淺層地埋管熱泵系統中的熱回收及冷回收技術探析

張學雷 校若灃 王煜哲

（1.河南省建筑設計研究院有限公司，河南 鄭州 450014；2.鄭州鄭灃能源發展有限公司，河南 鄭州 451460）

1 概述

1.1 淺層地埋管熱泵工作原理

淺層地熱能又稱為淺層地溫能，是指地表以下一定深度范圍內（一般為恒溫帶至200m 埋深），土壤溫度14℃—25℃范圍內，在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地球內部的熱能資源。淺層地埋管熱泵利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季把熱量從地下土壤中轉移到建筑物內，為建筑供熱，夏季再把熱量從建筑屋內轉移到地下土壤中，為建筑供冷，一個年度形成一個冷熱循環。

1.2 淺層地埋管熱泵系統的冷熱平衡問題

淺層地埋管熱泵冬季向土壤取熱，夏季向土壤釋熱，這一特點決定了該項技術特別適用于冷熱負荷相當的項目。若該系統在冷熱負荷不平衡的情況下長期運行，將會使土壤溫度逐漸上升或下降，導致地埋管換熱器換的熱環境惡化，從而影響系統的效率和運行的經濟性。

1.3 生活熱水及反季節供冷、供熱需求

醫院、酒店、學校、公寓等公共建筑全年均有生活熱水需求。一些大型公共建筑，如會展中心、商場、宴會廳、會議中心等，冬季內區溫度較高，在外區供熱的同時，內區需要供冷。采用四管制空調系統的酒店，全年需要準備冷熱源。在淺層地埋管熱泵系統中通過熱回收、冷回收等技術，不僅有利于解決淺層地埋管熱泵系統冷熱平衡問題，還可以使系統具有同時供冷、供熱能力，免費得到生活熱水，提高系統的能效。

2 熱回收技術

熱回收技術就是對冷水機組的冷凝排熱進行回收，并加以利用，從而達到節能的目的。例如，一個酒店在夏季需要同時供冷和供熱，有了熱回收循環后，在制冷時排放的熱量可以通過熱回收后輸送到建筑物中需要供熱的地方，回收熱量也可用來加熱生活熱水。熱回收技術分為部分熱回收和全熱回收。

2.1 部分熱回收

制冷劑蒸汽在流出壓縮機進入冷凝器時，為過熱狀態，在壓縮機與常規冷凝器之間增加一個熱交換器，從過熱狀態的制冷劑獲取熱量，這種方式使熱水直接與壓縮機高溫排氣換熱，因此可以提供較高的出水溫度，如螺桿式熱回收冷水機組的熱水出水溫度可以達到55℃，同時冷水機組的制冷運行效率不受影響。不足之處是熱回收量比較小，一般不到冷水機組制冷量的20%。另一種部分熱回收雙管束冷凝器，水側上下分層。額外補充的冷凝器面積可以提高冷凝器的冷卻效果，使機組的運行效率提高。這種熱回收方式不會提高機組冷凝溫度，不必對部分加熱模式進行特殊控制，多余的熱量可以通過常規冷凝器排放。整機結構緊湊，外觀質量好，占地面積小。

2.2 全熱回收

全熱回收回收的是所有需要被排出的過熱量與冷凝熱，通常做法是設置一個回收冷凝器，可完全取代常規冷凝器。一種做法是增加一個并聯的熱回收冷凝器，理論上可以回收100%的冷凝熱，且出水溫度較高。缺點是冷水機組的制冷運行效率會下降，熱水出水溫度越高，冷水機組的運行COP（制冷系數）越低，但考慮到回收可利用熱量，系統整體能效是提高的。另一種做法是冷水機組原有的冷凝器增加管束，成為單冷凝器雙管束，其運行特點與并聯冷凝器基本相同。

2.3 夏季熱回收對生活熱水預熱

熱回收如圖1 所示，熱泵主機1 夏季制冷工況運行，切換閥9 開啟，切換閥8 關閉，熱泵主機1 蒸發器與空調冷水連接，熱泵主機1 冷凝器側與地埋管連接。在地埋管循環水熱水側總管設一旁通回路，旁通回路熱水經熱回收循環泵3輸送至熱回收換熱器2，經熱回收換熱器2 換熱后返回地埋管換熱器10 換熱，熱回收換熱器2 用戶側與生活熱水連接，對生活熱水預熱至33℃。

圖1 熱回收示意圖

運行過程中根據空調末端冷負荷變化，通過調節熱回收循環泵3 的頻率來調節進入冷回收換熱器2 中的冷水量，進而調節冷回收量。系統在沒有生活熱水余熱需求時，熱回收循環泵3 停運，地埋管循環水全部進入地埋管換熱器10 換熱，不影響系統供冷。

3 冷回收

3.1 冬季供冷

冬季比較節能的供冷方式有新風供冷或冷卻塔免費供冷。

采用室外新風供冷，將新風加熱到低于室內焓值的狀態，送到室內，來消除室內余熱。利用新風供冷，僅需要利用新風機組及新風管道，不需要增加設備，具有投資小、運行費用低的優勢。新風供冷在全空氣系統中可以很好地解決冬季供冷問題，但“風機盤管+ 新風系統”卻不能完全解決冬季供冷問題，且風管增大需要占用更大的層高。

冷卻塔免費供冷技術可分為直接免費供冷和間接免費供冷。直接免費供冷是將冷卻塔的出水直接供入用戶末端，形式簡單，供冷效率高，但冷卻水受大氣等污染，容易造成水系統管路腐蝕或結垢。間接免費供冷是冷卻水經換熱器換熱后為末端供冷，供冷效率低于直接免費供冷，但可以保證冷水系統不受污染，避免末端設備換熱能力降低。因此，目前間接免費供冷在工程中應用更普遍。

淺層地埋管熱泵系統冬季蒸發器側的設計溫度一般為5℃—10℃，是非常優質且穩定的冷源。冬季供熱的同時，回收利用這部分冷量，既能減少從土壤中獲取熱量，增大供熱面積，還能提高系統效率。目前市場上還沒有機組內冷回收的熱泵機組，只能考慮在機組外進行冷量回收。

3.2 冷回收

冷回收如圖2 所示，熱泵主機1 冬季制熱工況運行，切換閥8 開啟，切換閥9 關閉，熱泵主機1 熱水側與空調熱水連接，熱泵主機1 冷水側與地埋管連接。在地埋管循環水冷水側總管設一旁通回路，旁通回路冷水經冷回收循環泵3 輸送至冷回收換熱器2，經冷回收換熱器2 換熱后返回地埋管換熱器10 換熱，冷回收換熱器2 用戶側與空調冷水連接。

圖2 冷回收示意圖

運行過程中根據空調末端冷負荷變化，通過調節冷回收循環泵3 的頻率來調節進入冷回收換熱器2 中的冷水量，進而調節冷回收量。系統在沒有供冷需求時，冷回收循環泵3停運，地埋管循環水全部進入地埋管換熱器10 換熱，不影響系統供熱。

冬季初期制熱量較小，地埋管循環水溫度較高時，可調節地埋管供回水干管之間的電動旁通閥6，降低地埋管循環水低溫側溫度，滿足冷回收需求。此時雖然供熱效率略有下降，但系統供熱的同時供冷，整體能效還是遠高于單設供熱機組、單設供冷機組兩套機組總能耗。

4 結語

擁有冷回收的地源熱泵系統，在不專門設置制冷機組，不消耗制冷電能的情況下，可實現同時供冷供熱，系統能效大大提高。同時也減少地埋管數量、冬季專用制冷機組數量，降低初始投資。

設置熱回收變頻水泵3 和電動旁通閥6，能夠有效調節冷回收的冷量，滿足不同供冷量、供熱量需求，保持空調冷熱源性能穩定，安全可靠。

冬季冷負荷相對較小，且不考慮除濕問題，反季節空調供冷系統可采用大溫差運行，回水溫度可控制在12℃—15℃，進一步降低輸送能耗和運行費用。

地源熱泵四管制空調系統結合熱回收技術及冷回收技術后，一套系統可以做到全年隨時供冷供熱，最大程度的挖掘地源熱泵系統潛力，提高地源熱泵系統利用率及經濟效益，使地源熱泵系統擁有多種調節土壤冷熱平衡手段，提高地源熱泵系統適應能力。