高溫多功能地源熱泵節(jié)能新技術(shù)

孔令國，秦松祥

(1.江蘇春蘭清潔能源研究院有限公司，江蘇泰州 225300)

(2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300)

高溫多功能地源熱泵節(jié)能新技術(shù)

孔令國1，秦松祥2

(1.江蘇春蘭清潔能源研究院有限公司，江蘇泰州 225300)

(2.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇泰州 225300)

地源熱泵技術(shù)是從近地表的地下攝取能源，該能源是一種取之不盡、用之不竭的可再生清潔能源，具有高能效、長壽命、環(huán)保、天然、綠色的特點(diǎn)。闡述了實(shí)施高溫多功能地源熱泵的設(shè)計(jì)措施，采用“二次冷凝制冷循環(huán)”技術(shù)、選用新型高效雙螺桿壓縮機(jī)，輔以壓力、溫度、過載、過熱及斷水延時(shí)自動(dòng)保護(hù)等功能設(shè)計(jì)。經(jīng)研究比較表明，應(yīng)用該技術(shù)所生產(chǎn)的地源熱泵產(chǎn)品與目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比具有出水溫度高、高溫不增壓、運(yùn)行噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜的優(yōu)勢(shì)，并且可以制熱、制冷、供生活熱水同時(shí)進(jìn)行，是一項(xiàng)值得大力推廣應(yīng)用的節(jié)能新技術(shù)。

多功能;地源;熱泵;節(jié)能新技術(shù)

1 技術(shù)背景

隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源和環(huán)保問題已經(jīng)成為中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。為了緩解中國能源壓力，減少環(huán)境污染，自1998年開始，中國科技部和美國能源部合作將地源熱泵技術(shù)引進(jìn)中國，并在中國建立多個(gè)示范工程，就此拉開了地源熱泵在中國應(yīng)用的序幕。

我國幅員遼闊，氣候多樣，因建筑物的地理位置、功能等不同，采暖空調(diào)及熱水系統(tǒng)形式亦各不相同。對(duì)冷熱源水溫來說，一般舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷供回水溫度要求7℃/12℃，采暖供回水溫度要求40℃/45℃，散熱器熱水采暖系統(tǒng)的供回水溫度要求更高，一般要求在60℃以上。在衛(wèi)生熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，根據(jù)使用功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，一般要求供水溫度在40～65℃之間，并且隨著人們對(duì)環(huán)保和能源問題的重視，大量的散熱器采暖系統(tǒng)的鍋爐設(shè)備需要改造。

但是，由于壓縮式制冷技術(shù)受工質(zhì)和冷凝溫度等的限制，熱泵機(jī)組在制熱工況下的出水溫度一般最高只能達(dá)到50℃左右［1］。對(duì)于新建的建筑，可以在末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中按此溫度考慮。然而，在中央空調(diào)改造項(xiàng)目、散熱器采暖項(xiàng)目以及熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，50℃的供水溫度已經(jīng)不能或不完全能滿足系統(tǒng)的使用要求。隨著人們生活水平的提高，越來越多的建筑需要在供熱、供冷的同時(shí)提供生活熱水，甚至有一些建筑需要在不同區(qū)域同時(shí)制熱、制冷，并且提供生活熱水，因此研究具有這些特點(diǎn)的高溫多功能地源熱泵具有重要意義。

2 技術(shù)方案

高溫多功能地源熱泵能夠轉(zhuǎn)換利用淺層土壤低溫?zé)嵩矗捎跍\層土壤具有溫度相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此可依靠少量的電力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，通過土壤埋管耦合換熱的方式或其他方式，夏天向地下釋放熱量，冬天從地下吸收熱量，從而實(shí)現(xiàn)了夏天制冷、降溫和冬天供熱、采暖的要求，其采暖運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)產(chǎn)品降低50%以上［2］，制冷、制熱、24h熱水，可節(jié)省建筑空間，且分區(qū)靈活、獨(dú)立計(jì)費(fèi)、無人值守，壽命長達(dá)20年以上，同時(shí)還具有高效、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

3 技術(shù)路線

若使用R22工質(zhì)，普通熱泵機(jī)組出水溫度達(dá)到50℃時(shí)，制冷劑內(nèi)壓力一般在196.0N左右。若出水溫度過高，會(huì)對(duì)設(shè)備的各個(gè)部件產(chǎn)生不利的影響。機(jī)組要在不提高熱源(地源)溫度的情況下，供熱溫度達(dá)到60℃以上，并保持較高的運(yùn)行效率和穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，一般需要解決如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù):選擇合適的壓縮機(jī)和工質(zhì)，加強(qiáng)整體性能;進(jìn)行系統(tǒng)及控制優(yōu)化，解決高溫出水時(shí)會(huì)產(chǎn)生高壓而導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定的問題。目前國內(nèi)有兩種類型的高溫?zé)岜脵C(jī)組，一類是采用特殊的高溫制冷劑，使用螺桿壓縮機(jī)，最高出水溫度可達(dá)70～95℃。另一類是采用R134a作為高溫制冷劑，使用活塞壓縮機(jī)，最高出水溫度在65℃左右，此類熱泵一般用于回收余熱，需要熱源側(cè)的溫度在30℃以上，而且對(duì)壓縮機(jī)的壽命和安全性是個(gè)重大的考驗(yàn)［3］。

筆者在技術(shù)方案設(shè)計(jì)中綜合了國內(nèi)外的現(xiàn)狀，在壓縮機(jī)的選擇和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上獨(dú)辟蹊徑，研制出具有自己特色的雙螺桿地源熱泵高溫機(jī)組，可以在不提高地源側(cè)溫度(地源側(cè)溫度為5～40℃)的情況下，可以使出水溫度穩(wěn)定達(dá)到60℃以上，最高可以達(dá)到80℃。該設(shè)備與目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比具有出水溫度高、高溫不增壓、運(yùn)行噪聲低、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安靜的優(yōu)勢(shì)，并且可以制熱、制冷、供生活熱水同時(shí)進(jìn)行。表1是本設(shè)計(jì)與目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品的參數(shù)對(duì)比。

表1 本設(shè)計(jì)與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的參數(shù)對(duì)比

a．壓縮機(jī)的選擇。

選擇雙螺桿制冷壓縮機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、噪聲低、效能高等特點(diǎn)，克服了目前熱泵設(shè)備常用壓縮機(jī)類型主要是螺桿壓縮機(jī)、全封閉渦旋壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)等存在的容積效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多、維修工作量大、振動(dòng)大，噪聲大等弊端。

b．系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行壓力不能太高，一般不能高于245.0N，否則會(huì)在安全性上產(chǎn)生很大的隱患，而且設(shè)備的壽命隨之會(huì)大大減少，另外還需要特殊設(shè)計(jì)一些制冷配件，這樣整機(jī)的成本將會(huì)增大，使產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣難度增大。因此，使用普通的制冷配件和普通的R22制冷劑得到想要的高溫，并且在產(chǎn)生高溫的同時(shí)，壓力不能過高，是筆者在設(shè)計(jì)中考慮的主要因素。

傳統(tǒng)的制冷設(shè)備中，制冷劑的循環(huán)過程中伴隨著高溫和高壓，因此在技術(shù)方案設(shè)計(jì)中，筆者對(duì)制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新，在設(shè)備內(nèi)部增設(shè)二級(jí)冷凝器，使從壓縮機(jī)排出的高溫氣體經(jīng)過一級(jí)冷凝器后冷凝成液體，然后大部分進(jìn)入二級(jí)冷凝器繼續(xù)冷凝，一小部分不經(jīng)過二級(jí)冷凝器，直接和經(jīng)過二級(jí)冷凝器冷凝后的液體混合后進(jìn)入蒸發(fā)器。這樣就可以在產(chǎn)生需要的高溫的同時(shí)，設(shè)備的壓力卻不會(huì)超過205.8N。

c．產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)制冷配件選型。

壓縮機(jī):雙螺桿制冷壓縮機(jī)，能效比高、噪聲低、振動(dòng)小。

蒸發(fā)器:殼管式干式蒸發(fā)器。

一、二級(jí)冷凝器:殼管式冷凝器。

膨脹閥:DANFOSS熱力膨脹閥。

(2)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

采用普通制冷機(jī)組結(jié)構(gòu)方式，壓縮機(jī)置于二級(jí)冷凝器上，一級(jí)冷凝器置于蒸發(fā)器上，兩部分并排擺放。制冷配件和管路的連接按最佳路線進(jìn)行焊接。外置一體式的結(jié)構(gòu)分別連接換熱器的6個(gè)接口。

(3)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

采用單片機(jī)+觸摸屏控制系統(tǒng)，為全中文電腦自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)除具有常規(guī)的自動(dòng)控制功能外，還設(shè)置了高低壓力保護(hù)、斷水延時(shí)保護(hù)、溫度保護(hù)、過載及過熱保護(hù)、缺相及相序保護(hù)、壓縮機(jī)啟停保護(hù)等自動(dòng)控制與保護(hù)功能。

4 技術(shù)水平

a．在使用功能上，該產(chǎn)品出熱水溫度可以達(dá)到80℃，熱泵機(jī)組的內(nèi)壓力低于205.8N，可以在采暖、供生活熱水的同時(shí)進(jìn)行供冷，達(dá)到真正的多功能應(yīng)用，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。

b．在系統(tǒng)及工藝流程設(shè)計(jì)方面，該產(chǎn)品選用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙螺桿壓縮機(jī)，壓縮機(jī)能效高、噪聲低、振動(dòng)小、壽命長;制冷循環(huán)采用二次冷凝流程，保證了系統(tǒng)在高溫出水時(shí)的穩(wěn)定性;水路系統(tǒng)采用專利技術(shù)外置一體式結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省占地，節(jié)省安裝時(shí)間可達(dá)到50%以上，而且操作簡(jiǎn)單化。

c．機(jī)組運(yùn)行噪聲低:由于采用了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙螺桿壓縮機(jī)，排氣波動(dòng)很小、振動(dòng)小、噪聲低，比傳統(tǒng)壓縮機(jī)的噪聲降低約10dB左右。

d．運(yùn)行效率高:系統(tǒng)采用多功能設(shè)計(jì)，可以供暖，供生活熱水，制冷同時(shí)進(jìn)行。從廣義上來說，此時(shí)，電能轉(zhuǎn)化成的熱量和冷量都得以利用，所以此時(shí)運(yùn)行效率最高，運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)節(jié)能。與只能進(jìn)行供暖或者制冷的產(chǎn)品相比，運(yùn)行效率大為提高。

e．適應(yīng)性廣:該技術(shù)產(chǎn)品除了可以吸收地源熱源外，還可高效回收和轉(zhuǎn)換利用各種不同溫度、不同狀況的流體熱源(包括高低溫水源、工業(yè)廢水余熱、城市污水余熱和海水低溫?zé)嵩醇昂雍从鄿氐?。

f．高效節(jié)能:制冷循環(huán)采用了兩級(jí)冷凝系統(tǒng)，改善了工質(zhì)的過冷凝工況，既提高了低溫蒸發(fā)效率，又增強(qiáng)了高溫制冷能力，其能效比可達(dá)3.6～5.5。

g．用途廣泛:任何不同的自然流體熱源經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的均為潔凈的熱源(高溫?zé)嵩椿虻蜏責(zé)嵩?，適用于各種建筑物集中供熱采暖或制冷及提供生活熱水，也可用于不同工業(yè)降溫和其他冷凍冷藏及恒溫保溫行業(yè)。

5 結(jié)束語

地?zé)崮茉淳哂刑烊?、綠色、安全、無污染的特點(diǎn)，取之不盡、用之不竭，通過先進(jìn)的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可得到合理利用。該項(xiàng)技術(shù)正受到越來越多的重視，有著非常好的應(yīng)用前景。

［1］ 彥啟森.制冷技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］ 刁乃仁，方肇洪.地源熱泵——建筑節(jié)能新技術(shù)［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004，23(3):18－23.

［3］ 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源熱泵技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2006.。

The New Energy Saving Technology of High Temperature Multifunctional Soil－geothermal Pump

KONG Lingguo1，QIN Songxiang2
(1.Chunlan Clean Energy Academy Co.，Ltd.，Jiangsu Taizhou，225300，China)
(2.Taizhou Polytechnic Institute，Jiangsu Taizhou，225300，China)

Ground source heat pump technology is an inexhaustible renewable and clean energy，and has the characteristics with high energy efficiency，long life，environmental protection，natural production and green.It elaborates the design measures of implementing the high temperature multifunctional ground source heat pump，applies"quadratic congealed refrigerating cycle"technology，slects a new type highly efficient twin screw compressor.The functioning design includes pressure，temperature，overloading，superheating and automatic protection of wate breaking of time delay.Comparing with like products at home and abroad，the testing result indicates that the productions of the ground source heat pump have the advantages of a high outlet water temperature in high temperatures，a lower operating noise and a smooth running.This technology can supply heating，refrigeration and hot living water simultaneously，and be a new energy－saving technology.

Multifunctional;Soil－geothermal Pump;New Energy Saving Technology.

TB523

B

2095－509X(2013)12－0062－03

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.12.015

2013－11－13

孔令國(1968—)，男，江蘇泰州人，江蘇春蘭清潔能源研究院有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、空調(diào)制冷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造、新型動(dòng)力鎳氫電池的研究與設(shè)計(jì)以及新型動(dòng)力鋰離子電池的研究與設(shè)計(jì)等。