小型户式直接蒸发式地源热泵机组的设计

张昌建 杨帆 刘欢 覃皓

摘  要：为了解决北方农村的清洁供暖问题，自行设计了一种适于北方广大农村住宅制冷和制热的直接蒸发式地源热泵分体式空调机组，将各部分集成，并通过可变温度热源对机组进行了测试，测试结果显示在满足冬季室内温度18℃的条件下，低温热源的温度达6℃机组能效比EER能达到4.0及以上，在典型农户实际应用整个供暖季的费用约为1500元，能够在农村地区推广应用。

关键词：小型户式;直接蒸发式热泵机组;能效比EER;热损失

中图分类号：TK123         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）22-0089-04

Abstract： In order to solve the problem of clean heating in rural areas of northern China， we designed a direct evaporative ground source heat pump split air conditioning unit suitable for refrigeration and heating of rural houses. Each part is integrated， and the unit is tested by variable temperature heat source. The test results show that under the condition of 18℃ indoor temperature in winter， the energy efficiency ratio EER of the unit with low temperature heat source up to 6℃ can reach 4.0 or above. The cost of the whole heating season is about 1，500 yuan， which can be popularized and applied in rural areas.

Keywords： small household; direct evaporation heat pump unit; energy efficiency ratio EER; heat loss

引言

供暖期间，北方地区农村以燃烧散煤与秸秆供暖为主，污染排放指标高，给大气环境带来了不小的影响，传统的供热规划模式已经不能满足新形势下的规划需求。随着一系列政策举措的落实，我国清洁供暖取得快速发展。因此，农村地区取消散煤燃烧，因地制宜地推广清洁供暖是北方农村地区的任务之一。

目前农村地区推广的清洁能源供暖有天然气供暖、电加热取暖以及热泵供暖等方式，但是在实施过程中存在以下问题：农村地区基础设施较为落后，天然气输配与管网建设困难，天然气资源难以得到保障，“煤改气”改造工程量大、工期长且用气存在一定的危险性;电直接取暖利用效率极低，不符合节能的要求，不可持续。因此造成反煤取暖的现象频繁发生。鉴于以上问题，非常有必要根据建筑密度、经济水平、 资源条件和居民习惯选用适宜的清洁供暖技术方案。

本文根据农村地区及其住宅的特点，在普通地源热泵的基础上设计了一套适合农村应用的新型热泵系统，研发出一套小型户式直接蒸发式地源热泵机组。直接蒸发式地源热泵因其效率高、热力过程不可逆损失小、结构简单等特点，适宜进行小型化开发，适合在我国广大村镇地区推广使用[1]。

1 小户型直接蒸发式热泵系统

整个系统由室外地源换热系统、地源热泵主机系统和室内末端系统三部分组成。在每户庭院空地上钻1-2口孔深100米左右的埋管井作为热泵低温热源，通过深埋于地下且注入防冻液的封闭塑料管获取地下深层土壤的热量，将热量传递给热泵机组;机组由小型水泵、蒸发器、压缩机、节流阀、分流器、电磁阀和干燥过滤器等装置组成，自带控制装置，组成形式简单，安装于屋顶或户外空地上;空调房间内采用直接蒸发式氟系统，不存在因停止运行造成温度过低而结冻的现象，用户可以根据需求随开随用，与农村居民生活习惯相适应。

农村地区住宅大多数建筑布局分散，且围护结构保温性差，远达不到建筑节能标准，能源消耗高，建筑热负荷指标按100w/m2算。选择邯郸市沙河镇某典型住宅房的两个房间建立示范，该住宅建筑占地面积为200m2，供暖面积26m2×2，建筑热负荷5.2kW。

由于实验地区属于夏热冬冷地区，热泵设计以冬季供暖为主，兼顾夏季降温。故本系统按冬季工况设计，进行夏季校核[2]。

1.1 工作原理和计算

热泵机组装置主要有：蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀四大部分组成，通过让制冷剂不断完成：蒸发（吸取地下水中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程[3]，从而将地下水里的热量转移到制冷剂

R410a中。系统原理图如图1所示。

1.2 理论计算

（3）蒸发器结构设计经计算：需布置8mm铜管换热管1根，套管用DN25镀锌铜管，有效换热长度3.2m。制冷工况计算方法与制热相同，不再赘述。

1.5 机组控制系统设计

机组系统有全面可靠的保护装置，保护机组系统的安全运行，主要的保护范围包括压缩机过载、过热保护，电路、电压的各项保护，传感器保护，制热系统压力保护，水路流量、温度、防冻保护等[4]。

2 机组性能试验

设计制造并搭建直接蒸发式地源热泵机组实验平台，进入试验台进行性能试验。以电加热水箱模拟与地下土壤换热制得的热水，通过32mm的PEC塑料软管和机组进水口和出水口连接，且在进水口和出水口侧安装温度仪和压力表，管路上安装流量计，按照设计要求工况调节热源侧水温和压力。通过改变热源侧进水温度，记录热源侧出口温度、流速以及末端的进风温度、出风温度、进风风速和出风风速，并在稳定后采集数据，共采集10组，数据见表2。

从测试结果可以看出：在进水温度由6℃上升至15℃的过程中，制热量呈上升趋势，能效比EER也随之增加。当机组进水温度为10℃时，实际测得制热量为6.49kW大于供热理论计算的5.2kW，故机组稳定运行后能达到设计要求。

在改变电加热模拟制得热水温度的过程中，能效比EER均能达到4.0及以上，由于地下土壤的温度常年保持在10-25℃，故完全适用于广大农村地区。

从测试结果可以看出：机组在运行过程中存在一定的热损失，分析原因主要有以下方面：（1）压缩机效率较低，输气量不足;（2）节流过程引起的功和制热量的损失;基于以上不足，该机组还有待改进。

3 直接蒸发式地源热泵机组性能测试定型参数（见表3）

4 结论

（1）将机组各部分集成，通过实验测试室内温度能够达到18℃以上，能够满足冬季取暖的要求。

（2）机组每小时的平均耗电量为1.45kW·h，按照年运行120天，每天运行16小时计算，年运行费用为1447元，运行费用较低。

（3）在地埋管的出水温度达到6℃及以上，機组能效比可达到4.0以上，机组的能效比达到设计预期。

（4）机组除了冬季供暖之外，还可以用于夏季空调制冷，省去了夏季空调的开支。

参考文献：

[1]郭永辉，侯根富，李兴友.直接膨胀式地源热泵设计工况探讨[J].福建工程学院学报，2013，11（6）：556-560.

[2]王勇，龙恩深，韦强，等.地源热泵地下管群换热器设计施工技术点滴[J].暖通空调，2004，34（11）：118-121.

[3]雷开先.节能地温空调（地源热泵）系统及在成都地区发展环境分析[J].四川建材，2012（2）：265-267.

[4]郭学军.煤矿空压机废热回收系统研究[J].装备制造技术，2013（4）.