高温多功能地源热泵节能新技术

孔令国，秦松祥

(1.江苏春兰清洁能源研究院有限公司，江苏泰州 225300)

(2.泰州职业技术学院机电技术学院，江苏泰州 225300)

高温多功能地源热泵节能新技术

孔令国1，秦松祥2

(1.江苏春兰清洁能源研究院有限公司，江苏泰州 225300)

(2.泰州职业技术学院机电技术学院，江苏泰州 225300)

地源热泵技术是从近地表的地下摄取能源，该能源是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，具有高能效、长寿命、环保、天然、绿色的特点。阐述了实施高温多功能地源热泵的设计措施，采用“二次冷凝制冷循环”技术、选用新型高效双螺杆压缩机，辅以压力、温度、过载、过热及断水延时自动保护等功能设计。经研究比较表明，应用该技术所生产的地源热泵产品与目前国内外同类产品相比具有出水温度高、高温不增压、运行噪声低、运转平稳安静的优势，并且可以制热、制冷、供生活热水同时进行，是一项值得大力推广应用的节能新技术。

多功能;地源;热泵;节能新技术

1 技术背景

随着中国经济的高速发展，能源和环保问题已经成为中国经济可持续发展的瓶颈。为了缓解中国能源压力，减少环境污染，自1998年开始，中国科技部和美国能源部合作将地源热泵技术引进中国，并在中国建立多个示范工程，就此拉开了地源热泵在中国应用的序幕。

我国幅员辽阔，气候多样，因建筑物的地理位置、功能等不同，采暖空调及热水系统形式亦各不相同。对冷热源水温来说，一般舒适性中央空调系统的制冷供回水温度要求7℃/12℃，采暖供回水温度要求40℃/45℃，散热器热水采暖系统的供回水温度要求更高，一般要求在60℃以上。在卫生热水供应系统中，根据使用功能和系统设计的不同，一般要求供水温度在40～65℃之间，并且随着人们对环保和能源问题的重视，大量的散热器采暖系统的锅炉设备需要改造。

但是，由于压缩式制冷技术受工质和冷凝温度等的限制，热泵机组在制热工况下的出水温度一般最高只能达到50℃左右［1］。对于新建的建筑，可以在末端系统设计中按此温度考虑。然而，在中央空调改造项目、散热器采暖项目以及热水供应系统中，50℃的供水温度已经不能或不完全能满足系统的使用要求。随着人们生活水平的提高，越来越多的建筑需要在供热、供冷的同时提供生活热水，甚至有一些建筑需要在不同区域同时制热、制冷，并且提供生活热水，因此研究具有这些特点的高温多功能地源热泵具有重要意义。

2 技术方案

高温多功能地源热泵能够转换利用浅层土壤低温热源，由于浅层土壤具有温度相对稳定的特点，因此可依靠少量的电力驱动压缩机，通过土壤埋管耦合换热的方式或其他方式，夏天向地下释放热量，冬天从地下吸收热量，从而实现了夏天制冷、降温和冬天供热、采暖的要求，其采暖运行费用比传统产品降低50%以上［2］，制冷、制热、24h热水，可节省建筑空间，且分区灵活、独立计费、无人值守，寿命长达20年以上，同时还具有高效、环保、节能等优点。

3 技术路线

若使用R22工质，普通热泵机组出水温度达到50℃时，制冷剂内压力一般在196.0N左右。若出水温度过高，会对设备的各个部件产生不利的影响。机组要在不提高热源(地源)温度的情况下，供热温度达到60℃以上，并保持较高的运行效率和稳定的运行状态，一般需要解决如下几个关键技术:选择合适的压缩机和工质，加强整体性能;进行系统及控制优化，解决高温出水时会产生高压而导致设备不稳定的问题。目前国内有两种类型的高温热泵机组，一类是采用特殊的高温制冷剂，使用螺杆压缩机，最高出水温度可达70～95℃。另一类是采用R134a作为高温制冷剂，使用活塞压缩机，最高出水温度在65℃左右，此类热泵一般用于回收余热，需要热源侧的温度在30℃以上，而且对压缩机的寿命和安全性是个重大的考验［3］。

笔者在技术方案设计中综合了国内外的现状，在压缩机的选择和系统的设计上独辟蹊径，研制出具有自己特色的双螺杆地源热泵高温机组，可以在不提高地源侧温度(地源侧温度为5～40℃)的情况下，可以使出水温度稳定达到60℃以上，最高可以达到80℃。该设备与目前国内外同类产品相比具有出水温度高、高温不增压、运行噪声低、运转平稳安静的优势，并且可以制热、制冷、供生活热水同时进行。表1是本设计与目前国内外同类产品的参数对比。

表1 本设计与国内外同类产品的参数对比

a．压缩机的选择。

选择双螺杆制冷压缩机，具有结构简单、稳定性高、噪声低、效能高等特点，克服了目前热泵设备常用压缩机类型主要是螺杆压缩机、全封闭涡旋压缩机与活塞压缩机等存在的容积效率低、结构复杂、易损件多、维修工作量大、振动大，噪声大等弊端。

b．系统设计。

热泵系统的运行压力不能太高，一般不能高于245.0N，否则会在安全性上产生很大的隐患，而且设备的寿命随之会大大减少，另外还需要特殊设计一些制冷配件，这样整机的成本将会增大，使产品的市场推广难度增大。因此，使用普通的制冷配件和普通的R22制冷剂得到想要的高温，并且在产生高温的同时，压力不能过高，是笔者在设计中考虑的主要因素。

传统的制冷设备中，制冷剂的循环过程中伴随着高温和高压，因此在技术方案设计中，笔者对制冷循环系统进行了创新，在设备内部增设二级冷凝器，使从压缩机排出的高温气体经过一级冷凝器后冷凝成液体，然后大部分进入二级冷凝器继续冷凝，一小部分不经过二级冷凝器，直接和经过二级冷凝器冷凝后的液体混合后进入蒸发器。这样就可以在产生需要的高温的同时，设备的压力却不会超过205.8N。

c．产品结构设计。

(1)制冷配件选型。

压缩机:双螺杆制冷压缩机，能效比高、噪声低、振动小。

蒸发器:壳管式干式蒸发器。

一、二级冷凝器:壳管式冷凝器。

膨胀阀:DANFOSS热力膨胀阀。

(2)整体结构设计。

采用普通制冷机组结构方式，压缩机置于二级冷凝器上，一级冷凝器置于蒸发器上，两部分并排摆放。制冷配件和管路的连接按最佳路线进行焊接。外置一体式的结构分别连接换热器的6个接口。

(3)控制系统设计。

采用单片机+触摸屏控制系统，为全中文电脑自动控制系统。系统除具有常规的自动控制功能外，还设置了高低压力保护、断水延时保护、温度保护、过载及过热保护、缺相及相序保护、压缩机启停保护等自动控制与保护功能。

4 技术水平

a．在使用功能上，该产品出热水温度可以达到80℃，热泵机组的内压力低于205.8N，可以在采暖、供生活热水的同时进行供冷，达到真正的多功能应用，产品技术指标达到国内外先进水平。

b．在系统及工艺流程设计方面，该产品选用具有自主知识产权的双螺杆压缩机，压缩机能效高、噪声低、振动小、寿命长;制冷循环采用二次冷凝流程，保证了系统在高温出水时的稳定性;水路系统采用专利技术外置一体式结构，可以节省占地，节省安装时间可达到50%以上，而且操作简单化。

c．机组运行噪声低:由于采用了具有完全自主知识产权的双螺杆压缩机，排气波动很小、振动小、噪声低，比传统压缩机的噪声降低约10dB左右。

d．运行效率高:系统采用多功能设计，可以供暖，供生活热水，制冷同时进行。从广义上来说，此时，电能转化成的热量和冷量都得以利用，所以此时运行效率最高，运行最经济节能。与只能进行供暖或者制冷的产品相比，运行效率大为提高。

e．适应性广:该技术产品除了可以吸收地源热源外，还可高效回收和转换利用各种不同温度、不同状况的流体热源(包括高低温水源、工业废水余热、城市污水余热和海水低温热源及河湖水源余温等)。

f．高效节能:制冷循环采用了两级冷凝系统，改善了工质的过冷凝工况，既提高了低温蒸发效率，又增强了高温制冷能力，其能效比可达3.6～5.5。

g．用途广泛:任何不同的自然流体热源经转换后得到的均为洁净的热源(高温热源或低温热源)，适用于各种建筑物集中供热采暖或制冷及提供生活热水，也可用于不同工业降温和其他冷冻冷藏及恒温保温行业。

5 结束语

地热能源具有天然、绿色、安全、无污染的特点，取之不尽、用之不竭，通过先进的地源热泵空调系统设计，可得到合理利用。该项技术正受到越来越多的重视，有着非常好的应用前景。

［1］ 彦启森.制冷技术及其应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［2］ 刁乃仁，方肇洪.地源热泵——建筑节能新技术［J］.建筑热能通风空调，2004，23(3):18－23.

［3］ 刁乃仁，方肇洪.地埋管地源热泵技术［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

孔令国(1968—)，男，江苏泰州人，江苏春兰清洁能源研究院有限公司高级工程师，主要研究方向为机电产品的设计、空调制冷产品的设计与制造、新型动力镍氢电池的研究与设计以及新型动力锂离子电池的研究与设计等。