一種基于土壤源熱泵的空調(diào)制冷供暖系統(tǒng)研究

靳俊杰，崔秋娜，李帥鵬，張志輝，張沛璐

（河南城建學(xué)院能源與建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

0 引言

隨著國家大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、提倡節(jié)能環(huán)保，建筑能耗成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國建筑能耗約為10億噸標(biāo)煤，約占社會總能耗的22%［1］，而其中空調(diào)能耗又占有較高的比重，因此推廣空調(diào)節(jié)能無疑至關(guān)重要。

土壤源熱泵是近些年來人們比較青睞的一種供暖制冷技術(shù)，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，而毛細(xì)管網(wǎng)換熱器，具有舒適度好、無吹風(fēng)感、高效節(jié)能和使用壽命長等眾多優(yōu)點(diǎn)，二者結(jié)合起來，必能發(fā)揮出更大的節(jié)能環(huán)保效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該空調(diào)制冷供暖系統(tǒng)由兩大部分組成，即地埋管換熱器與毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻結(jié)合的制冷系統(tǒng)及地埋管換熱器與機(jī)組、毛細(xì)管相結(jié)合的供暖系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用雙U形地埋管并聯(lián)，其中一路U形地埋管換熱器為夏季制冷提供冷源，另一路U形地埋管換熱器在冬季供暖時(shí)為機(jī)組的蒸發(fā)器提供熱源。

夏季制冷時(shí)，U形地埋管換熱器通過循環(huán)水泵直接給毛細(xì)管提供冷水，因?yàn)槟┒嗣?xì)管處在毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻中，即便毛細(xì)管表面溫度達(dá)到冷凝溫度，也會遇冷凝結(jié)成水珠隨重力的作用滴落在底部水槽中而排出室外，避免傳統(tǒng)毛細(xì)管網(wǎng)制冷造成墻體潮濕而受損的現(xiàn)象。

冬季供暖時(shí)，U形地埋管換熱器通過循環(huán)水泵直接給機(jī)組的蒸發(fā)器提供熱源，大大提高蒸發(fā)器的換熱效果，從而提高機(jī)組的COP值。而機(jī)組冷凝器端產(chǎn)生的熱水，輸送到房間的地板毛細(xì)管中，達(dá)到供暖的目的。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 夏季制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由U形地下?lián)Q熱盤管、毛細(xì)管網(wǎng)換熱器、分水器、集水器、循環(huán)水泵、貫流風(fēng)機(jī)與毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻等組成，如圖1所示。

圖1 制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻布置在兩側(cè)墻位置，占據(jù)面積較大，這樣可使毛細(xì)管利用小溫差、大流量原理來進(jìn)行夏季制冷，如圖2所示。在重力空調(diào)墻上端開有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口，下側(cè)設(shè)置有貫流風(fēng)機(jī)和出風(fēng)口，底部設(shè)置有接收冷凝水的水槽，如圖3所示。

圖2 毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖

毛細(xì)管網(wǎng)換熱器中布置有毛細(xì)管，室外新風(fēng)進(jìn)入可進(jìn)行對流換熱，降低新風(fēng)溫度。

2.2 冬季供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該供暖系統(tǒng)主要由U形地下?lián)Q熱盤管、熱泵機(jī)組、毛細(xì)管、循環(huán)水泵等組成，如圖4所示。

圖4 供暖系統(tǒng)示意圖

U形地下?lián)Q熱盤管與熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器相連接，為蒸發(fā)器提供低位熱源，熱泵機(jī)組的冷凝器端與鋪設(shè)在地板中的毛細(xì)管相連接，為毛細(xì)管提供熱水來供暖。

3 系統(tǒng)的工作原理

3.1 夏季制冷系統(tǒng)工作原理

夏季制冷時(shí)，U形地埋管中的水與周圍土壤進(jìn)行換熱，在循環(huán)水泵的驅(qū)動下，換熱后的冷水首先進(jìn)入到毛細(xì)管網(wǎng)換熱器中，與室外新風(fēng)換熱后，通過分水器進(jìn)入到毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻中，與室內(nèi)回風(fēng)進(jìn)行換熱，達(dá)到制冷的目的?；厮M(jìn)入到集水器，然后重新進(jìn)入U(xiǎn)形地下?lián)Q熱盤管中，形成一個(gè)循環(huán)。

為了保障室內(nèi)空氣品質(zhì)，制冷時(shí)引入室外新風(fēng)，室外新風(fēng)先在毛細(xì)管網(wǎng)換熱器中進(jìn)行初步換熱，溫度得到一定的降低，然后在風(fēng)機(jī)的驅(qū)動下，通過三通閥分別進(jìn)入到墻體兩側(cè)的毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻中，同室內(nèi)回風(fēng)混合，與毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻中的毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)行對流換熱，最后送入房間中。

當(dāng)空氣在毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻中進(jìn)行對流換熱時(shí)，如果出現(xiàn)了凝露現(xiàn)象，產(chǎn)生的冷凝水隨重力作用會滴落在底部水槽中，然后排出室外，克服了傳統(tǒng)毛細(xì)管網(wǎng)空調(diào)制冷時(shí)，地板或墻體表面容易出現(xiàn)的凝露問題。

3.2 冬季供暖系統(tǒng)工作原理

冬季供暖時(shí)，另一路U形地埋管中的水與周圍土壤進(jìn)行換熱，在循環(huán)水泵驅(qū)動下，進(jìn)入到熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器端，為機(jī)組提供熱源，進(jìn)行換熱后，水溫降低并重新進(jìn)入到U形地埋管中，重新與周圍土壤進(jìn)行換熱，形成一個(gè)循環(huán)。

熱泵機(jī)組產(chǎn)生的熱水進(jìn)入到毛細(xì)管中，通過房間的輻射換熱，使得房間溫度保持在一個(gè)較舒適的范圍，降溫后的水重新回到熱泵機(jī)組進(jìn)行加熱，形成另一個(gè)循環(huán)。

4 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)節(jié)能可行性分析

夏季制冷時(shí)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［2］，重慶夏季制冷若以23℃水供毛細(xì)管網(wǎng)，室溫基本可以穩(wěn)定在27℃以內(nèi)，基本滿足人體舒適度要求，且該文獻(xiàn)研究表明，在基本滿足室內(nèi)溫度要求下，允許供水溫度上限為24℃。吳盛威［3］實(shí)驗(yàn)測量了位于天津市濱海新區(qū)的工程項(xiàng)目，數(shù)據(jù)顯示制冷工況下地埋管出水溫度在17.6～20.3℃范圍內(nèi)。由此可見，一些地區(qū)地埋管出水溫度遠(yuǎn)低于制冷供水溫度要求。末端采用的是毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻，可鋪設(shè)較大面積的毛細(xì)管網(wǎng)，且此種毛細(xì)管重力循環(huán)制冷裝置被證明制冷效果明顯［4－5］，又能克服凝露問題，利用毛細(xì)管網(wǎng)小溫差、大流量原理來進(jìn)行夏季制冷，運(yùn)行時(shí)只需耗費(fèi)循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)的少量電能，就能正常制冷，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

冬季供暖時(shí)，土壤源熱泵的電力消耗，要比空氣源熱泵減少40%以上，比電供暖減少70%以上［6］，節(jié)能效果明顯。末端依然采取毛細(xì)管散熱器，要比傳統(tǒng)普通的末端散熱器效率高，且所需供暖水溫要求低，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。該制冷供暖系統(tǒng)與傳統(tǒng)的土壤源熱泵系統(tǒng)相比，僅僅把末端的傳統(tǒng)換熱器改為毛細(xì)管，且主要多了一套夏季制冷時(shí)使用的毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻，造價(jià)成本略有提升，但運(yùn)行成本低。地埋管換熱器夏季向土壤釋放熱量，冬季向土壤吸收熱量，二者相當(dāng)，有利于地下土壤的熱平衡，從而為該套制冷供暖裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。

5 小結(jié)

該系統(tǒng)夏季制冷可充分利用地下土壤冷源，引入室外新風(fēng)，末端采用毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻裝置，不僅改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，又能避免傳統(tǒng)上毛細(xì)管空調(diào)凝露問題，最大優(yōu)勢是不需要制冷機(jī)組，可直接向末端供冷水制冷，最大化節(jié)能；冬季供熱，熱泵機(jī)組一方面利用土壤中的熱源，一方面末端采用毛細(xì)管，只需提供低品位的熱水，二者結(jié)合，使熱泵機(jī)組的COP較高。

系統(tǒng)在制冷時(shí)，引入的新風(fēng)進(jìn)行兩級換熱，先與毛細(xì)管網(wǎng)換熱器換熱，又被送入到毛細(xì)管網(wǎng)呼吸式重力空調(diào)墻中與室內(nèi)的循環(huán)回風(fēng)混合，并一起與呼吸墻進(jìn)行換熱，這樣有助于新風(fēng)的充分熱交換。呼吸式重力空調(diào)墻中采用雙級風(fēng)口，并引入貫流風(fēng)機(jī)，可增強(qiáng)室內(nèi)循環(huán)回風(fēng)、室外新風(fēng)與毛細(xì)管網(wǎng)的換熱效果。