家用型水源热泵地温空调系统的开发

　　引言

　　热泵(制冷机)是通过作功使热量从温度低的介质流向温度高的介质的装置。水(地)源热泵是在热泵技术基础上利用地下浅层地热资源(也称地能，包括地下水、土壤或地表水等)的一种既可供热又可制冷的高效节能环保型空调系统。水(地)源热泵通过输入少量的高品位能源(如电能)，即可实现低温热源向高温热能的转移，地能分别在冬季和夏季作为低温热源和高温热源。在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内的热用户；在夏季，把室内的热量取出来，释放到地层中去。其中水源热泵地温空调只是一种利用地下水的热泵空调，而家用型水源热泵地温空调则是针对住宅而开发的一种利用地下水作介质的家用型水源热泵地温空调。本文主要分析家用型水源热泵地温空调研究开发的相关问题。

　　1热泵与地温技术及在家用领域开发存在的问题

　　1.1热泵及地温技术的发展近况

　　随着经济的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和制冷已成为普遍的需求。在发达国家中，供热和制冷的能耗可占到社会总能耗的25～30％。我国的能源结构主要依靠矿物燃料，特别是煤炭，大量燃烧矿物燃料所产生的环境影响已日益成为政府关注的焦点。因此，除了大型集中供热的方式以外，急需发展其它的替代供热方式。热泵技术是能有效节省能源，减少大气污染和CO2排放的供热和制冷新技术，地源热泵技术又是一种进一步利用地能的空调新技术。

　　热泵技术的存在已有一定的历史时期，但地源热泵真正意义上的民商应用，在国外还只有十多年的历史，在国内则是近几年才开始起步。其应用领域主要集中在中央空调和商用空调大系统中，而应用于住宅的家用小型系统目前还处在探索阶段。近几年甚至在市面上还出现了不带热泵只有水泵的地温空调产品。

　　1.2与建筑物相关的热泵系统分类

　　目前，以建筑物的供热和制冷为目的的热泵系统有许多种类，例如有利用建筑通风系统的热量(冷量)的热回收型热泵和应用于大型建筑内部不同分区之间的水环热泵系统等。而用于住宅的家用型热泵技术，主要是利用周围环境空气或地能作为空调冷热源的热泵系统。就其性质来分，国外文献通常把它们分为空气源热泵和地源热泵两大类。地源热泵又可进一步分为地表水热泵、地下水热泵和地下耦合热泵。国内对热泵系统的术语尚未形成规范，有多种称呼方式，目前商业上比较通用的分类为：把同室外空气换热的空调称为风冷热泵空调；把利用冷却塔水源作为冷却水的空调机组称为冷水机组；把利用江河湖泊水源作为冷却水源既能制冷又可采暖的空调称为水源热泵空调；把在地下埋管换热冷却空调水的既制冷又制热的空调称为地源热泵或称为土壤热泵地温空调；把采用取水还水利用地下沙层中的对流冷却空调水的既制冷又制热的空调称为水源热泵地温空调。但此类称谓也不是热泵技术在商业领域的唯一称谓术语。

　　1.3现有热泵技术在家用领域存在的问题

　　家用空调新产品的研究发展趋势应朝着节能、环保、初始投资低、分户控制、单独计量、施工简单、维护方便的方向发展。现有热泵技术在家用空调领域的应用存在以下问题。

　　(1)空气源(风冷)热泵空调是应用于家用空调最典型的例子，它以室外空气作为一个热源。在供热工况下将室外空气作为低温热源，从室外空气中吸收热量，经热泵提高温度送人室内供暖。空气源热泵的主要缺点是在夏季高温和冬季寒冷天气时热泵的效率大大降低。其在冬季制热量随室外温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反。因此当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，需要用电或其它辅助热源对空气进行加热。同时，在供热工况下蒸发器上会结霜，需要定期除霜，这也需消耗很大的能量。在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作。

　　(2)冷水机组是利用冷却塔系统与空气交换能量，其初始投资高，又占空间，因此一般只适合于中央空调系统和商用系统。若用于家用系统，它既不经济又没有足够的存放空间；如果采用集中供热，分散使用来分摊初始投资，又面临分户控制和分户计量的问题。而且冬季寒冷天气冷却塔易结冰，导致不能正常使用。因此它在冬季制热运行也需要辅助加热系统。

　　(3)地源(地下耦合)热泵系统需要在建筑物周围大面积埋管，不仅投资大，而且施工操作和维护都不方便。另外，水源热泵空调是利用江河湖泊水源，受地理环境限制较大，若采用造人工湖的方式改造地理环境来做家用空调系统投资更大。

　　2家用型水源热泵地温空调开发综述

　　2.1总体设计思路

　　根据上述热泵技术及地温技术在家用空调领域应用的分析，我们采取了综合运用各种现有技术优势，针对家用空调系统特点，解决一些存在的技术难点，弥补了相关技术在此领域的缺陷，其总体设计思路如下：

　　总体借鉴中央空调系统思路，主体采用热泵技术，利用沉井获取地能，末端揉合水源热泵分体机技术，地能输出端增加储能箱及水流控制与计量装置，采取调整回路方式减少高成本材质的使用。通过以上措施，使开发的家用空调系统能满足节能、环保、初始投资低、可分户控制、单独计量、施工维护简单的要求。特别是该新技术将总体设计思路构架在空调现有技术及产品基础上的整合与提升，技术实施及产品实现非常容易，有效避免了一般新产品在开发期必须面对的大量资金投人；避免了一般新产品在技术成长期所面临的产品性能不稳定、质量不过关、产品外观低于原有传统产品的现象。

　　2.2系统结构及工作原理

　　该系统组成部分由沉井、水泵、地下水输出的计量与控制装置、地能储水箱、针对每户冷热负荷选型的分户热泵主机、针对户内每个房间冷热负荷而选型的现有水源热泵分体挂机及柜机，以及各分体机房间的线控或遥控装置等，外加管路装置。

　　该系统各组成部分的内在联系由三个循环回路实现。第一循环是在沉井与热泵之间，该环路是为了实现地能与热泵系统的能量提取与交换，其管路材质采用镀锌管、PVC管等普材，管内介质是地温水(冷却水)，能量消耗是水泵所需的少量电能。第二循环是热泵技术自身循环，由蒸发器与冷凝器、压缩机、节流阀、换向装置等组成，其管路材质是铜管，管内介质是制冷剂，能量消耗是压缩机所需电能。该循环输人电能后，通过换向装置，在供热工况下实现提取第一循环地下水所交换的热能，通过热泵制冷剂循环向末端第三循环系统放热。在制冷工况下从末端第三循环提取室内热量通过热泵系统向第一循环放热，第一循环再实现向大地放热；第三循环是在热泵与房间末端分体机之间，它由循环水泵、各房间末端分体机和冷冻水循环回路管路系统及中间插接的膨涨水箱组成。末端各分体机的连接采用并列管路，管路材质采用镀锌管、PVC管等普材，管内介质是冷冻水。该循环最终实现空调房间所需要的冷热负荷。

　　2.3主要技术特点：

　　(1)末端按中央空调系统思路，将热泵当成中央空调制冷用冷冻水的冷冻主机或采暖用的空调热水的锅炉。制冷工况下的冷冻水和制热工况下的热水都只需采用普通管材即可。相对于传统家用空调，它省却了在各分体机房间必需布置的大量优质紫铜管管网和铜管内大量的制冷剂充注量，使此部分设备初投资成本大幅下降。避免了常规氟系统管网制冷剂泄露的问题及经常需要补充灌注制冷剂的问题。同时，此种设计使热泵主机氟管回路达到最短，可全部置于主机箱内，出厂前确保其全部焊死，在使用过程不存在充氟的问题。

　　(2)主机箱高度浓缩了第一循环中提取储能箱冷却水的控制装置、第二循环的热泵系统、第三循环的冷冻水泵及相关控制系统的执行元件。由于空调房所需的冷热负荷主要来源于地能，因此，对热泵系统主要关键部件的压缩机等的型号规格选择，相对于同样负荷的传统空调的型号规格选择必然要小许多。特别是在选型上采用了高效板式换热器及逆流水包氟专利技术盘管换热器后，其换热器的外型尺寸更加小巧。该空调一套有6－7个房间配有分体机的系统只需一台小型主机，不需要一般商用空调或户式中央空调系统中使用的“一拖几”的大型主机。它可直接放置于住宅的阳台或车库，不占使用空间。

　　(3)由于主机系统是与地下水交换能量，因此不需设置室外机，这也是其最显著特点之一。而风冷空调是与室外空气交换能量，必需设置室外机，如一个家庭有6－7个房间配置分体机，则需要在室外墙上挂6－7个室外机。两相对比，挂7个室外机的系统比家用水源热泵地温空调系统多6个主机，多7套室内室外连接的优质紫钢管管路，及配套制冷剂充注量，多6个换热器，多7台室外风扇，多6个机箱，其设备成本的对比可想而知。传统空调同一家庭要多个室外机挂于外墙，而该地温空调却只需一台可放于室内的主机，确保了外墙建筑风格不被破坏。同时还可减轻城市热岛效应，并避免了室外机换热器因长期受空气中粉尘污染而导致换热效率的大幅下降。

　　(4)该技术系统打井费用占设备系统初始投资的一定比例，如果一套家用系统打一口井显然是不合算的，当然如考虑长远运行费用的节省是可以弥补该项投资的，但作为技术方案设计则不应该如此简单的处理问题。我们将系统第一循环也当成中央空调系统来考虑，“井水资源、水泵及储水箱”可整体视为该中央空调系统的主机(相当于冷冻站或锅炉)，其末端系统并联多个分户热泵主机，此系统也类似于空调“一拖多”技术。通过此种方式，打井费用平均分摊到各户，入户初投费用大幅下降。由于流量控制装置分户计量，主水泵运行费用多用多摊，少用少摊，不用不摊。各分户的主机系统都是独立的，室内热泵系统运行与否同其它使用共水源的分户没有联系，分户主机电能各家单独计量。这又区别于传统中央空调系统主机一开则所有末端全受牵连的缺陷。

　　3实施例简述

　　我们在湖南省湘潭市银苑山庄一新建住宅楼盘中选择了两套相近住宅实施家用水源热泵地温空调技术方案。该住宅单套户型建筑面积约为180m2，户型结构为四室两厅两卫一厨，空调使用面积为141m2。

　　3.1水文地质条件及取水还水方案

　　根据专业地质钻探队对指定空调用水区域进行探测，得出相关资料。该地段周围分布地层自上而下情况为：人工填土、耕土、粉质粘土、粉土、园砾、粘土及基岩层；浅层地下水水温一般在22℃左右，中性、清澈，不含有毒有害物质，不结垢、对金属无腐蚀性：该处浅层地下水与大气降水有很大关系，该市降水平均渗透系数约为0.2，该地段年降雨量按1268mm计算，则为1268×0.2=253mm，以影响米径3km2计算，补给采水区的降雨渗透总量为253×106=759000立方米。由于采用回灌还水的循环方法，实际消耗不到四分之一，即单井纯出水量不小于10吨／小时，则可保证5000平方米的住户共用。本实施工程打井实际深度18米即到含水层，水井直径0.8米。

　　3.2设计与选型

　　根据南方住宅空调冷、热负荷经验取值参数Q冷=110w／m2。及Q热=100w／m2。，按照各房间空调面积计算不同房间所需冷、热负荷。再按理论负荷对各房间分体机进行选型，考虑用户需求，各房间分体机所选机型额定功率都略大于理论计算负荷。再根据此计算主机所需总功率，由于住宅使用空调有其规律性，商家一般按房间使用率60％推算经济运行总冷负荷，就此确定了经济运行主机参数。

　　该实施例采用了课题协作单位桂林市空调机厂生产的LSRl0型水源热泵系统主机及配套的相应分体机。该主机为双系统设计，可根据房间实际负荷大小的变动自动运行一个或两个系统，额定功率输出形成三个档位，可实现最大程度节能。该机模拟实施例地区地下水水源环境参数进行出厂测试，得出主机额定输入功率与额定制冷、制热量的数据。附：冷热负荷计算及分体机选型表，额定功率与额定制冷、制热量表。

　　3.3输入与输出能效比及初始投资成本概况

　　从上述出厂测试所确定的额定输入功率与额定输出冷、热量对照表可以看出，其设备输入输出能效比分别达到：制冷工况下l：4.17，制热工况下1：5.08。而传统的风冷式家用空调制冷工况能效比一般都低于1：3，冬季电辅加热制热工况能效比则低于1：2。由此可见，这种地温家用空调是真正节能型空调新产品。

　　实施例暂时是“一井只拖两户”型式，打井的投资成本分摊暂无准确数据，据初步成本估算，其家用水源热泵地温空调每建筑平方米空调成本只有目前传统中央空调及地温中央空调每建筑平方米成本的一半左右。

　　4结论

　　综上所述，热泵技术是一项成熟的节能技术。水(地)源热泵技术则是进一步利用地能节约资源的技术。针对热泵技术与地温空调在家用领域开发存在的问题，本文论述的这种家用型水源热泵地温空调具备高效节能、环保、可分户控制、单独计量、施工维护简单及初始投资低等技术优势，利于在家用领域推广使用。