小型戶式直接蒸發式地源熱泵機組的設計

張昌建 楊帆 劉歡 覃皓

摘 ?要：為了解決北方農村的清潔供暖問題，自行設計了一種適于北方廣大農村住宅制冷和制熱的直接蒸發式地源熱泵分體式空調機組，將各部分集成，并通過可變溫度熱源對機組進行了測試，測試結果顯示在滿足冬季室內溫度18℃的條件下，低溫熱源的溫度達6℃機組能效比EER能達到4.0及以上，在典型農戶實際應用整個供暖季的費用約為1500元，能夠在農村地區推廣應用。

關鍵詞：小型戶式;直接蒸發式熱泵機組;能效比EER;熱損失

中圖分類號：TK123 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）22-0089-04

Abstract： In order to solve the problem of clean heating in rural areas of northern China， we designed a direct evaporative ground source heat pump split air conditioning unit suitable for refrigeration and heating of rural houses. Each part is integrated， and the unit is tested by variable temperature heat source. The test results show that under the condition of 18℃ indoor temperature in winter， the energy efficiency ratio EER of the unit with low temperature heat source up to 6℃ can reach 4.0 or above. The cost of the whole heating season is about 1，500 yuan， which can be popularized and applied in rural areas.

Keywords： small household; direct evaporation heat pump unit; energy efficiency ratio EER; heat loss

引言

供暖期間，北方地區農村以燃燒散煤與秸稈供暖為主，污染排放指標高，給大氣環境帶來了不小的影響，傳統的供熱規劃模式已經不能滿足新形勢下的規劃需求。隨著一系列政策舉措的落實，我國清潔供暖取得快速發展。因此，農村地區取消散煤燃燒，因地制宜地推廣清潔供暖是北方農村地區的任務之一。

目前農村地區推廣的清潔能源供暖有天然氣供暖、電加熱取暖以及熱泵供暖等方式，但是在實施過程中存在以下問題：農村地區基礎設施較為落后，天然氣輸配與管網建設困難，天然氣資源難以得到保障，“煤改氣”改造工程量大、工期長且用氣存在一定的危險性;電直接取暖利用效率極低，不符合節能的要求，不可持續。因此造成反煤取暖的現象頻繁發生。鑒于以上問題，非常有必要根據建筑密度、經濟水平、 資源條件和居民習慣選用適宜的清潔供暖技術方案。

本文根據農村地區及其住宅的特點，在普通地源熱泵的基礎上設計了一套適合農村應用的新型熱泵系統，研發出一套小型戶式直接蒸發式地源熱泵機組。直接蒸發式地源熱泵因其效率高、熱力過程不可逆損失小、結構簡單等特點，適宜進行小型化開發，適合在我國廣大村鎮地區推廣使用[1]。

1 小戶型直接蒸發式熱泵系統

整個系統由室外地源換熱系統、地源熱泵主機系統和室內末端系統三部分組成。在每戶庭院空地上鉆1-2口孔深100米左右的埋管井作為熱泵低溫熱源，通過深埋于地下且注入防凍液的封閉塑料管獲取地下深層土壤的熱量，將熱量傳遞給熱泵機組;機組由小型水泵、蒸發器、壓縮機、節流閥、分流器、電磁閥和干燥過濾器等裝置組成，自帶控制裝置，組成形式簡單，安裝于屋頂或戶外空地上;空調房間內采用直接蒸發式氟系統，不存在因停止運行造成溫度過低而結凍的現象，用戶可以根據需求隨開隨用，與農村居民生活習慣相適應。

農村地區住宅大多數建筑布局分散，且圍護結構保溫性差，遠達不到建筑節能標準，能源消耗高，建筑熱負荷指標按100w/m2算。選擇邯鄲市沙河鎮某典型住宅房的兩個房間建立示范，該住宅建筑占地面積為200m2，供暖面積26m2×2，建筑熱負荷5.2kW。

由于實驗地區屬于夏熱冬冷地區，熱泵設計以冬季供暖為主，兼顧夏季降溫。故本系統按冬季工況設計，進行夏季校核[2]。

1.1 工作原理和計算

熱泵機組裝置主要有：蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流閥四大部分組成，通過讓制冷劑不斷完成：蒸發（吸取地下水中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節流→再蒸發的熱力循環過程[3]，從而將地下水里的熱量轉移到制冷劑

R410a中。系統原理圖如圖1所示。

1.2 理論計算

（3）蒸發器結構設計經計算：需布置8mm銅管換熱管1根，套管用DN25鍍鋅銅管，有效換熱長度3.2m。制冷工況計算方法與制熱相同，不再贅述。

1.5 機組控制系統設計

機組系統有全面可靠的保護裝置，保護機組系統的安全運行，主要的保護范圍包括壓縮機過載、過熱保護，電路、電壓的各項保護，傳感器保護，制熱系統壓力保護，水路流量、溫度、防凍保護等[4]。

2 機組性能試驗

設計制造并搭建直接蒸發式地源熱泵機組實驗平臺，進入試驗臺進行性能試驗。以電加熱水箱模擬與地下土壤換熱制得的熱水，通過32mm的PEC塑料軟管和機組進水口和出水口連接，且在進水口和出水口側安裝溫度儀和壓力表，管路上安裝流量計，按照設計要求工況調節熱源側水溫和壓力。通過改變熱源側進水溫度，記錄熱源側出口溫度、流速以及末端的進風溫度、出風溫度、進風風速和出風風速，并在穩定后采集數據，共采集10組，數據見表2。

從測試結果可以看出：在進水溫度由6℃上升至15℃的過程中，制熱量呈上升趨勢，能效比EER也隨之增加。當機組進水溫度為10℃時，實際測得制熱量為6.49kW大于供熱理論計算的5.2kW，故機組穩定運行后能達到設計要求。

在改變電加熱模擬制得熱水溫度的過程中，能效比EER均能達到4.0及以上，由于地下土壤的溫度常年保持在10-25℃，故完全適用于廣大農村地區。

從測試結果可以看出：機組在運行過程中存在一定的熱損失，分析原因主要有以下方面：（1）壓縮機效率較低，輸氣量不足;（2）節流過程引起的功和制熱量的損失;基于以上不足，該機組還有待改進。

3 直接蒸發式地源熱泵機組性能測試定型參數（見表3）

4 結論

（1）將機組各部分集成，通過實驗測試室內溫度能夠達到18℃以上，能夠滿足冬季取暖的要求。

（2）機組每小時的平均耗電量為1.45kW·h，按照年運行120天，每天運行16小時計算，年運行費用為1447元，運行費用較低。

（3）在地埋管的出水溫度達到6℃及以上，機組能效比可達到4.0以上，機組的能效比達到設計預期。

（4）機組除了冬季供暖之外，還可以用于夏季空調制冷，省去了夏季空調的開支。

參考文獻：

[1]郭永輝，侯根富，李興友.直接膨脹式地源熱泵設計工況探討[J].福建工程學院學報，2013，11（6）：556-560.

[2]王勇，龍恩深，韋強，等.地源熱泵地下管群換熱器設計施工技術點滴[J].暖通空調，2004，34（11）：118-121.

[3]雷開先.節能地溫空調（地源熱泵）系統及在成都地區發展環境分析[J].四川建材，2012（2）：265-267.

[4]郭學軍.煤礦空壓機廢熱回收系統研究[J].裝備制造技術，2013（4）.