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3km2:單職業傳奇:家用型水源熱泵地溫空調系統的開發

熱泵(制冷機)是通過作功使熱量從溫度低的介質流向溫度高的介質的裝置。水(地)源熱泵是在熱泵技術基礎上利用地下淺層地熱資源(也稱地能,包括地下水、土壤或地表水等)的一種既可供熱又可制冷的高效節能環保型空調系統。水(地)源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能),即可實現低溫熱源向高溫熱能的轉移,地能分別在冬季和夏季作為低溫熱源和高溫熱源。在冬季,把地能中的熱量取出來,提高溫度后,供給室內的熱用戶;在夏季,把室內的熱量取出來,釋放到地層中去。其中水源熱泵地溫空調只是一種利用地下水的熱泵空調,而家用型水源熱泵地溫空調則是針對住宅而開發的一種利用地下水,作介質的家用型水源熱泵地溫空調。本文主要分析家用型水源熱泵地溫空調研究開發的相關問題。

1 熱泵與地溫技術及在家用領域開發存在的問題。

1.1 熱泵及地溫技術的發展近況。

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高,公共建筑和住宅的供熱和制冷已成為普遍的需求。在發達國家中,供熱和制冷的能耗可占到社會總能耗的25~30%。我國的能源結構主要依靠礦物燃料,特別是煤炭,大量燃燒礦物燃料所產生的環境影響已日益成為政府關注的焦點。因此,除了大型集中供熱的方式以外,急需發展其它的替代供熱方式。熱泵技術是能有效節省能源,減少大氣污染和CO2排放的供熱和制冷新技術,地源熱泵技術又是一種進一步利用地能的空調新技術。

熱泵技術的存在已有一定的歷史時期,但地源熱泵真正意義上的民商應用,在國外還只有十多年的歷史,在國內則是近幾年才開始起步。其應用領域主要集中在中央空調和商用空調大系統中,而應用于住宅的家用小型系統目前還處在探索階段。近幾年甚至在市面上還出現了不帶熱泵只有水泵的地溫空調產品。

1.2與建筑物相關的熱泵系統分類。

目前,以建筑物的供熱和制冷為目的的熱泵系統有許多種類,例如有利用建筑通風系統的熱量(冷量)的熱回收型熱泵和應用于大型建筑內部不同分區之間的水環熱泵系統等。而用于住宅的家用型熱泵技術,主要是利用周圍環境空氣或地能作為空調冷熱源的熱泵系統。就其性質來分,國外文獻通常把它們分為空氣源熱泵和地源熱泵兩大類。地源熱泵又可進一步分為地表水熱泵、地下水熱泵和地下耦合熱泵。國內對熱泵系統的術語尚未形成規范,有多種稱呼方式,目前商業上比較通用的分類為:把同室外空氣換熱的空調稱為風冷熱泵空調;把利用冷卻塔水源作為冷卻水的空調機組稱為冷水機組;把利用江河湖泊水源作為冷卻水源既能制冷又可采暖的空調稱為水源熱泵空調;把在地下埋管換熱冷卻空調水的既制冷又制熱的空調,稱為地源熱泵或稱為土壤熱泵地溫空調;把采用取水還水利用地下沙層中的對流冷卻空調水的既制冷,又制熱的空調稱為水源熱泵地溫空調。但此類稱謂也不是熱泵技術在商業領域的唯一稱謂術語。

1.3現有熱泵技術在家用領域存在的問題。

家用空調新產品的研究發展趨勢應朝著節能、環保、初始投資低、分戶控制、單獨計量、施工簡單、維護方便的方向發展。現有熱泵技術在家用空調領域的應用存在以下問題。

(1)空氣源(風冷)熱泵空調是應用于家用空調最典型的例子,它以室外空氣作為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫熱源,從室外空氣中吸收熱量,經熱泵提高溫度送人室內供暖。空氣源熱泵的主要缺點是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時熱泵的效率大大降低。其在冬季制熱量隨室外溫度降低而減少,這與建筑熱負荷需求趨勢正好相反。因此當室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點溫度時,需要用電或其它輔助熱源對空氣進行加熱。同時,在供熱工況下蒸發器上會結霜,需要定期除霜,這也需消耗很大的能量。在夏季高溫天氣,由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低,同樣可能導致系統不能正常工作。

(2)冷水機組是利用冷卻塔系統與空氣交換能量,其初始投資高,又占空間,因此一般只適合于中央空調系統和商用系統。若用于家用系統,它既不經濟又沒有足夠的存放空間;如果采用集中供熱,分散使用來分攤初始投資,又面臨分戶控制和分戶計量的問題。而且冬季寒冷天氣冷卻塔易結冰,導致不能正常使用。因此它在冬季制熱運行也需要輔助加熱系統。

(3)地源(地下耦合)熱泵系統需要在建筑物周圍大面積埋管,不僅投資大,而且施工操作和維護都不方便。另外,水源熱泵空調是利用江河湖泊水源,受地理環境限制較大,若采用造人工湖的方式改造地理環境來做家用空調系統投資更大。

2 家用型水源熱泵地溫空調開發綜述。

2.1總體設計思路

根據上述熱泵技術及地溫技術在家用空調領域應用的分析,我們采取了綜合運用各種現有技術優勢,針對家用空調系統特點,解決一些存在的技術難點,彌補了相關技術在此領域的缺陷,其總體設計思路如下:

總體借鑒中央空調系統思路,主體采用熱泵技術,利用沉井獲取地能,末端揉合水源熱泵分體機技術,地能輸出端增加儲能箱及水流控制與計量裝置,采取調整回路方式減少高成本材質的使用。通過以上措施,使開發的家用空調系統能滿足節能、環保、初始投資低、可分戶控制、單獨計量、施工維護簡單的要求。特別是該新技術將總體設計思路構架在空調現有技術及產品基礎上的整合與提升,技術實施及產品實現非常容易,有效避免了一般新產品在開發期必須面對的大量資金投人;避免了一般新產品在技術成長期所面臨的產品性能不穩定、質量不過關、產品外觀低于原有傳統產品的現象。

2.2 系統結構及工作原理

該系統組成部分由沉井、水泵、地下水輸出的計量與控制裝置、地能儲水箱、針對每戶冷熱負荷選型的分戶熱泵主機、針對戶內每個房間冷熱負荷而選型的現有水源熱泵分體掛機及柜機,以及各分體機房間的線控或遙控裝置等,外加管路裝置。

該系統各組成部分的內在聯系由三個循環回路實現。第一循環是在沉井與熱泵之間,該環路是為了實現地能與熱泵系統的能量提取與交換,其管路材質采用鍍鋅管、PVC管等普材,管內介質是地溫水(冷卻水),能量消耗是水泵所需的少量電能。第二循環是熱泵技術自身循環,由蒸發器與冷凝器、壓縮機、節流閥、換向裝置等組成,其管路材質是銅管,管內介質是制冷劑,能量消耗是壓縮機所需電能。該循環輸人電能后,通過換向裝置,在供熱工況下實現提取第一循環地下水所交換的熱能,通過熱泵制冷劑循環向末端第三循環系統放熱。在制冷工況下從末端第三循環提取室內熱量通過熱泵系統向第一循環放熱,第一循環再實現向大地放熱;第三循環是在熱泵與房間末端分體機之間,它由循環水泵、各房間末端分體機和冷凍水循環回路管路系統及中間插接的膨漲水箱組成。末端各分體機的連接采用并列管路,管路材質采用鍍鋅管、PVC管等普材,管內介質是冷凍水。該循環最終實現空調房間所需要的冷熱負荷。

2.3主要技術特點:

(1)末端按中央空調系統思路,將熱泵當成中央空調制冷用冷凍水的冷凍主機或采暖用的空調熱水的鍋爐。制冷工況下的冷凍水和制熱工況下的熱水都只需采用普通管材即可。相對于傳統家用空調,它省卻了在各分體機房間必需布置的,大量優質紫銅管管網和銅管內大量的制冷劑充注量,使此部分設備初投資成本大幅下降。避免了常規氟系統管網制冷劑泄露的問題及經常需要補充灌注制冷劑的問題。同時,此種設計使熱泵主機氟管回路達到最短,可全部置于主機箱內,出廠前確保其全部焊死,在使用過程不存在充氟的問題。

(2)主機箱高度濃縮了第一循環中提取儲能箱冷卻水的控制裝置、第二循環的熱泵系統、第三循環的冷凍水泵及相關控制系統的執行元件。由于空調房所需的冷熱負荷主要來源于地能,因此,對熱泵系統主要關鍵部件的壓縮機等的型號規格選擇,相對于同樣負荷的傳統空調的型號規格選擇必然要小許多。特別是在選型上采用了高效板式換熱器及逆流水包氟專利技術盤管換熱器后,其換熱器的外型尺寸更加小巧。該空調一套有6-7個房間配有分體機的系統只需一臺小型主機,不需要一般商用空調或戶式中央空調系統中使用的“一拖幾”的大型主機。它可直接放置于住宅的陽臺或車庫,不占使用空間。

(3)由于主機系統是與地下水交換能量,因此不需設置室外機,這也是其最顯著特點之一。而風冷空調是與室外空氣交換能量,必需設置室外機,如一個家庭有6-7個房間配置分體機,則需要在室外墻上掛6-7個室外機。兩相對比,掛7個室外機的系統比家用水源熱泵地溫空調系統多6個主機,多7套室內室外連接的優質紫鋼管管路,及配套制冷劑充注量,多6個換熱器,多7臺室外風扇,多6個機箱,其設備成本的對比可想而知。傳統空調同一家庭要多個室外機掛于外墻,而該地溫空調卻只需一臺可放于室內的主機,確保了外墻建筑風格不被破壞。同時還可減輕城市熱島效應,并避免了室外機換熱器因長期受空氣中粉塵污染而導致換熱效率的大幅下降。

(4)該技術系統打井費用占設備系統初始投資的一定比例,如果一套家用系統打一口井顯然是不合算的,當然如考慮長遠運行費用的節省是可以彌補該項投資的,但作為技術方案設計則不應該如此簡單的處理問題。我們將系統第一循環也當成中央空調系統來考慮,“井水資源、水泵及儲水箱”可整體視為該中央空調系統的主機(相當于冷凍站或鍋爐),其末端系統并聯多個分戶熱泵主機,此系統也類似于空調“一拖多”技術。通過此種方式,打井費用平均分攤到各戶,入戶初投費用大幅下降。由于流量控制裝置分戶計量,主水泵運行費用多用多攤,少用少攤,不用不攤。各分戶的主機系統都是獨立的,室內熱泵系統運行與否同其它使用共水源的分戶沒有聯系,分戶主機電能各家單獨計量。這又區別于傳統中央空調系統主機一開則所有末端全受牽連的缺陷。

3 實施例簡述

我們在湖南省湘潭市銀苑山莊一新建住宅樓盤中選擇了兩套相近住宅,實施家用水源熱泵地溫空調技術方案。該住宅單套戶型建筑面積約為180m2,戶型結構為四室兩廳兩衛一廚,空調使用面積為141m2。

3.1 水文地質條件及取水還水方案。

根據專業地質鉆探隊對指定空調用水區域進行探測,得出相關資料。該地段周圍分布地層自上而下情況為:人工填土、耕土、粉質粘土、粉土、園礫、粘土及基巖層;淺層地下水水溫一般在22℃左右,中性、清澈,不含有毒有害物質,不結垢、對金屬無腐蝕性:該處淺層地下水與大氣降水有很大關系,該市降水平均滲透系數約為0.2,該地段年降雨量按1268 mm計算,則為1268 × 0.2=253 mm,以影響米徑3km2計算,補給采水區的降雨滲透總量為253 × 106=759000立方米。由于采用回灌還水的循環方法,實際消耗不到四分之一,即單井純出水量不小于10噸/小時,則可保證5000平方米的住戶共用。本實施工程打井實際深度18米即到含水層,水井直徑0.8米。

3.2設計與選型

根據南方住宅空調冷、熱負荷經驗取值參數Q冷=110w/m2。及Q熱=100w/m2。,按照各房間空調面積計算不同房間所需冷、熱負荷。再按理論負荷對各房間分體機進行選型,考慮用戶需求,各房間分體機所選機型額定功率都略大于理論計算負荷。再根據此計算主機所需總功率,由于住宅使用空調有其規律性,商家一般按房間使用率60%推算經濟運行總冷負荷,就此確定了經濟運行主機參數。

該實施例采用了課題協作單位桂林市空調,機廠生產的lsrl0型水源熱泵系統主機及配套的相應分體機。該主機為雙系統設計,可根據房間實際負荷大小的變動自動運行一個或兩個系統,額定功率輸出形成三個檔位,可實現 節能。該機模擬實施例地區地下水水源環境參數進行出廠測試,得出主機額定輸入功率與額定制冷、制熱量的數據。附:冷熱負荷計算及分體機選型表,額定功率與額定制冷、制熱量表。

3.3輸入與輸出能效比及初始投資成本概況。

從上述出廠測試所確定的額定輸入功率與額定輸出冷、熱量對照表可以看出,其設備輸入輸出能效比分別達到:制冷工況下l:4.17,制熱工況下1:5.08。而傳統的風冷式家用空調制冷工況能效比一般都低于1:3,冬季電輔加熱制熱工況能效比則低于1:2。由此可見,這種地溫家用空調是真正節能型空調新產品。

實施例暫時是“一井只拖兩戶”型式,打井的投資成本分攤暫無準確數據,據初步成本估算,其家用水源熱泵地溫空調每建筑平方米空調成本只有目前傳統中央空調及地溫,中央空調每建筑平方米成本的一半左右。

4 結論

綜上所述,熱泵技術是一項成熟的節能技術。水(地)源熱泵技術則是進一步利用地能節約資源的技術。針對熱泵技術與地溫空調在家用領域開發存在的問題,本文論述的這種家用型水源熱泵地溫空調具備高效節能、環保、可分戶控制、單獨計量、施工維護簡單及初始投資低等技術優勢,利于在家用領域推廣使用。


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