地源热泵散热系统

地源热泵散热系统（精选3篇）

地源热泵散热系统 第1篇

热泵是一种高效制热装置, 以压缩机消耗少量电能为代价, 由蒸发器吸收大量低温热能并升温后由冷凝器排出而为用户供热[1]。热泵的能量平衡如图1所示。

由图1可得:

(1)

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式中:QC热泵的制热量, W;QE蒸发器从低温热源的吸热量, W;W压缩机功率, W;QD压缩机的散热量, W;COP热泵的制热性能系数。

热泵压缩机的散热量QD是指由压缩机表面通过对流和辐射散失到环境中的热量。压缩机的表面温度越高、空气流过压缩机表面的速度越高、压缩机表面积越大则压缩机的散热量越大。

以某热泵为例, 其压缩机功率为700W, 全封闭压缩机近似为圆柱体, 直径为0.15m, 高度0.35m;压缩机表面温度约为100℃, 空气由风机强制吹过压缩机表面时, 则压缩机的散热量QD可估算如下。

通过对流换热散失的热量近似为:

通过辐射换热散失的热量近似为:

(5)

式中:Qcon压缩机的对流散热量, W;α空气吹过压缩机表面的对流换热系数, W/ (m2℃) ;F压缩机的表面积, m2;tcom压缩机表面的温度, ℃;tenv环境温度, ℃;Qrad压缩机的辐射散热量, W;σb黑体辐射常数, W/ (m2K4) ;Tcom压缩机表面的温度, K;Tenv环境温度, K。

由上述数据可见, 由于压缩机散热导致的热泵COP降低幅度约为:

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通过回收压缩机散热可使热泵的COP获得明显提高。本文以采用封闭式压缩机的小型热泵为例, 给出回收热泵压缩机散热的几种技术方案。

2 利用待加热的低温气体回收热泵压缩机散热

以热泵干燥装置[2]为例, 其原理如图2所示。

由图2可知, 出干燥室的废气经蒸发器除去其中的水分后变为低温冷空气, 先经压缩机表面吸收压缩机表面散出的热量被初步加热, 再经冷凝器加热到规定温度的热空气进入干燥室用于干燥物料。该方案中不但压缩机的散热被全部回收利用, 而且由于出蒸发器的冷空气温度较低、速度较高, 压缩机可得到较充分的冷却, 有利于提高其寿命和可靠性。

3 利用待加热的低温液体回收热泵压缩机散热

以热泵热水器为例, 其原理示意如图3所示。

自来水先进入压缩机外部的水套, 吸收压缩机散热后被预热, 进入热水箱被冷凝器加热为满足用户要求的热水。

4 采用低温热泵工质喷液方法回收热泵压缩机散热

采用低温热泵工质喷液方法回收压缩机散热的原理示意如图4所示。

从冷凝器出来的高压热泵工质液体, 经喷液阀后闪蒸产生低温低压热泵工质液体, 进入封闭式压缩机内部并经喷头喷在压缩机的工作部件 (压缩机头和电动机) 表面上, 吸收工作部件产生的热量, 并使压缩机的温度得到大幅度降低。热泵工质液体则吸热气化, 并与来自蒸发器的气态热泵工质混合后, 一同被压缩机压缩为高压气体进入冷凝器, 将热量排放给热用户。

此外, 当压缩机的结构型式允许时 (如螺杆式压缩机[3]等) , 也可直接将热泵工质液体喷入压缩机的工作腔内部, 效果更好。

5 采用特定性质的热泵工质降低热泵压缩机温度

不同热泵工质的理论循环在T (温度) -s (熵) 图上的变化如图5、图6所示。

由图5普通热泵工质的理论循环可见, 压缩过程1-2完全在过热区进行, 且压缩过程结束点2距饱和气线很远, 从而使其具有很大的过热度[4]。当采用图6所示的具有特定性质的热泵工质时, 压缩过程1-2基本贴近饱和气线进行, 使压缩机中被压缩的热泵工质的温度始终接近相应压力下热泵工质的饱和温度, 在相同的供热温度下, 可使压缩机的工作温度得以明显降低。由式 (3) 和式 (4) 可知, 压缩机的散热量也可得以大幅度减少。

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该方案不需对热泵系统 (包括压缩机) 进行改动, 具有特定性质的热泵工质可为纯工质, 也可为混合工质[5]。

6 结论

热泵的制热性能系数COP一般在3～5, 回收热泵压缩机的散热可使其COP提高至3.7～5.7, 提高幅度达15%～25%。本文给出的4种回收热泵压缩机散热的方案中, 前两种需结合具体的工艺过程 (即低温气体或液体需加热) , 后两种则具有通用性, 尤其是最后一种方案, 在实际应用中可不需对热泵及其压缩机进行改动即可降低压缩机的压缩过程温度、减小其热量损失。

采用低温热泵工质喷液方法回收热泵压缩机散热的方案在具体实施时, 应使喷液阀后热泵工质液体的压力与蒸发器中热泵工质的压力相近, 以防止热泵工质在压缩机内吸热过程中产生的蒸气对蒸发器内热泵工质的流动产生干扰。

摘要：介绍回收热泵压缩机散热的4种技术方案:利用待加热的低温气体吹过压缩机表面, 利用待加热的低温液体流过压缩机表面的换热器, 利用低温热泵工质液体喷入压缩机内部的工作部件表面, 利用特定性质的热泵工质降低压缩过程中热泵工质的温度。对各方案的实施方法进行了分析与探讨。

关键词：热泵,压缩机,热回收

参考文献

[1]陈东, 谢继红.热泵技术及其应用[M].北京:化学工业出版社, 2006.

[2]陈东, 谢继红.热泵干燥装置[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[3]董天禄.离心式/螺杆式制冷机组及应用[M].北京:机械工业出版社, 2001.

[4]吴业正.制冷原理与设备 (第二版) [M].西安:西安交通大学出版社, 1997.

地源热泵系统调研报告 第2篇

根据李总指示，设计院相关人员参加调研，实地了解无锡太湖半岛国际广场地源热泵系统，听取了精力能源科技公司(鸿意房产下属公司）谢副总经理和朱助理对该系统技术、安装、运行和投资等方面问题的介绍，同时就我公司新大楼地源热泵系统的前期运作进行了沟通，具体报告如下：

一、调研情况

1、地源热泵系统技术简介

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源，既能供热又能制冷的高效节能环保型空调系统，该系统可分为地能换热系统、地源热泵机组、室内空调末端系统三个部分，地源热泵机组的运行靠少量的电力驱动，它的工作原理是通过向机房系统内的热泵机组输入一定电能驱动压缩机做功，使机组中的介质反复蒸发吸热和冷凝放热的物理相变过程，从而将地源系统中的能量提取和传导到用户系统，实现空间上的热量交换和传导转移。在冬季，把土壤中的热量“取”出来，提高温度后供给室内用于取暖；在夏季，把室内的热量“取”出来，释放到土壤中去，并且常年能保证土壤中能量的均衡。

地源热泵系统虽然初期投资高于其他空调系统，但由于地源属于可再生能

源，1KW的驱动电能，能产生4KW的热量，节能大大优于一般空调系统，也优于水源热泵系统，具有环保、节能、运行费用低、维护费用少、一机多用、操控安全、空气品质好的优点。

2、无锡太湖半岛国际广场地源热泵系统介绍

由鸿意房产开发的五星级无锡太湖半岛国际广场和酒店，2006年开工，该广场集商铺、办公、餐厅、会议等为一体化多功能国际城，酒店建筑面积59000m2 ,空调面积为45000 m2；商场建筑面积160000 m2,空调面积为60000 m2，采用地源热泵系统进行夏季供冷，冬季供暖。目前由于酒店未投用，因此酒店部分的地源热泵也未投入使用，商场地源热泵采用两台771KW离心泵机组和两台195KW螺杆泵机组,机组安装在大楼底层，为方便安装和将来更新，在底层设置了吊装通道，国际广场目前投用的是一台离心泵机组，用户反映运行效能和可靠性较高、故障率较低，具有使用寿命长、不受水源限制的优点，目前生产的地源热泵机组使用年限在20年左右。地能换热管采用的是PE100、PE63、PE25管，PE管具有承压性能高、耐腐蚀、耐磨性好、水流阻力小、可挠性好等特点，使用年限可达50年，地能管除大楼基础下90米预埋部分双U形外，在大楼周围路面和草坪下90米都预埋了双U形管，共计埋管817根。该系统除供热和制冷外，还提供生活用热水，从效能使用角度看，特别适合使用在宾馆。

该地源热泵系统由鸿意房产下属精力能源科技公司实施，系统目前运行良好，由于系统是8月底投运，效能还待考验。精力能源科技公司有空调节能技术应用的经验，具备施工总承包的能力，同时有同济大学空调节能专家教授的技术支撑。

3、安装和施工

地源热泵系统的安装和大楼基础同步实施，中间有交叉施工，因此，计划性较强，地源换热系统从打孔到埋设时间大约需要两个月时间，如果进行合理安排，大楼土建施工不会受到太大影响。

4、初始投资和运行成本分析

4.1太湖半岛酒店地源热泵系统投资情况

太湖半岛酒店地源热泵系统初期计划投资700多万，地能换热已埋设好，但由于酒店功能发生改变，地源热泵也因此一直未到位，公司于是将酒店地能换热系统引到国际广场使用，另外为国际广场购置了四台地源热泵机组，771KW离心泵机组的费用大约在170万/台，195KW螺杆泵机组的费用大约在100万/台。根据精力能源科技公司的经验分析，按空调面积计算，地源热泵的投资费用每平方大约在200-330元，而地能换热系统、地源热泵机组、室内空调末端系统三个部分资金比例大约在1:1:1。

4.2初始投资成本分析比较

根据目前各类中央空调的市场分析，初始投资差别较大，大致价格如下：

1）VRV家用中央空调：220元/m2

2）热力+冷水机组空调系统：170元/m2

3）土壤地源热泵系统：200-330元/m2

地源热泵系统中的地能换热系统是地源热泵系统的核心技术部分，与其他空调系统相比，这也是额外增加的部分，包括钻井、回填、埋管等的材料、安装与施工等费用较高，因此土壤地源热泵初始投资成本最高，由于设备和PE材料选型，投资额也不同，新大楼和老大楼总投资初步测算在800万-1000万左右。

4.3系统运行成本费用分析比较

根据经验分析，各类中央空调的运行成本费用差别也较大，冬、夏季采暖费用大致价格分别如下：

1）VRV家用中央空调：40元/m2，40元/m

22）热力+冷水机组空调系统：35元/m2，45元/m2

3）土壤地源热泵系统：20元/m2,30元/m2

由上述统计数字可以分析，地源热泵系统运行成本最省，这还没有包括该

系统能够提高的生活热水，加上生活热水费用摊铺，土壤地源热泵系统冬夏季运行费用分别为15元/m2、25元/m2。

如果按照老大楼10000m2空调面积（以建筑面积的80%）所需的运行成本测

算，目前溴化锂空调制冷系统每小时平均大约消耗4吨低压蒸汽、120KW电能，每天运行10小时，每年运行180-200天，所需成本大约90万。按节能40%测算，使用地能换热技术，老大楼全年可节约费用36万元。

如果按照新大楼和老大楼40000m2空调面积（以建筑面积的80%）所需的运

行成本测算，所需成本大约200万，相比目前的热力+冷水机组空调系统，每年可节约120万，这还不包括系统产生的生活热水所节省费用(大约100万)。

因此，地源热泵系统的初始投资相比较而言是高的，但系统投运后的运行成本大大降低，且不需增加额外的人工成本，维护费用较低。

二、关于我公司新大楼和老大楼地源热泵系统初步规划

为保证我公司新大楼地源热泵系统的合理投资，同时要综合考虑现有办公大楼的使用，更要考虑将来（如5-10年后）因本区域发展的需要，现办公大楼以及新大楼作为商用的可能性，我们认为从以下几个方面考虑投资和运行方案实施：

1、尽快对本施工区域进行打孔测试，确定打孔深度，为确定技术方案提供数据。

2、尽快确定新大楼、老大楼近期和远期的功能性规划，以确定两个大楼近期和远期可能需要的空调面积。

3、按照远期需要的空调面积，确定地能换热系统部分的设计，从而进一步确定实际需要钻井数，防止钻井数过少，影响运行效能，过多则增加不必要钻井费用。

4、按照近期和远期需要的空调面积，分别确定地源热泵机组容量和数量。机组先按近期需要空调面积投资，留出安装空间，一旦远期商用成为可能，再增加相应的地源热泵机组。这样有利于合理调配，避免大马拉小车。

5、按照远期规划，确定生活热水最大用量，同时考虑太阳能综合利用的合理性。

6、由精力能源科技公司实施总承包，设计院提供大楼功能性基础数据，我公司确认，精力能源尽快提出技术方案，我公司组织审核，方案通过后尽快组织合同评审，同时落实施工方案，保证和大楼土建施工同步。

三、政策利用

由于土壤地源热泵系统属于可再生能源利用项目，国家和江苏省有这方面的政策支持和引导，可能会有项目贷款免息、财政补贴或奖励措施等，我们希望作为地源热泵系统技术支撑和总承包单位，精力科技能够协助我公司咨询相关政策并办理相关手续，以充分利用政策，降低投资费用。

总之，我们认为利用地能换热技术的土壤地源热泵系统是成熟的，也是可

行的，将大大降低大楼办公运行成本，从长远发展考虑，更将具有深远战略意义。

商用建筑地源热泵系统设计探讨 第3篇

关键词：暖通工程;地源热泵;系统设计

一、工程概况

某建筑工程为4层的实验大楼，建筑面积8000㎡。本项目由于场地有限，采用垂直埋管形式的进行地源热泵系统设计，埋于建筑物底下。主机的选择上考虑采用余热回收式地源热泵机组和闭式冷却塔的组合。设备的选型考虑将在下文中阐述。

二、设计要点

（一）地下换热器的设计

地埋管设计计算一般是通过专用软件完成，这是由于地下换热过程存在复杂性，为了节约埋管费用，对埋管数量要做到准确计算，另一方面地埋管设计需要预测随建筑负荷的变化埋管换热器逐时热响应情况及岩土体长期温度变换情况。

那如果没有购买国外专用软件，应如何就算埋管的数量和埋管深度呢？以本工程为例：在地源热泵系统方案设计前，应进行工程场地状况调查，并应对浅層地热能资源进行勘察（强规）。根据工程勘察结果评估地埋管换热系统实施的可行性及经济性。根据本工程的岩土热物性测试报告，得出的现场实验数据计算分析和测试结果，进而得出钻孔每延米（孔深）的换热量参考值和建议打孔深度（当地建议打孔深度为100～120m）。然后根据换热参考值，施工现场实际地形，以及建筑冬季冷负荷值（夏季的散热量大于冬季的吸热量，为保持地下热量平衡，采用以冬季的最大冷负荷为地埋管换热器的计算标准。并采用冷却塔作为辅助冷却源。）就能计算出总的地下换热器桩数以及每个换热器的桩深。

地下换热器的管道材料应采用化学稳定性好、耐腐蚀、导热系数大、流动阻力小的塑料管材及管件，此次工程采用目前国内最常用的高密度聚乙烯管道HDPE100，并采用热熔连接。

宜采用并联垂直式地埋管换热器设计。上层水平干管同程设计，布置管道时，使并联式系统的各个环路都有相同的进出水压力（连接的孔数相同），以消除干管管路沿程阻力损失的影响。埋置深度宜在冻土层一下0.6m，且宜在其他管线以下。本工程因为地埋管埋设在建筑物底下，考虑到建筑物的沉降，水平干管的埋设深度为建筑物地梁以下1m。竖直埋地换热桩的间距大于3米，以防止埋地换热器相互间的换热影响。并设集分水器，保障各个环路间在进出口处的压力平衡。

关于水压试验应符合《规范》规定，且回填过程的检验应与安装地埋管换热器同步进行。

（二）地源热泵主机的设计选型

目前，地源热泵主机分为：标准型和热回收型。又根据热回收的原理不同，又分为：余热回收型和全热回收型。余热回收型简单的原理是回收机组在工作时压缩机所产生的热能。这种热能回收产生的热品高，量少，受影响少。全热回收型是指在冷凝器前多装了一个换热器，回收冷凝器的热能。这种热回收产生的热能热品低，受影响的因素多。

由于该栋建筑为实验室，导致建筑物某些区域需要全年供冷或供热，夏季的制热量需求非常少，但是需要的进出水温度较高，因此在主机的选型上采用余热回收式地源热泵机组，通过产品性能参数表，可以找到有一款产品能够满足设计负荷的需求，选用热回收机组，不仅能省去新购动力热源的初投资，而且也提高了机组的制冷时的COP，达到进一步节能的作用。

本次工程选用的是：3台余热回收式地源热泵机组，单台制冷量为700kW，制热量为720kW，预热回收量为60kW。二用一备模式。

（三）冷却塔的设计选型

全年冷、热负荷平衡失调，将导致地埋管区域岩土体温度持续升高或者降低，从而影响地埋管换热器的换热性能，降低地埋管换热系统的运行效率。

本工程的夏季对岩土体的散热量大于冬季对岩土体的吸热量，为保持地下岩土体的热量平衡。需要增加辅助的冷却源，即冷却塔系统。冷却塔分为开式系统和闭式系统。由于该栋建筑，在冬季同样需要冷源的供应，因此，本工程选用了闭式冷却塔系统为辅助冷却源。闭式塔系统不仅保证系统的循环水质，更重要的是可以在冬季和过渡季节采用Free-Cooling模式提供冷源。不仅省去新购动力冷源的初投资，而且降低运营成本。

本次工程选用的是：2台闭式冷却塔机组与地埋管换热器系统并联，单台的冷却量为600kW。作为埋地换热器的补充冷却源，需要时可两台同时运行。

（四）水泵的设计选型

扬程：计算最不利环路所得的管道压力损失，再加上热泵机组、平衡阀和其他设备元件的压力损失，确定水泵的扬程。

总水流量：将热泵机组设计工况下每一个孔井环路的水流量数值相加，可以得到干管的总水流量。

水泵本身还运行存在衰减，水泵的流量应为系统水量的1.1～1.2倍（通常单台取1.1，两台以上并联取1.2的富裕系数）。

对照水泵厂家样本特性曲线，选择满足要求的水泵型号及台数。

本次工程选用的是3台冷冻水泵，3台冷却水泵和3台热回收水泵与主机一一对应。

（五）地下热平衡系统控制设计原理

由于全年的冷、热负荷并非是固定不变的，因此为了达到地下热平衡，必须对地源热泵系统进行动态控制。下面介绍一下本工程的自动控制大致的设计原理：

控制系统由第一个制热季为统计开始的节点，由于本工程采购的地源热泵主机上自带流量监控计和进出口的温度监控计，可以通过机组自带的控制盘柜自动统计一个制热季总共从地下吸收的总热量。当然，如果选购的主机不带上述功能，可以在地埋管换热器环路的进出口，加装流量和温度传感器，并接入自控系统，做数据采集，通过自控系统编写程序，可以达到同样的目的。将主机在第一个制热模式的总吸热量作为将冷却水从地下换热器全部切换到进入冷却塔的依据，如第一个制热模式地埋管换热器从地下总共吸收了600kW，那么当切换到制冷模式时，当通过统计冷却水进入地埋管换热器系统的水流量和进、出温度，计算地埋管换热器向地下放出到600kW的热量时，关闭进入地埋管系统的控制阀门，让冷却水全部通过闭式冷却塔进行降温，并流回主机。这样虽然把土壤自带的热平衡功能忽略不计，少利用了一部分能源。但是却能减少一部分控制系统带来的初投资，如可以减少对地下土壤热变化、传热系数变化的监控和自控设施的投入等，让系统运行的更简单，更稳定。

三、结束语

地源热泵系统作为一种节能、环保的空调系统形式，应该得到更为广泛的应用，特别是在当今能源的缺乏和环境的污染日益严重的情况下，更应在能源消耗大户的工业商业工程中推广。典型的工程设计方案和介绍是新技术研究和推广的重要手段。

参考文献：

[1]《采暖通风与空气调节设计规范》 GB50019-2012