張昌建 楊帆 劉歡 覃皓

摘 ?要：為了解決北方農(nóng)村的清潔供暖問(wèn)題，自行設(shè)計(jì)了一種適于北方廣大農(nóng)村住宅制冷和制熱的直接蒸發(fā)式地源熱泵分體式空調(diào)機(jī)組，將各部分集成，并通過(guò)可變溫度熱源對(duì)機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示在滿(mǎn)足冬季室內(nèi)溫度18℃的條件下，低溫?zé)嵩吹臏囟冗_(dá)6℃機(jī)組能效比EER能達(dá)到4.0及以上，在典型農(nóng)戶(hù)實(shí)際應(yīng)用整個(gè)供暖季的費(fèi)用約為1500元，能夠在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：小型戶(hù)式;直接蒸發(fā)式熱泵機(jī)組;能效比EER;熱損失

中圖分類(lèi)號(hào)：TK123 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

供暖期間，北方地區(qū)農(nóng)村以燃燒散煤與秸稈供暖為主，污染排放指標(biāo)高，給大氣環(huán)境帶來(lái)了不小的影響，傳統(tǒng)的供熱規(guī)劃模式已經(jīng)不能滿(mǎn)足新形勢(shì)下的規(guī)劃需求。隨著一系列政策舉措的落實(shí)，我國(guó)清潔供暖取得快速發(fā)展。因此，農(nóng)村地區(qū)取消散煤燃燒，因地制宜地推廣清潔供暖是北方農(nóng)村地區(qū)的任務(wù)之一。

目前農(nóng)村地區(qū)推廣的清潔能源供暖有天然氣供暖、電加熱取暖以及熱泵供暖等方式，但是在實(shí)施過(guò)程中存在以下問(wèn)題：農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施較為落后，天然氣輸配與管網(wǎng)建設(shè)困難，天然氣資源難以得到保障，“煤改氣”改造工程量大、工期長(zhǎng)且用氣存在一定的危險(xiǎn)性;電直接取暖利用效率極低，不符合節(jié)能的要求，不可持續(xù)。因此造成反煤取暖的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。鑒于以上問(wèn)題，非常有必要根據(jù)建筑密度、經(jīng)濟(jì)水平、 資源條件和居民習(xí)慣選用適宜的清潔供暖技術(shù)方案。

本文根據(jù)農(nóng)村地區(qū)及其住宅的特點(diǎn)，在普通地源熱泵的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套適合農(nóng)村應(yīng)用的新型熱泵系統(tǒng)，研發(fā)出一套小型戶(hù)式直接蒸發(fā)式地源熱泵機(jī)組。直接蒸發(fā)式地源熱泵因其效率高、熱力過(guò)程不可逆損失小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適宜進(jìn)行小型化開(kāi)發(fā)，適合在我國(guó)廣大村鎮(zhèn)地區(qū)推廣使用[1]。

1 小戶(hù)型直接蒸發(fā)式熱泵系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由室外地源換熱系統(tǒng)、地源熱泵主機(jī)系統(tǒng)和室內(nèi)末端系統(tǒng)三部分組成。在每戶(hù)庭院空地上鉆1-2口孔深100米左右的埋管井作為熱泵低溫?zé)嵩矗ㄟ^(guò)深埋于地下且注入防凍液的封閉塑料管獲取地下深層土壤的熱量，將熱量傳遞給熱泵機(jī)組;機(jī)組由小型水泵、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥、分流器、電磁閥和干燥過(guò)濾器等裝置組成，自帶控制裝置，組成形式簡(jiǎn)單，安裝于屋頂或戶(hù)外空地上;空調(diào)房間內(nèi)采用直接蒸發(fā)式氟系統(tǒng)，不存在因停止運(yùn)行造成溫度過(guò)低而結(jié)凍的現(xiàn)象，用戶(hù)可以根據(jù)需求隨開(kāi)隨用，與農(nóng)村居民生活習(xí)慣相適應(yīng)。

農(nóng)村地區(qū)住宅大多數(shù)建筑布局分散，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性差，遠(yuǎn)達(dá)不到建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，能源消耗高，建筑熱負(fù)荷指標(biāo)按100w/m2算。選擇邯鄲市沙河鎮(zhèn)某典型住宅房的兩個(gè)房間建立示范，該住宅建筑占地面積為200m2，供暖面積26m2×2，建筑熱負(fù)荷5.2kW。

由于實(shí)驗(yàn)地區(qū)屬于夏熱冬冷地區(qū)，熱泵設(shè)計(jì)以冬季供暖為主，兼顧夏季降溫。故本系統(tǒng)按冬季工況設(shè)計(jì)，進(jìn)行夏季校核[2]。

1.1 工作原理和計(jì)算

熱泵機(jī)組裝置主要有：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥四大部分組成，通過(guò)讓制冷劑不斷完成：蒸發(fā)（吸取地下水中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程[3]，從而將地下水里的熱量轉(zhuǎn)移到制冷劑

R410a中。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.2 理論計(jì)算

（3）蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)計(jì)算：需布置8mm銅管換熱管1根，套管用DN25鍍鋅銅管，有效換熱長(zhǎng)度3.2m。制冷工況計(jì)算方法與制熱相同，不再贅述。

1.5 機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)組系統(tǒng)有全面可靠的保護(hù)裝置，保護(hù)機(jī)組系統(tǒng)的安全運(yùn)行，主要的保護(hù)范圍包括壓縮機(jī)過(guò)載、過(guò)熱保護(hù)，電路、電壓的各項(xiàng)保護(hù)，傳感器保護(hù)，制熱系統(tǒng)壓力保護(hù)，水路流量、溫度、防凍保護(hù)等[4]。

2 機(jī)組性能試驗(yàn)

設(shè)計(jì)制造并搭建直接蒸發(fā)式地源熱泵機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)。以電加熱水箱模擬與地下土壤換熱制得的熱水，通過(guò)32mm的PEC塑料軟管和機(jī)組進(jìn)水口和出水口連接，且在進(jìn)水口和出水口側(cè)安裝溫度儀和壓力表，管路上安裝流量計(jì)，按照設(shè)計(jì)要求工況調(diào)節(jié)熱源側(cè)水溫和壓力。通過(guò)改變熱源側(cè)進(jìn)水溫度，記錄熱源側(cè)出口溫度、流速以及末端的進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度、進(jìn)風(fēng)風(fēng)速和出風(fēng)風(fēng)速，并在穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，共采集10組，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從測(cè)試結(jié)果可以看出：在進(jìn)水溫度由6℃上升至15℃的過(guò)程中，制熱量呈上升趨勢(shì)，能效比EER也隨之增加。當(dāng)機(jī)組進(jìn)水溫度為10℃時(shí)，實(shí)際測(cè)得制熱量為6.49kW大于供熱理論計(jì)算的5.2kW，故機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在改變電加熱模擬制得熱水溫度的過(guò)程中，能效比EER均能達(dá)到4.0及以上，由于地下土壤的溫度常年保持在10-25℃，故完全適用于廣大農(nóng)村地區(qū)。

從測(cè)試結(jié)果可以看出：機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中存在一定的熱損失，分析原因主要有以下方面：（1）壓縮機(jī)效率較低，輸氣量不足;（2）節(jié)流過(guò)程引起的功和制熱量的損失;基于以上不足，該機(jī)組還有待改進(jìn)。

3 直接蒸發(fā)式地源熱泵機(jī)組性能測(cè)試定型參數(shù)（見(jiàn)表3）

4 結(jié)論

（1）將機(jī)組各部分集成，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試室內(nèi)溫度能夠達(dá)到18℃以上，能夠滿(mǎn)足冬季取暖的要求。

（2）機(jī)組每小時(shí)的平均耗電量為1.45kW·h，按照年運(yùn)行120天，每天運(yùn)行16小時(shí)計(jì)算，年運(yùn)行費(fèi)用為1447元，運(yùn)行費(fèi)用較低。

（3）在地埋管的出水溫度達(dá)到6℃及以上，機(jī)組能效比可達(dá)到4.0以上，機(jī)組的能效比達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

（4）機(jī)組除了冬季供暖之外，還可以用于夏季空調(diào)制冷，省去了夏季空調(diào)的開(kāi)支。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭永輝，侯根富，李興友.直接膨脹式地源熱泵設(shè)計(jì)工況探討[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，11（6）：556-560.

[2]王勇，龍恩深，韋強(qiáng)，等.地源熱泵地下管群換熱器設(shè)計(jì)施工技術(shù)點(diǎn)滴[J].暖通空調(diào)，2004，34（11）：118-121.

[3]雷開(kāi)先.節(jié)能地溫空調(diào)（地源熱泵）系統(tǒng)及在成都地區(qū)發(fā)展環(huán)境分析[J].四川建材，2012（2）：265-267.

[4]郭學(xué)軍.煤礦空壓機(jī)廢熱回收系統(tǒng)研究[J].裝備制造技術(shù)，2013（4）.