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1、 珠海某大学学生宿舍热泵热水系统 设计学 院 机械与车辆学院专 业：姓 名：指导老师：热能与动力工程 学 号：职 称：110405021002 教授中国珠海二一五 年 五 月诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业论文珠海某大学学生宿舍热泵热水系统设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。 承诺人签名： 日期： 年 月 日珠海某大学学生宿舍热泵热水系统设计摘 要在当代伴随着人们生活质量的提高,一系列的问题接踵而来。生活水平的日益提高，人们逐渐对居住环境的要求也是越来越高。与此同时人们对能源的需求量的增大逐渐成
2、为一个话题，伴随着人们对能源需求的逐步增加,能源的供需质量与供需量的问题日益突出。节能环保,以及人们对使用能源的要求，已成为当今社会迫切的问题。当今社会的我们大量使用天然气、煤炭、石油等不可再生能源，同时在这些能源的使用时给我的环境也造成了严重的损坏，在人们对能源需求的日益增大的情况下，能源日渐枯竭，能源危机的问题也同样是人们必须严肃已待的。在日常生活中消耗能源以换取我们必须的物质。卫生热水就是我们日常生活中必不可缺的一项,随着生活水平的提高，人们对于日常所需也并不在那么吝啬。随之而来的是人们对于卫生热水需求的增加,生活卫生热水的能耗也是日益加大。那么如何降低热水系统的能耗,也成为人们日常生活
3、中的不离口的问题，也是国家节能减排、环保的问题。在科技日益发展的当今，更新换代的热水系统是通过将空气源热泵技术应用在其上，达到新一代热水系统的应用标准,空气源热泵热水系统将取代使用传统能源的热水系统。更好的节能、环保等优势及其一身空气源热泵热水系统。在追求实用的同时对能源的消耗也是干净清洁的能源，可以大大减小当代对传统能源需要的压力。本设计珠海某大学大学学生宿舍热泵热水系统选取北京理工大学珠海学院第36栋宿舍楼进行设计。通过根据舒适、实用、便于学校管理的原则，并且充分的考虑节能以及环保的要求，通过对各式多样的热水系统进行原则分析以及经济分析和节能环保分析，结合我校的第36栋学生宿舍的热水使用情
4、况，本设计采用空气源热泵热水系统，以其进行我校的第36栋学生宿舍的空气源热泵热水系统的整个设计。并对系统运行与控制方案进行合理的设计，最大限度的发挥空气源热泵系统节能的优势。关键词：节能环保；空气源热泵；热泵热水系统；生活热水；设计； 绪论 能源是人类赖以生存和经济发展的重要物质基础，丰富而多样的能源资源储备在我国，例如煤炭、石油、天然气等，但是即便如此我们的能源资源也是有限的。我国每人平均能源资源大大低于世界平均水平，根据某杂志计算表明，在2002年中国石油每人平均储量为2.9吨，仅仅达到世界平均值水平的11.6。在另一方面，能源应用的浪费以及能源应用设施的不更新换代，对于能源利用的效率很低
5、。中国社会经济的迅速发展，在迅速提高的人们生活水平下，人们对于卫生热水的需求量也是随之而增大的。在社会需求量增大的情况下，多式多样的热水器应应着时代的需求而生，其中包括电热水器、煤气热水器、太阳能热水器等，各种热水器在社会中使用的日益普及，人们在卫生热水使用的同时，并未注意到能源的浪费。当各式各样的热水器普及时，对于能源的浪费也是越来越严重。对于能源的浪费和对不可再生资源的无节制的利用，这样也是导致我国生态逐渐恶化、环境严重污染的原因之一。因此，大力开发新型能源应用设施与可再生能源的实际应用成为解决能源紧张和保护生态环境的一项前提任务。老一代的热水器对于能源的消耗和对环境破坏的缺点，已经不符合
6、人们当下时代对于节能环保的要求，对于热水器的更新换代早已迫在眉睫。 随着科学技术的发展、工艺的改进革新，推进了空气源热泵热水系统的出现，人们看到了空气源热泵热水系统的节能、环保、安全方面具的很多优点。在家庭应用制取热水和商业应用制取热水的方面，都得到了大力的发展和应用，并且具有很大的发展前景和空间。空气源热泵热水系统是继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器的新一代热水装置，是可以替代锅炉的提供生活热水设备，并且具有节能、环保的双重优点。 21世纪的校园规划追求的是生态环保型的校园，如何合理的利用可再生能源减少环境的污染，缓解能源紧张，同样成为各高校建设关注的问题。伴随着社会的发展，各高校的扩张，
7、以及学生数量的增大，传统热水器的使用将面对生活实践的考验，面对能源紧缺这一严峻的事实，另一方面人们对热水器的使用安全日益看重，需要给予学生们用水安全、用水舒适、学校便于管理的卫生热水。所以人们希望热水器既能提供生活热水，同时高效节能。在面对这种形势的情况下，我们需要全面的普及高效、节能、环保的空气源热泵热水系统。第一章 热泵热水系统的概述第一节 热泵概述1.1.1热泵简介 热泵（Heat Pump）是一种以消耗部分能量作为补偿条件使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。热泵能够把空气、土壤、水中所含的不能直接利用的热能、太阳能、工业废料等转换为可以利用的热能。根据热力学第二定律，热量是不
8、会自动从低温区向高温区传递的，必须向热泵输入一部分驱动能量才能实现这种热量的传递。热泵虽然需要消耗一定量的驱动能，但是根据热力学第一定律，所供给用户的热量却是消耗的驱动能与吸取的低位热能的综合。用户通过热泵获得的热量永远大于所消耗的驱动能，所以说热泵是一种节能装置。并且通常用于用于热泵装置的低温热源都是我们周围的介质例如空气、水（地表水、地下水、生活废水、工业废水）、土壤、太阳能。 在当今时代热泵技术是受人们关注的新能源技术.热泵技术既是一种有效的节能手段，又可以很大程度的降低对能源的消耗。根据某统计来看，在2001年的时候中国的能耗已经可以达到了3.76亿吨标准煤的标准，从能源利用的角度来看
9、热泵技术会比供水锅炉房能耗更节省。所以说相对有效省能源的技术是热泵技术。并且这项技术是一项减少大气污染的环保技术。热泵技术可以把自然界中的低温废热转变成可利用的再生热能，这就为人们指明了提高能源利用率减轻环境污染、节约矿物燃料减少温室气体排放的一条新路径。热泵技术的发展不仅与我国国民经济总体的发展和热泵本身技术改进革新发展有关，还与能源的结构与供应、环境保护与可持续的进程密切相关。1.1.2热泵分类 热泵按低位热源分类可以分为：空气源热泵系统、水源热泵系统、土壤源热泵系统、太阳能热泵系统。 热泵按低温热源所处的集合空间可以分为：大气源热泵、地源热泵。 热泵按热泵机组换热器所接触的载热介质可以分
10、为：空气/空气热泵、空气/水热泵、水/空气热泵、水/水热泵、土壤/水热泵、土壤/空气热泵。1.1.3热泵工作原理 热泵的工作原理是由压缩机经过压缩排出的高压的制冷剂蒸汽，经过换向阀后流入室内冷凝器，制冷剂蒸汽冷凝时放出的热量，将空气加热，冷凝后液态的制冷剂，反向流过节流装置进入蒸发器，吸收外界热量而蒸发，蒸发后的蒸汽经过换向阀后被压缩机吸入，完成制热循环。这样，将外界空气(或循环水)中的热量“泵”入温度较高的室内，故称为“热泵”。下图为热泵工作原理图。1.1.4空气源热泵 空气源热泵是当今世界上最先进的能源利用装置产品之一。空去源热泵机组也被称为风冷热泵机组，空气源热泵以空气、水、太阳能等为低
11、温热源，传统热水器与空气源热泵的工作原理是完全不同，空气源热泵电能的动力来源于电能，吸取热量来自于低温侧用以加热卫生用水，热水的供应通过循环系统直接将热水送入用户。第二节 空气源热泵热水系统的概述1.2.1空气源热泵热水系统的简介 空气源热泵热水系统是一种可以替代锅炉，并且不受资源限制的节能环保型热水供应系统。其本质是从自然界吸取热量，采用绿色无污染的冷煤，吸取空气中的热量，经过由蒸发器、压缩机、冷凝器、储液罐、膨胀阀等等几大部件，通过作功，生产出50度以上的生活热水，全年C.O.P值达3.0以上。并且空气源热水系统可以是达到全天候24小时大水量、高水压、恒温提供不同需要的热水系统。空气源热水
12、器可以达到消耗能源小，并且环保的完成老一代热水器的热水供需任务。 老一代的热水器：燃气热水器、太阳能热水器、电热水器等慢慢的早已满足不了人们生活中的需要，人们需要更舒适、节能、安全的热水系统。空气源热泵热水系统是新一代的热水系统，解决了当下人们对于卫生热水的需求以及缓解能源紧缺和环境损害的严肃问题，在这样的社会情势下所产生的必要产物。它是继燃气热水器、电热水器、太阳能热水器之后深受人们亲睐的热水系统。1.2.2空气源热泵热水系统的工作原理 根据空气源热泵热水系统的工作原理，就能了解到空气源热泵热水系统比电热水器、燃气热水器等更节能。 空气源热泵热水器主要由热泵装置和保温水箱组成。空气源热泵装置
13、，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置四个主要部分组成，通过让冷媒工质不断完成蒸发过程( 吸取环境中的热量)压缩过程冷凝过程（放出所吸收的热量)节流过程蒸发过程的循环，从而将环境中的热量转移到水中，达到空气源热泵热水器工作的目的。如图1.2.2-1所示。热泵在工作时，把环境介质（即空气)中储备的能量在蒸发器部件中加以吸收；它本身消耗一部分能量，这部分能量是通过压缩机的耗电；通过冷媒工质循环系统在冷凝器部件中进行放出热量，由此可以看出，热泵系统输出的能量正为压缩机部件做的功和热泵系统从环境中吸收的热量。因此，热泵技术可以节约大量的电能。 图1.2.2-1 空气源热泵热水器工作原理第三节 空气源
14、热泵热水系统的发展及特点1.3.1空气源热泵热水系统的发展 早在19世纪初随着进行中的工业革命，人们就对于是否能将热量从温度低的介质中通过某种过程泵送到温度较高的介质中这一问题产生了浓厚的兴趣，打开了空气源热泵的大门。1854年W.Thomson教授提出了热量倍增器（Heat Multiplier）的概念，首次描述了空气源热泵的设想，迈出了人类对于空气源热泵的第一步。当时人们在很长的一段时间内并没有足够的意识到空气源热泵的应用前景以及其对环境的影响，导致了空气源热泵的发展滞后。直到20世纪60年代，世界能源危机的爆发促进了这项技术的进步。各国才纷纷重视这项技术，加大对这项技术的研发，进一步的推
15、广了空气能技术。 空气源热泵热水系统在国外已经有了近20的发展历史。相对其他国家而言，我国在空气源热泵热水系统的起步比较晚，但是发展迅猛，根据国务院市场经济发展研究中心（DRC)在2006年的发布的“2006中国城市热水器市场报告”显示：空气源热泵热谁系统市场的年增长率在25%左右，未来3年有望形成每年50亿元的市场，预计这种增长势头将持续5年之久。 空气源热泵热水系统在我国备受关注，高效技能产品的出现是应时代发展的必然趋势。随着能源紧缺的问题日益引起人们的关注，消费者的消费观念也随之在改变，从起初的关注价格，到现在关注品牌、功能、能耗等方面，这样日趋理性的消费行为注定成为空气源热泵热水系统普
16、及的有利保障和支撑。通过节能环保这一基本国策，国家对这一项尤其重视，空气源热水系统的升级换代速度也明显加快，产能带动价格的竞争手段早已逐渐被削弱，新的竞争特点集中以技术进步和创新为核心。 空气源热泵热水系统巨大的市场空间吸引了以格力、美的为代表的知名品牌的加入，而在国内空气源热水系统的行业中具有稍大优势的企业都注重研发、追求技术创新，在它们的带动下国内空气源热水系统行业的技术革新将成为必然趋势。 空气源热水系统进入中国几十年，但是真正发展不过几年的时间。根据07年年末的统计表明，空气源热水系统企业大军迅猛的占领了近10个亿的市场份额，无不显示出空气源热泵热水系统的巨大潜力。在我国的南方应用广泛
17、，南方冬季气温不是很低，热泵热水的系统在冬季的效率依旧很很高。1.3.2空气源热泵热水系统的特点（1）超大水量：水箱的容量可以根据实际的需要定做，可以满足不同的需要。（2）节能环保：通过热泵技术将低温侧的热量泵送到高温侧，从空气中获取资源，消耗电能比纯粹的电加热等系统消耗小，并且可以自定热水器运行时间。无有害气体排放，干净无污染，有利于保护环境。（3）安全方便：完全的水电分离，也不会存在燃气热水器的爆炸隐患，实现自动控制，用户不必与强电接触。可以安装在任何地方，占用空间小，也可以安装在室外露天放置，可以远程监控，安装简单，无需另设机房。（4）使用寿命长，设备性能稳定，维护费用低廉。（5）使用范
18、围广，在环境温度为-1043下均能正常工作。（6）持久恒温：在使用过程中完全实现自动化运行，到达设定水温时自动停机，低于指定水温时自动开机运行，实现24小时全天候热水供应。第四节 北京理工学大学珠海学院热泵热水系统的背景和意义 本设计珠海某大学大学学生宿舍热泵热水系统选取北京理工大学珠海学院宿舍楼进行设计。北京理工大学珠海学院始建于2004，在学校逐渐发展壮大下，学校各个方面设施逐渐完备齐全。但是始建初的未更换老旧设备早已跟不上社会进步的脚步，同时老旧的设施设备也成为学校生活能源的浪费、学生生活中不便利以及安全隐患的重要问题，例如学校的学生卫生用水设施方面。经过学校的扩张招生，学生卫生用水方面
19、设施的陈旧落后问题也是日益突显出来。 学生宿舍的卫生用水是通过淋浴间的电热水器加热而来，当学生用水的高峰时段，这会给学校的电力设施带来很大的压力，宿舍基本是4个人共用一个热水器，那么可想而知，学校近2万人用热水，会给学校的电力带来很大的难题，同时这样的持久下去，会造成学校的电路老化，成为了学校日常生活工作方面很大安全隐患。并且电热水器的电源在淋浴室内，学生有时候洗澡、冲凉用水在淋浴室内，当人、电、水同处一室，那么我就该好好考虑学生的人身安全问题。当需要24小时供应的热水时，电热水器就得通电、工作24小时，否则就不会有恒温的热水供应。电热水器就得工作24小时，同时不断的加热、保温，不断的浪费电力
20、资源，加大学校的支出。宿舍基本是4人共用一个热水器，水箱的体积不足够四个人轮流的使用舒适的热水，在第二个人之后使用的就是温度不够的卫生热水，这样很影响师生的正常生活、学习，这样的热水系统给使用卫生用水带来了诸多的不便。这样的卫生热水早已不适合当今的需要，21世纪的校园规划追求的是生态环保型的校园，在这样的背景下我们进行宿舍的热泵热水系统设计，设计的热泵热水系统为空气源热泵热水系统，这样的热水系统安全、节能、环保，并且能满足人们舒适热水的需求。人们不用考虑用水时候的安全问题，不必考虑用水时自己去拔插电源，空气源热泵热水系统可以远程控制机器的运行开关，到用水前，学校可以提前运行，这样也利于学校的管
21、理，并且在时间段过后可以远程控制定时下次工作的时间，又可以大大的节约能源，缓解能源紧张，避免在不需要工作时间的资源浪费。相比较而言，这样的热水系统必然会比完全耗电的热水系统更节能、更安全，这样的热水供应系统将会满足人们对于热水的需求，以及遵循当代的节能减排任务。 第二章设计内容第一节 工程概况 北京理工大学珠海学院的36栋学生宿舍位于珠海市唐家湾，学生宿舍共7层，首层作为自行车、学生饮用水房、公共活动区域，2至6层作为学生宿舍使用。宿舍共有入住4人规格的宿舍264间，入住6人规格的宿舍12间，每个房间都配有独立的卫生间和淋浴室，并且每间宿舍供用一个淋浴器，热水系统全年向学生宿舍提供热水。楼顶摆
22、放水箱及设备机组。第二节 设计内容2.2.1设计参数 珠海冬、夏季风交替变化明显，终年气温高，偶尔有阵寒，但是冬日无严寒，夏日不酷热；年日温差较小，属南亚热带海洋性季风气候，热量充裕。冬季空气和冷水温度低于其他三个季节，珠海春季、夏季、秋季的冷水计算温度为20；珠海冬季的冷水计算温度为5；整年平均冷水温度为15；热水供水温度为55；珠海全年无霜。宿舍楼内有4人间规格宿舍264间，6人间宿舍12间，共住宿人数1128人。学生用水高峰时段为三个时段：早晨起床内1个小时；中午放学到下午上学期间的2小时30分；晚上放学到晚上封楼前期间的6小时。学生主要用水在晚间放学后。2.2.2热泵热水供应系统的设计
23、小时耗热量1.根据下式计算(全日供应热水)：Qh=KhmqrC(tr-tl)r /86400 式中：Qh热泵热水供应系统的设计小时耗热量 （W）；m用水计算单位数（人数或床位数）；qr热水用水定额 （L/人d或L/床d），根据表建筑给水排水设计规范热水用水定额2.2.1-1采用；C水的比热，C4187（J/kg）；tr热水温度，tr55（）；tl冷水温度；r热水密度 （kg/L）；Kh小时变化系数根据表2.2.1-2采用。 建筑给水排水设计规范热水用水定额2.2.1-1序号建筑名称单位最高日用水定额（L）使用时间（h）1住宅 有自备热水供应和沐浴设备 有集中热水供应和沐浴设备每人每日40806
24、0100 242别墅每人每日70100 24 3单身职工宿舍、学生宿舍、招待所、 培训中心、普通旅馆 设公用盥洗室 设公用盥洗室、淋浴室 设公用盥洗室、淋浴室、洗衣室 设单独卫生间、公用洗衣室每人每日每人每日每人每日每人每日2540406050806010024或定时供应4宾馆客房 旅客 员工 每床位每日每人每日120160405024学生宿舍的热泵热水系统设计，根据实际情况和建筑给水排水设计规范热水用水定额2.2.1-1表可取热水额定用水qr=60（L/人d） 宿舍楼热水小时变化系数K值2.2.1-2居住人数(m)100150200250300500100030006000K5.124.49
25、4.133.883.703.282.862.482.34根据表2.2.1-2可取小时变化系数Kh=2.842. 数据整理及计算：宿舍楼住宿人数1128人故M=1128人 r=0.9856kg/L（50988.1kg/m3；60983.1kg/m3 ） 宿舍小时变化系数Kh=2.84 热水用水定额qr=60（L/人d） 水的比热C4187（J/kg） 冬季的冷水温度tl=5 春、夏、秋季的冷水温度t2=20 根据Qh=KhmqrC(tr-tl)r /86400整理得出季节温度冬季春、夏、秋季平均温度/t1=5t2=15冷水进水温度/t1=5t2=20热水出水温度/t1=55t2=55温度差/T1
26、=50T2=35总设计小时耗热量/WQh1 =459027.40Qh2 =321319.18 2.2.3 用热水量计算1.根据下列方式计算，Qr=Qh/1.163(tr-tl)r 式中：Qr设计小时热水量（L/h)； Qh设计小时耗热量（W）； tr热水温度（）； tl冷水温度（）； r热水密度（kg/L）。2.数据整理及计算由2.2.1的计算可知，冬季的总设计小时耗热量Qh1=459027.40w；春、夏、秋季的总设计小时耗热量Qh2 =321319.18w；热水温度tr=55；冬季的冷水温度tl=5 春、夏、秋季的冷水温度t2=20r=0.9856kg/L（50988.1kg/m3；609
27、83.1kg/m3 ）根据Qr=Qh/1.163(tr-tl)r 整理得出 季节类别冬季春、夏、秋季设计小时耗热量Qh/(W) Qh1=459027.40 Qh2=321319.18热水温度tr()5555冷水温度tl ()520 温度差/5035热水密度r (kg/L)0.98560.9856总设计小时热水量Qr (L/h8009.208009.20由上表的计算整理可得出冬季的热水用量与春、夏、秋季的热水用量是相同的。即：Qr1=Qr2=8009.20L/h2.2.4冷热水比例计算根据Kr=（th-tl/tr-tl）100% Kl=1-Kr 进行计算 式中：Kr热水用量占混合水量的百分比；
28、Kl冷水用量占混合水量的百分比； th 混合水水温（）根据表建筑给水排水设计规范热水用水水温2.2.4-1取； tl冷水水温（）； tr热水水温（）。建筑给水排水设计规范热水用水水温2.2.4-1卫生器具名称使用水温/宿舍、招待所、培训中心有淋浴间无淋浴间37453745根据表可取th=45季节类别冬季 春、夏、秋季冷水水温tl（） 5 20热水水温tr（）5555混合水水温th（） 4545热水用量占混合水量的百分比Kr80%71%冷水用量占混合水量的百分比Kl20%29%注：按设计要求采用热水供水温水温度(热水供水设备的出口最高水温度和配水点的最低水温)。2.2.5空气源热泵热水机组选型
29、根据本设计的冬天冷热水设计要求，并且结合机组的工况进行本设计的空气源热泵热水机组选型。 本设计要求数据：冬天的热水温度tr=55； 冷水温度tl=5； 冬季设计小时耗热量Qh1 =459027.40W。 本设计选用天舒热泵机组DKFXRS-64IIB（产品参数取表2.2.5-1），其机组的额定制热量为84KW。 本设计需要的天舒热泵机组台数：台数（N）=Qh1/84KW=459.02740/846（台） 产品参数表2.2.5-1产品型号DKFXRS-64B 普通型名义工况额定输入功率W19000额定制热量W84000额定电流A36.5/34/32.8低温型名义工况额定输入功率W18300额定制
30、热量W63500额定电流A35.5/32/30.5超低温工况输入功率W16000制热量W38000电流A27/26.5/27.5电源380V/3N/50Hz最大输入功率/电流W/A29300/50额定循环水流量L/h12000机组进出水口压差KPa45制冷剂型号KgR22最高出水温度60制热水量（40温升）L/h1800外形尺寸（长*宽*高）mm208510301880防水等级IPX4防触电保护类型I机组噪声dB(A)65循环水管管径DN50管口连接丝接机器重量（约）KG820注（表）：注明表2.2.5-1中普通型名义工况、低温型名义工况、 超低温工况工作环境条件。工况 条件 普通型名义工况
31、低温型名义工况 超低温工况环境干球温度()207-12湿球温度()1516-14初始水温 () 1599终止水温()5555552.2.6 配水量的估算1. 最大小时用水量 最大小时用水量是根据使用时间、时间变化系数和最高日生活用水量进行计算，按下式进行计算：Qp=Qd/T=mqd/T Qh=KhQp式中：Qp平均小时用水量(L/h); Qd最高日生活用水量(L/d)； T用水时间； m用水单位数；m=1128 qd最高日生活用水定额； Qh最大小时生活用水量（L/h)； Kh小时变化系数。数据整理及计算：名称数据用水单位数m1128用水时间T（h）24h最高日生活用水定额60 L/(人)小时变化系数Kh2.84最大小时生活用水量Qh（t/h)8.01根据计算可知，本设计最大小时用水量Qh=8.01t/h2. 配水量估算 学生用水高峰时段分为三个时段：早晨起床后的1个小时；中午放学11点30到下午上学2点期间的2小时30分；晚上放学5点30分到晚上封楼11点30分前期间的6小时。学生主要用水在晚间放学后。所以本设计中的用水高峰期时间为9.5小时。 总配水量（Q）：Q=Qh9.5=76.10t80t。所以根据设计以及实际要求，总配水量应取80t。