地源热泵空调机组的系统及工程的方案设计

    地源热泵中央空调和地源热泵热水器都是一种高效、环保、安全的节能技术，如果将两者结合起来，做成集制冷、制热和制生活热水于一体的全热回收热泵机组，夏季时，利用空调的冷凝热免费制取生活用水，换季时则作为热泵热水器单独提供生活热水，冬季时，机组在非空调使用时段制取生活热水，既将二者的节能优势统一，也可以降低投资成本，有能充分利用机组，提高机组的使用率。

     关键词：地源热泵、热泵热水器、节能、全热回收

    现状：

    地源热泵与空气源热泵相比，有着无可比拟的节能优势，已完为世界上发展最快的可再生能源应用之一。党的十七大报告指出：“建设生态方明，基本形成节约能源资源和保护生态环境的产业结构、境长方式、消费模式。”十一五期间，加快建设节约型、环境友好型社会成训头等要务，节约资源成为基本国策，推进建筑节能工作迫在眉睫，地源热泵技术正是要实现这一时代目标的最佳选择。与传统中央空调相比，地源热泵实现了环保与节能的统一，在建筑供热空调中采用该技术可有效提主一次能源利用率，此项技术代表着节能型中央空调的发展趋势，推广其使用将对建筑节能目标的实现、合理利用资源、改善环境产生巨大的推动作用。

    热泵热水器与传统电热水器、燃气热水气相比，有更大的节能优势。热泵热水器由于水电分离，且不产生废气，因此更完全、更环保。与太阳能热水器相比，其使用不受天气影响，且其安装比太阳能热水器更方便，不受楼层限制。而地源热泵热水器由于其热源温度高且稳定，因此比空气源热泵热水器更节能。

   系统设计：

    要想实现全热回收功能，最简单的办法是在热泵机组四通阀与压缩机排气口串入一个热回收换热器。如下图：

1-压缩机        2-热回收换热器        3-四通阀

                4-源侧换热器     5-节流装置            6-使用侧换热器

图1 四通阀换向热泵+全热回收系统简图

    该系统实现全热回收方式系统简单，控制方便，并且国内已有部分厂家开始使用类似系统。但该系统中四通阀没有工作在一个安全的使用环境内，因为在进行全热回收工作时，从全热回收换热器流出的制冷剂为气液混合状态或过冷液体，之后再进入四通阀，四通阀进液态制冷剂后，其滑阀可能会因为液击在碎裂，各四通阀厂家均不推荐此类做法。

    为了解决四通阀液击问题，可采用电磁阀桥式换向系统来替代四通阀，如下图：

    当机组需要制冷运行时，电磁阀M1、M4开启，电磁阀M2、M3关闭；制热时，电磁阀M2、M3开启，电磁阀M1、M4关闭。

    工程设计：

    机组空调的工程应用可控通常的地源热泵工程来设计，其生活热水部分可设计为直热式和循环式，也可设计为直热循环式。

    直热式制取生活热水是通过机组对初始冷水进行一次加热，直接制取所需温度的生活热水，该方法对冷水加热时，加热前后温差大，其优点是工作工况较稳定，但是当生活热水储水箱由于散热降温低于所需温度时，无法对水箱储水进行二次加热。

    循环式制取生活热水则是通过机组对水箱内储水进行循环加热，逐渐加热至所需温度的生活热水。其优点是生活热水工程设计简单，水箱温度可控，但由于其在制取热水过程中随着热水温度不断上升，机组工作工况逐渐恶劣，且机组能效也逐渐下降。当水温达到45℃以上时，压缩机排气温度及压力很高，将影响压缩机的使用寿命。

    而直热循环式则综合利用了两者优点，虽然机组也会循环式运行，但其循环式运行时间短，对压缩机使用寿命影响不大。

    以下的直热循环式的工程设计简图；

1. 工程采用开式保温水箱，水箱设高低限水位开关，低位开关为水箱启动补水开关，高位开关是水箱停止补水开关。由于生活热水使用量会随季节改变，因此水箱水位开关可设计成多段位式，以便在不同的季节，保持不同的水位。
2. 当水箱补水时，机组开启，机组对冷水进行快热加热，当补水管压力不足时，开启水箱供水水泵P1，对补水压力作出补偿。
3. 当温度传感器T检测到水箱温度低于设定值时，则启动水箱循环泵，并启动机组，对水箱储水进行循环加热。

系统控制：

1. 机组可采用制冷、制热、制冷+热水、制热+热水和制热水五种模式；
2. 制冷、制热控制方法同常规机组；
3. 制冷+热水模式：

    该模式下，为简化其控制程序，推荐采用循环式制取生活热水。在机组运行初期，由于生活热水侧进水温度较低，此时可不开源侧水泵，仅以生活热水侧提供空调用冷源，当热水温度高于一定值（例如35℃）再可启源侧水泵，以生活热水侧和源侧同时提供空调用冷源。

1. 制热+生活热水

    该模式下，为防止空调负荷侧和生活热水侧抢热量，造成两侧同时效果差的现象，机组在该模式下的控制，应设置一个优先级，一般以生活热水为优先。当生活满足使用要求时，再开启空调负荷侧。

1. 机组喷液冷却

    当水箱储水循环加热时，温度达到50℃时，由于机组工作工况较为恶劣，压缩机最高工作温度可能达到115℃以上，最高排气压力可能达到2.7MPa以上，为提高压缩机的工作安全性，需要在机组冷凝器出口和压缩机进气口处增加喷液冷却装置。该装置可由电磁阀与毛细管串联组成(如图3)，通过检测压缩机排气管的温度来控制电磁阀的开关，当压缩机排气管温度达到设定值后（一般为105～110℃），开启电磁阀进行喷液冷却；当压缩机排气管温度低于设定值后（一般为90℃），关闭电磁阀停止喷液冷却。

运行费用对比 ：

    以下对制取生活热水时，全热回收热泵机组、电热水器、燃气热水器等三种热水器的运行费用热水使用：

   热水负荷（按热水出水温度55℃计，每月按30天计）

注；

1. 单日热水负荷Q=cmΔt，其中c为水比热4.2kJ/(kg·℃)，m为单日用水量，Δt为水加热前后温差；
2. 季节热水负荷=季节时长×当季的单日热水负荷；

   全热回收热泵机组、电热水器、燃气热水器年运行成本计算

    注：用电按1RMB/（kW·h）商业用电价格计算，天然气价格按2.6RMB/m³计算，天燃气热值按3.6×10⁴kJ/m³。全热回收热泵机组夏季制热水全免费，因此夏季热水负荷不计入机组制热水负荷之内。电热水器和燃气热水器制热效率均按100%计算，全热回收热泵机组的热水能效按《热泵热水器》水源式能效标准4.5。

   从以上运行费用对比，全热回收热泵机组的运行费用是三种热水器中最低的。

   发展方向：

1. 将热泵空调和热泵热水器结合起来，可使机组在夏季免费制取生活热水，也可使机组在换热季节单独制取生活热水，既提高了机组的使用率，也提高了机组对低位能源的利用率，综合提高了机组效率。因此全热回收热泵机组必将成为今后热泵机组的重要发展方向。
2. 如果设计出能容液击的四通换向阀，将会大大的推动全热回收热泵机组的发展。