聯(lián)的太陽能集熱器和埋地管，并統(tǒng)適合于太陽能資源豐富的地區(qū)。（3）混聯(lián)式：將串聯(lián)式與并聯(lián)式相結(jié)合的一種供熱方式，包含了兩個蒸發(fā)器，能2.3太陽能土壤源熱泵技術(shù)的工作模式在實際運行中，太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)有4種供暖模式：太陽能-土壤源熱泵聯(lián)合供暖：當集熱器出口溫度大于15℃，且供暖水箱負荷出口溫度低于50℃，模式運行；集熱器出口溫度低于15℃或供暖水箱負荷出口溫度大于50℃，模式停止。土壤源熱泵單獨供暖模式：當集熱器出口溫度小于15℃，且供暖水箱負荷出口溫度小于50℃，模式運行；供暖水箱負荷出口溫度大于50℃，模式停止。太陽能采暖期補熱模式：當集熱器出口溫度大于15℃，且供暖水箱負荷出口溫度大于50℃，模式運行；集熱器出口溫度小于15℃或供暖水箱負荷出口溫度小于44℃，停止補熱。太陽能非采暖期補熱模式：當集熱器出口溫度大于15℃，模式運行；當集熱器出口溫度小于15℃，停止補熱。[16]PAGEPAGE103熱負荷計算建筑的供暖系統(tǒng)在單位時間內(nèi)向建筑物供給的熱量。冬季供暖通風系統(tǒng)的熱負荷，應(yīng)根據(jù)建筑物或房間的得失熱量確定。本建筑需要考慮的失熱量有：圍護結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量Q1;Q2；Q3對沒有裝置機械通風系統(tǒng)的建筑物，供暖系統(tǒng)的設(shè)計熱負荷可表示為：Q(3-1)式中：h——建筑物失熱量（d——建筑物得熱量（W3.1圍護結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量（修正（從室內(nèi)傳到室外（修正耗熱量是指圍護結(jié)構(gòu)的傳熱狀況發(fā)生變化對基本耗熱量進行修正的耗熱量。附加（修正）高度附加和外門附加等耗熱量。因此，在工程設(shè)計中，供暖系統(tǒng)的設(shè)計熱負荷，其計算公式為：Qj（3-2）式中：1j——圍護結(jié)構(gòu)的基本耗熱量2——冷風滲透耗熱量（3——冷風侵入耗熱量（3.1.1圍護結(jié)構(gòu)的基本耗熱量各部分圍護結(jié)構(gòu)的基本耗熱量，可按下式計算：qFtntn（3-3）式中：twn——供暖室外計算溫度（℃tn——供暖室內(nèi)計算溫度（℃q——各部分圍護結(jié)構(gòu)的基本耗熱量（K——圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K；F——圍護結(jié)構(gòu)的面積（——圍護結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)。整個建筑或房間的基本耗熱量等于它的圍護結(jié)構(gòu)各部分基本耗熱量的總和，其計算公式為：1jqFtntn（3-4）式中：室內(nèi)計算溫度tn室外計算溫度twn溫差修正系數(shù)值：1；K值。K值（1）墻的傳熱系數(shù)內(nèi)墻厚度：180mm；外墻從外到內(nèi)結(jié)構(gòu)依次為20mm厚專用飾面砂漿與涂料，100mm厚的膨脹聚苯板，360mm厚的燒結(jié)多孔磚，20mm厚的石灰、水泥、砂、砂漿。查相關(guān)手冊得：圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)8.7W/(m2K)，外表面換熱系數(shù)23W/(m2K)，砂漿導熱系數(shù)0.29W/(mK)，膨脹聚苯板導熱系數(shù)0.041W/(mK)，燒結(jié)多孔磚導熱系數(shù)0.58W/(mK)，石灰、水泥、砂、砂漿導熱系數(shù)0.87W/(mK)。根據(jù)公式：K1/R0（3-5）K=0.3W/(m2K)。外窗的傳熱系數(shù)外窗均為雙層塑鋼窗，查設(shè)計手冊，傳熱系數(shù)K=2.4W/(m2K)。屋頂?shù)膫鳠嵯禂?shù)屋頂從上到下結(jié)構(gòu)依次為40mm厚的水泥砂漿10mm厚的防水層，20mm厚的水泥砂漿，70mm厚的保溫砂漿，200mm厚的膨脹聚苯板，100mm厚的鋼筋混凝土，20mm厚的白灰砂漿。查閱得傳熱系數(shù)依次為：0.23W/(mK)；0.085W/(mK)；0.23W/(mK)；0.07W/(mK)；0.041W/(mK)；1.74W/(mK)；0.87W/(mK)。將數(shù)據(jù)代入公式得：K=0.165W/(m2K)。地面的傳熱系數(shù)濟南地區(qū)采用貼土保溫地面；查表得第一地帶地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)限值為0.3W/(mK)，須作保溫處理，選用100mm保溫砂漿，求得K1=0.3W/m2K)。1.面積丈量原則外墻面積的丈量：高度從本層地面算到上層的地面。對平屋頂?shù)慕ㄖ铮铐攲拥恼闪渴菑淖铐攲拥牡孛娴狡轿蓓數(shù)耐獗砻娴母叨?。外墻的平面尺寸，?yīng)按建筑物外廓尺寸計算。兩相鄰房間以內(nèi)墻中線為分界線。門、窗面積的丈量：按外墻外面上的凈空尺寸計算。地面面積的丈量：按建筑物外墻以內(nèi)的內(nèi)廓尺寸計算。屋頂面積的丈量：按建筑物外廓尺寸計算。2.以病房1為例西外墻：高3.5m，寬4m，面積=3.5×4=14m2南外窗：高1.5m，寬2m，面積=1.5×2=3m2南外墻：高3.5m，寬4m，面積=3.5×4-3=11m2第一地帶：3.41×2+3.41×2-2×2=9.64m2第二地帶：1.41×1.41=1.99m2將以上數(shù)據(jù)代入式3-4中求得其基本耗熱量1j63+49.5+108+52.34+36.96=312.8W修正耗熱量稱為圍護結(jié)構(gòu)的附加（修正）率進行修正。附加（修正）耗熱量有朝向附加、風力附加和高度附加耗熱量。1.朝向附加耗熱量朝向附加耗熱量是考慮建筑物受太陽照射影響而對維護結(jié)構(gòu)基本耗熱量的修正。需要修正的耗熱量等于垂直的外圍護結(jié)構(gòu)（門、窗、外墻及屋頂?shù)拇怪辈糠郑┑幕竞臒崃砍艘韵鄳?yīng)的朝向修正率。查《民建暖通空調(diào)規(guī)范》，得到濟南不同朝向的修正率：北、西北、東北：10%西、東：-5%西南、東南：-10%南：-20%2.風力附加耗熱量4m/s我國大部分地區(qū)冬季平均風速一般為2-3m/s濟南冬季室外平均風速為2.7m/s，因此，不必考慮風力附加。3.高度附加耗熱量高度附加耗熱量是考慮房屋高度對圍護結(jié)構(gòu)耗熱量的影響而附加的耗熱量。（除樓梯間外的圍護結(jié)構(gòu)高度附加率，4m1m15%。（修正）耗熱量的總和上。因本建筑層高為3.4m小于4m，故不考慮高度附加。量可用下式綜合表示：j1xgKFtntwn1hxf（3-6）式中：——朝向修正率；xf——風力附加率；xg——高度附加率；將數(shù)據(jù)代入式（3-6）得：278.3W故病房1圍護結(jié)構(gòu)的總耗熱量Q1278.3W。3.2冷風滲透耗熱量（中空氣之間的密度差形成的熱壓以及風吹過建筑物時在門窗兩側(cè)形成根據(jù)冷風浸透耗熱量公式縫隙法：2cpnLtntn（3-7）LL0ln（3-8）式中：n——供暖室外計算溫度下的空氣密度(kg/m3)，取1.439；twn——供暖室外計算溫度（℃2——由門窗縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量cpcP1.00[kJ/kgK]；tn——供暖室內(nèi)計算溫度（℃L——滲透空氣量（/——不同類型門窗、不同風速下每米縫隙滲入的空氣,3.1驗數(shù)據(jù)采用；l——門窗縫隙的計算長度（mn——滲透空氣量的朝向修正系數(shù)，見表3.2。表3.1每米門、窗縫隙滲入的空氣量L0冬季室外平均風速/（m/s）123456單層木窗123.14.35.56.7雙層木窗0.71.42.233.94.7單層鋼窗0.61.52.63.95.26.7雙層鋼窗0.41.11.82.73.64.7推拉鋁窗0.20.511.62.32.9平開鋁窗00.10.30.40.60.8表3.2濟南滲透空氣量的朝向修正系數(shù)n方向n值北0.45東北0.15東0.2東南0.7南0.55西南0.85西0.7西北0.6下面以病房1為例，計算房間的冷風滲透耗熱量：南外窗縫隙計算長度l221.5236.25m；查表得當?shù)囟臼彝怙L速下每米縫隙空氣滲透量L0為1.8；查表得南向修正系數(shù)為0.55。代入式3-8得：L=11.25m。代入式子3-7得：Q2=37.4W。將基本耗熱量與冷風滲透耗熱量代入式（3-2）得熱負荷Q=37.4+278.3=315.7W。3.3冷風侵入耗熱量冷風侵入耗熱量是考慮建筑物外門開啟時侵入冷空氣導致耗熱量增大，而對外門基本耗熱量的修正。QmNQ1jm（3-9）式中：jm——外門的基本耗熱量；N——冷風侵入的外門附加率，按表3.3采用。表3.3外門附加率外門布置狀況附加率一道門65%×n兩道門80%×n三道門（有兩個門斗）60×n公共建筑和工業(yè)建筑的主要出入口500×n注：n為建筑物的樓層數(shù)代入計算冷風侵入耗熱量：Qm209.7×500%×2=2097W3.4總熱負荷將各個房間區(qū)域耗熱量加起來求得住院部的總熱負荷：Q總7387.64W單位面積的耗熱量：qQ總=14.76W/m2S

4系統(tǒng)設(shè)備選型計算4.1熱泵機組功率計算kW由熱平衡原理可知：地埋管換熱器換熱量+熱泵機組耗電量=熱泵機組制熱（不計熱損失為：1WP=7.388/（1-10%）=8.209KW，查找文獻得濟南地區(qū)熱泵機組能效比COP為5，則熱泵的輸入功率:=7.388/5=1.642KW。(4-1)4.2地埋管換熱器設(shè)計影響著整個系統(tǒng)的性能。U型埋管敷設(shè)方式。U5mW/m，則：W=P=8.209-1.642=6.57KW；(4-2)那么總孔深為：W/30=219m(4-3)鉆孔數(shù)目為：219/100=2.19個（4-4）40-50PE100??484，流通介質(zhì)為濃度為30%5m圖4-1地埋管換熱器連接方式4.3太陽能集熱器設(shè)計濟南地處山東省，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。其特點是季風明顯，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季較為清爽，冬季干燥寒冷。年平均氣溫14.3℃，年平均降水量660.7毫米。能集熱器吸收太陽輻射，及時向土壤排放熱量，實現(xiàn)土壤的熱平衡。熱器包括全玻璃真空管型太陽能集熱器、玻璃-金屬結(jié)構(gòu)真空管型集熱器；全玻U集熱器和熱管式集熱器三種。這里選用熱管式真空管太陽能集熱器。年太陽能集熱系統(tǒng)向土壤排放的熱量進行計算：AcQH/JTcd1L（4-5）式中：cd——平均集熱效率，取0.60；A——太陽能集熱器總面積，(m2)；QH——供暖期地埋管換熱器從土壤中吸收的熱量，(J/年)；J——太陽能集熱器采光面上年平均太陽輻射量，[J/(m2年)]；L——管路熱損失率，取0.15。濟南供暖期為120天左右，每日平均供暖10小時，查資料可知，濟南年平均太陽輻射量為1.8×108J/(m2年)，代入式中可算得：Ac=11.274m2。集熱器主要由聯(lián)箱、集熱管、支座等組成。采用先串聯(lián)在并聯(lián)的連接方式，目的是在提高換熱效率的同時減小阻抗的損耗。相鄰二個集熱器之間的距離不要太大，串聯(lián)距離取為300mm。綜合分析選用浙江金普森新能源科技有限公司的太陽能集熱器。產(chǎn)品的具體型號如表4.1所示。表4.1太陽能集熱器型號技術(shù)參數(shù)集熱器尺寸產(chǎn)品型號集熱管規(guī)格集熱管數(shù)量（根）集熱面積（m2）自重（kg）工作壓力（Pa）LWHJPS-JA100HP-16?102×20001641000.621501960150+10°°3000mm。4.4熱泵機組及附屬設(shè)備的選型計算知熱泵輸入功率1.64kW，查地源熱泵參數(shù)表，取熱泵機組的機型為LSHP26，具體參數(shù)如下表4.2所示。表4.2LSHP26熱泵機組參數(shù)制熱工況輸入功率（kW）7.34制熱量（kW）26.424冷凝器進出水管規(guī)格DN40制熱工況水循環(huán)量（m3/h）5.55蒸發(fā)器進出水管規(guī)格DN40制熱工況水循環(huán)量（m3/h）4.29機組重量（kg）160機組外形尺寸長（mm）1260寬（mm）845高（mm）1050（1）蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)泵1.循環(huán)介質(zhì)流量計算：每小時的總流量根據(jù)下式計算：G=3.6Q/C（TG-TH）（4-6）式中：TGTHG（/Q（C——循環(huán)介質(zhì)的比熱，[kJ/(kgK)]。取地埋管尺寸為濃度下的乙二醇水溶液密度為1054.31kg/m3，比熱為3.56kJ/kg，采暖熱負荷為7.39kW4℃，量??=2.3m3/h。0.8Qm3/h2.循環(huán)泵的參數(shù)確定：m3/h；ttt3.0℃；管徑：d126mm,d240.8mm；管道長度：，PdPS0。3.地埋管并聯(lián)水頭損失hf1每個支路流量為：3/3=1m3/h；流速v1為：4Q/d=0.52m/s；（4-7）雷諾數(shù)：Re1=v1d1-/v=4.2×103（4-8）當4000<Re<105時，此時處于紊流光滑區(qū)，用布拉修斯公式：10.3164Re0.250.04（4-9）hf1Lv2/d12g=4.2（4-10）4.連接管沿程水頭損失hf2Q=3m/d則雷諾數(shù)=7.9×103當4000<Re<105時，此時處于紊流光滑區(qū)，用布拉修斯公式：20.3164Re0.250.034；則沿程水頭損失：hf2Lv2/d22g=0.44m5.局部阻力損失hf3的計算：強，但是出口的阻力應(yīng)該和截面的選擇有關(guān)。通管，這樣可計算出整個管線上的局部阻力損失。由于局部阻力損失系數(shù)是局部形狀、幾何尺寸以及管道雷諾數(shù)的函數(shù)，具體局部阻力損失系數(shù)如表4.3所示。表4.3局部阻力損失系數(shù)名 稱數(shù) 量個）單項阻力系數(shù)標準彎頭90°10（主管）0Y形過濾器1（主管）.0止回閥（搖板式）1（主管）.0閘閥（全開）6（主管）.7水表2（主管）.0流量調(diào)節(jié)閥1（主管）.5標準三通管2（埋地管）、2（太陽能）5hf3v2/2g（4-11）hf3=v2/2g=11022270.1760.51.540.642/19.6=0.74m設(shè)備阻力損失hf4的計算：由于泵系統(tǒng)設(shè)備存在阻力損失，按照經(jīng)驗值，取此損失為hf4=0.7m7.循環(huán)泵揚程的計算：根據(jù)揚程公式：hDShf1hf2hf3hf4PdPS（4-12）式中：d、S——容器內(nèi)操作壓力（）液柱（表壓；取值：以表壓正負為準；hf1（；hf2（；hf3（hf4（；D（取值：高于泵入口中心線：為正；低于泵入口中心線：為負；S（取值：高于泵入口中心線：為正；低于泵入口中心線：為負；h（代入數(shù)據(jù)：D-S=0，hf14.2hf20.44m，hf30.74m，hf4=0.7m，取修正系數(shù)為1.2，則：h01.2h7.3m根據(jù)上述所得流量和揚程可選泵為：ISG20-110，流量為3.3m3/h，揚程為13.5m，電機功率為0.37kW，轉(zhuǎn)速為2800r/min。冷凝器側(cè)循環(huán)泵1.循環(huán)水流量計算：（4-6Q1.583h，考慮損失后，量為1.98m3/h。2.熱水循環(huán)泵的設(shè)計參數(shù)確定：Q1.98m3/h；t48℃；t4.0℃；d23.地暖管沿程水頭損失hf1每個支路流量為：Q=1.98/4=0.5m3/h；流速為：v14d1.75m（4-13）查表得45℃時水的運動粘滯系數(shù)v0.602106m2/s；雷諾數(shù)：Re1=v1d1-/v=58×103（4-14）當4000<Re<105時，此時處于紊流光滑區(qū)，用布拉修斯公式：10.3164Re0.250.02；（4-15）hf1Lv2d12g=18.8m（4-16）4.沿程水頭損失hf2沿程流量為：Q=1.98/2=0.99m3/h；流速為：v14d0.2m（4-17）雷諾數(shù)Re2v2d2-/=14×103（4-18）4000Re2<10520.3164Re0.250.029；（4-19）hf2Lv2d22g0.04m（4-20）5.局部阻力損失hf3的計算：表4.4局部阻力損失系數(shù)名 稱數(shù) 量個）單項阻力系數(shù)標準彎頭90°100流量調(diào)節(jié)閥1.0止回閥（搖板式）2.0水表1.0閘閥（全開）14.7標準三通管60hf3v2/2g（4-21）hf3v2/2g=11040.570.17141.560.22/19.6=0.07m6.設(shè)備阻力損失hf4的計算：由于換熱器和冷凝器都存在損失，則hf44m。7.代入數(shù)據(jù)，取修正系數(shù)1.2，則揚程損失為：h0=1.2h=22.91m根據(jù)流量和揚程，選擇立式單級離心泵。循環(huán)泵的型號為：ISG20-160，m3/hm0.75kW，轉(zhuǎn)速2900r/min。

結(jié)論通過給定參數(shù)的計算，完成了熱負荷計算以及熱泵的選型。總熱負荷為7387.64W，單位面積的耗熱量為14.76W/m2。地埋管換熱器采用垂直單U型埋管敷設(shè)方式，并聯(lián)布置，地下孔徑確定為200mm，鉆孔數(shù)目為3，埋地管材料為PE100??484，流通介質(zhì)為濃度為30%5m選用浙江金普森新能源科技公司熱管式真空管太陽能集熱器，總集熱面積為11.247m2，采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式，目的在于提高換熱效率以及減小阻抗的損耗，串聯(lián)距離為300mm，集熱器數(shù)量3。熱泵機組輸入功率1.71KW，選用熱泵機組機型為LSHP26，COP值為5，地下土壤溫度為14oC蒸發(fā)器側(cè)循環(huán)泵選用泵型號為ISG20-110，流量為3.3m3/h，揚程為13.5m，電機功率為0.37kW，轉(zhuǎn)速為2800r/min。冷凝器側(cè)循環(huán)泵選用泵型號為ISG20-160，m3/hm0.75kW，轉(zhuǎn)速2900r/min。

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