浅层地埋管热泵系统中的热回收及冷回收技术探析

张学雷 校若沣 王煜哲

（1.河南省建筑设计研究院有限公司，河南 郑州 450014；2.郑州郑沣能源发展有限公司，河南 郑州 451460）

1 概述

1.1 浅层地埋管热泵工作原理

浅层地热能又称为浅层地温能，是指地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200m 埋深），土壤温度14℃—25℃范围内，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地埋管热泵利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季把热量从地下土壤中转移到建筑物内，为建筑供热，夏季再把热量从建筑屋内转移到地下土壤中，为建筑供冷，一个年度形成一个冷热循环。

1.2 浅层地埋管热泵系统的冷热平衡问题

浅层地埋管热泵冬季向土壤取热，夏季向土壤释热，这一特点决定了该项技术特别适用于冷热负荷相当的项目。若该系统在冷热负荷不平衡的情况下长期运行，将会使土壤温度逐渐上升或下降，导致地埋管换热器换的热环境恶化，从而影响系统的效率和运行的经济性。

1.3 生活热水及反季节供冷、供热需求

医院、酒店、学校、公寓等公共建筑全年均有生活热水需求。一些大型公共建筑，如会展中心、商场、宴会厅、会议中心等，冬季内区温度较高，在外区供热的同时，内区需要供冷。采用四管制空调系统的酒店，全年需要准备冷热源。在浅层地埋管热泵系统中通过热回收、冷回收等技术，不仅有利于解决浅层地埋管热泵系统冷热平衡问题，还可以使系统具有同时供冷、供热能力，免费得到生活热水，提高系统的能效。

2 热回收技术

热回收技术就是对冷水机组的冷凝排热进行回收，并加以利用，从而达到节能的目的。例如，一个酒店在夏季需要同时供冷和供热，有了热回收循环后，在制冷时排放的热量可以通过热回收后输送到建筑物中需要供热的地方，回收热量也可用来加热生活热水。热回收技术分为部分热回收和全热回收。

2.1 部分热回收

制冷剂蒸汽在流出压缩机进入冷凝器时，为过热状态，在压缩机与常规冷凝器之间增加一个热交换器，从过热状态的制冷剂获取热量，这种方式使热水直接与压缩机高温排气换热，因此可以提供较高的出水温度，如螺杆式热回收冷水机组的热水出水温度可以达到55℃，同时冷水机组的制冷运行效率不受影响。不足之处是热回收量比较小，一般不到冷水机组制冷量的20%。另一种部分热回收双管束冷凝器，水侧上下分层。额外补充的冷凝器面积可以提高冷凝器的冷却效果，使机组的运行效率提高。这种热回收方式不会提高机组冷凝温度，不必对部分加热模式进行特殊控制，多余的热量可以通过常规冷凝器排放。整机结构紧凑，外观质量好，占地面积小。

2.2 全热回收

全热回收回收的是所有需要被排出的过热量与冷凝热，通常做法是设置一个回收冷凝器，可完全取代常规冷凝器。一种做法是增加一个并联的热回收冷凝器，理论上可以回收100%的冷凝热，且出水温度较高。缺点是冷水机组的制冷运行效率会下降，热水出水温度越高，冷水机组的运行COP（制冷系数）越低，但考虑到回收可利用热量，系统整体能效是提高的。另一种做法是冷水机组原有的冷凝器增加管束，成为单冷凝器双管束，其运行特点与并联冷凝器基本相同。

2.3 夏季热回收对生活热水预热

热回收如图1 所示，热泵主机1 夏季制冷工况运行，切换阀9 开启，切换阀8 关闭，热泵主机1 蒸发器与空调冷水连接，热泵主机1 冷凝器侧与地埋管连接。在地埋管循环水热水侧总管设一旁通回路，旁通回路热水经热回收循环泵3输送至热回收换热器2，经热回收换热器2 换热后返回地埋管换热器10 换热，热回收换热器2 用户侧与生活热水连接，对生活热水预热至33℃。

图1 热回收示意图

运行过程中根据空调末端冷负荷变化，通过调节热回收循环泵3 的频率来调节进入冷回收换热器2 中的冷水量，进而调节冷回收量。系统在没有生活热水余热需求时，热回收循环泵3 停运，地埋管循环水全部进入地埋管换热器10 换热，不影响系统供冷。

3 冷回收

3.1 冬季供冷

冬季比较节能的供冷方式有新风供冷或冷却塔免费供冷。

采用室外新风供冷，将新风加热到低于室内焓值的状态，送到室内，来消除室内余热。利用新风供冷，仅需要利用新风机组及新风管道，不需要增加设备，具有投资小、运行费用低的优势。新风供冷在全空气系统中可以很好地解决冬季供冷问题，但“风机盘管+ 新风系统”却不能完全解决冬季供冷问题，且风管增大需要占用更大的层高。

冷却塔免费供冷技术可分为直接免费供冷和间接免费供冷。直接免费供冷是将冷却塔的出水直接供入用户末端，形式简单，供冷效率高，但冷却水受大气等污染，容易造成水系统管路腐蚀或结垢。间接免费供冷是冷却水经换热器换热后为末端供冷，供冷效率低于直接免费供冷，但可以保证冷水系统不受污染，避免末端设备换热能力降低。因此，目前间接免费供冷在工程中应用更普遍。

浅层地埋管热泵系统冬季蒸发器侧的设计温度一般为5℃—10℃，是非常优质且稳定的冷源。冬季供热的同时，回收利用这部分冷量，既能减少从土壤中获取热量，增大供热面积，还能提高系统效率。目前市场上还没有机组内冷回收的热泵机组，只能考虑在机组外进行冷量回收。

3.2 冷回收

冷回收如图2 所示，热泵主机1 冬季制热工况运行，切换阀8 开启，切换阀9 关闭，热泵主机1 热水侧与空调热水连接，热泵主机1 冷水侧与地埋管连接。在地埋管循环水冷水侧总管设一旁通回路，旁通回路冷水经冷回收循环泵3 输送至冷回收换热器2，经冷回收换热器2 换热后返回地埋管换热器10 换热，冷回收换热器2 用户侧与空调冷水连接。

图2 冷回收示意图

运行过程中根据空调末端冷负荷变化，通过调节冷回收循环泵3 的频率来调节进入冷回收换热器2 中的冷水量，进而调节冷回收量。系统在没有供冷需求时，冷回收循环泵3停运，地埋管循环水全部进入地埋管换热器10 换热，不影响系统供热。

冬季初期制热量较小，地埋管循环水温度较高时，可调节地埋管供回水干管之间的电动旁通阀6，降低地埋管循环水低温侧温度，满足冷回收需求。此时虽然供热效率略有下降，但系统供热的同时供冷，整体能效还是远高于单设供热机组、单设供冷机组两套机组总能耗。

4 结语

拥有冷回收的地源热泵系统，在不专门设置制冷机组，不消耗制冷电能的情况下，可实现同时供冷供热，系统能效大大提高。同时也减少地埋管数量、冬季专用制冷机组数量，降低初始投资。

设置热回收变频水泵3 和电动旁通阀6，能够有效调节冷回收的冷量，满足不同供冷量、供热量需求，保持空调冷热源性能稳定，安全可靠。

冬季冷负荷相对较小，且不考虑除湿问题，反季节空调供冷系统可采用大温差运行，回水温度可控制在12℃—15℃，进一步降低输送能耗和运行费用。

地源热泵四管制空调系统结合热回收技术及冷回收技术后，一套系统可以做到全年随时供冷供热，最大程度的挖掘地源热泵系统潜力，提高地源热泵系统利用率及经济效益，使地源热泵系统拥有多种调节土壤冷热平衡手段，提高地源热泵系统适应能力。