應(yīng)用于輻射板系統(tǒng)的土壤熱泵機(jī)組

 

0 前言 

 

輻射板利用對流和輻射方式供冷供熱，室內(nèi)溫度分布均勻，垂直溫差下降到3℃[1]，熱舒適性高；室內(nèi)無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，寧靜宜人；設(shè)在樓板、墻體等建筑結(jié)構(gòu)中的盤管可使結(jié)構(gòu)承擔(dān)蓄能作用，室溫波動小。技術(shù)先進(jìn)，是一種新型空調(diào)系統(tǒng)。土壤熱泵是以大地為熱源對建筑進(jìn)行空調(diào)的技術(shù)。它是一種節(jié)能、對環(huán)境友好的綠色空調(diào)設(shè)備，符合可持續(xù) 發(fā)展 的要求[2]。近幾年來，隨著房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，別墅市場迅速拓展。在別墅區(qū)內(nèi)，土壤熱泵的地下?lián)Q熱管可布置在花園、草坪、車庫等的下面，而不 影響 地面空間的使用。因此，從戶式家用空調(diào)的角度上看，土壤熱泵與輻射板有機(jī)的結(jié)合，是別墅空調(diào)系統(tǒng)的一個優(yōu)秀的方案。鑒于輻射板在應(yīng)用方面有諸多獨(dú)特之處，本文著重介紹與之相配的土壤熱泵的工作原理及性能特點(diǎn)等。1 工作原理

 

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況輻射板離不開空氣系統(tǒng)，這是因?yàn)橐环矫嬉�提供最少的室外空氣以保證室內(nèi)空氣品質(zhì)，另一方面，要對室內(nèi)空氣進(jìn)行空氣除濕，以防止輻射板結(jié)露[1 ]。從系統(tǒng)功能上分，輻射板夏季只負(fù)擔(dān)室內(nèi)的顯熱負(fù)荷，濕負(fù)荷則由回風(fēng)處理；冬季輻射板提供整個室內(nèi)的熱負(fù)荷。任何季節(jié)，輻射板均不負(fù)擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷。機(jī)組如何滿足上述要求， 目前 有不同的方法，以夏季為例。方案一：制冷機(jī)提供7℃左右的冷凍水，一部分直接送入新風(fēng)機(jī)，對經(jīng)過除濕后的室外新風(fēng)冷卻降溫，送入室內(nèi)；另一部分，進(jìn)入板式換熱器，交換出高溫冷凍水送入輻射板。方案二：制冷機(jī)提供7℃左右的冷凍水，一部分直接送入新風(fēng)機(jī)，另一部分通過三通閥與回水混合后送入輻射板。本文介紹的土壤熱泵采用兩套制冷系統(tǒng)。同上述兩方案相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：供冷時機(jī)組直接提供高溫冷凍水，無需二次換熱，提高整機(jī)效率。新風(fēng)、輻射板采用不同制冷系統(tǒng)，分工合作，獨(dú)立性強(qiáng)，可滿足不同季節(jié)的性能要求。1.2 機(jī)組的主要功能機(jī)組工作原理圖見圖1。從圖示虛線部分，大致可將機(jī)組分為兩部分：主機(jī)，夏、冬季啟動，向輻射板提供冷、熱水；新風(fēng)機(jī)，帶有獨(dú)立的熱泵系統(tǒng)，對新風(fēng)或回風(fēng)進(jìn)行適當(dāng)處理，以滿足不同季節(jié)的工作要求。室外側(cè)水泵兩系統(tǒng)共用。室內(nèi)設(shè)溫濕度傳感器，用于檢測空調(diào)房間干球溫度及相對濕度。并通過編程 計(jì)算 出房間的露點(diǎn)溫度。新風(fēng)閥和回風(fēng)旁通閥隨著室內(nèi)露點(diǎn)溫度的變化而做出相應(yīng)的動作。該土壤熱泵機(jī)組可四季運(yùn)行，保持室內(nèi)舒適、健康的空調(diào)環(huán)境。

 

 圖1 機(jī)組工作原理圖1、新風(fēng)閥 2、回風(fēng)旁通閥 3、熱回收器 4、排風(fēng)機(jī) 5、送風(fēng)機(jī) 6、翅片換熱器 7、四通換向閥 8、壓縮機(jī) 9、氣液分離器 10、室外側(cè)換熱器 11、雙向過濾器 12、雙向熱力膨脹閥 13、膨脹水箱 14、室內(nèi)水泵 15、室外水泵1.3 不同季節(jié)的工作狀態(tài)土壤熱泵機(jī)組共設(shè)三種工作模式：制冷、制熱、通風(fēng)。夏季：主機(jī)負(fù)擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，通過輻射板向房間供冷；新風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷以及為避免地（頂）板結(jié)露的除濕負(fù)荷。因此制冷模式下，新風(fēng)機(jī)的運(yùn)行分為新風(fēng)模式和除濕模式。輻射板供冷時，如果室內(nèi)側(cè)露點(diǎn)溫度高于設(shè)定要求，為防止地板或頂板結(jié)露，新風(fēng)機(jī)工作于除濕模式。除濕時，新風(fēng)機(jī)的制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，室外新風(fēng)閥關(guān)閉，室內(nèi)回風(fēng)的旁通閥打開，排風(fēng)機(jī)工作，送風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，室內(nèi)空氣不斷循環(huán)，經(jīng)翅片換熱器（蒸發(fā)器）除濕降溫，向房間輸入低含濕量的空氣，逐漸降低室內(nèi)的空氣露點(diǎn)溫度。當(dāng)室內(nèi)露點(diǎn)溫度滿足運(yùn)行要求時，新風(fēng)機(jī)工作于新風(fēng)模式。室外新風(fēng)閥開啟，室內(nèi)回風(fēng)的旁通閥關(guān)閉，送、排風(fēng)機(jī)開啟，新風(fēng)機(jī)的制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。室外新風(fēng)經(jīng)熱回收器初次降溫后，由送風(fēng)機(jī)經(jīng)翅片換熱器（蒸發(fā)器）降溫后送風(fēng)室內(nèi)；室內(nèi)部分空氣經(jīng)熱回收器吸熱后，由排風(fēng)機(jī)排至室外。進(jìn)、排風(fēng)量大致相當(dāng)，維持室內(nèi)適當(dāng)?shù)恼龎�。在供水溫度不引起室�?nèi)頂板結(jié)露的范圍內(nèi)，主機(jī)壓縮機(jī)啟動，由室內(nèi)水泵不斷將冷量輸送到輻射板。冬季：主機(jī)負(fù)擔(dān)室內(nèi)熱負(fù)荷，通過輻射板向房間供熱；新風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷。土壤熱泵制熱時，室內(nèi)、外側(cè)水泵首先啟動，主機(jī)壓縮機(jī)啟動，四通換向閥換向，壓縮機(jī)排氣進(jìn)入室內(nèi)換熱器（冷凝器），將從土壤中吸收的熱量散出，由水泵送至房間內(nèi)的輻射板，均勻地向室內(nèi)供熱。新風(fēng)機(jī)啟動時室外新風(fēng)閥打開，室內(nèi)回風(fēng)的旁通閥關(guān)閉，壓縮機(jī)啟動，四通換向閥導(dǎo)向，壓縮機(jī)排氣進(jìn)入翅片換熱器（冷凝器），將從土壤中吸收的熱量散出。室外的低溫空氣經(jīng)熱回收器換熱升溫，由送風(fēng)機(jī)升壓，經(jīng)翅片換熱器（冷凝器）加熱，送進(jìn)室內(nèi)；部分室內(nèi)空氣經(jīng)熱回收器散熱后，由排風(fēng)機(jī)排至室外。另外可應(yīng)用戶要求，在送風(fēng)側(cè)設(shè)加濕器，濕度傳感器設(shè)回風(fēng)處，當(dāng)室內(nèi)空氣干燥，相對濕度低于設(shè)定值時，加濕器自動啟動，制出蒸氣送入室內(nèi)送風(fēng)管路中。春秋季：該季節(jié)氣溫適宜，機(jī)組以純通風(fēng)的方式向室內(nèi)提供清新的空氣，同時將部分室內(nèi)空氣排出。機(jī)組的兩部分制冷系統(tǒng)及水泵均不起動。2 技術(shù)特點(diǎn)

 

2.1 房間露點(diǎn)溫度控制方案采用輻射板系統(tǒng)，夏季供冷時，以下三種情況房間內(nèi)易結(jié)露：機(jī)組初次啟動，室內(nèi)空氣干球溫度高，相對濕度大，露點(diǎn)溫度明顯偏高。機(jī)組運(yùn)行過程中，某些意外情形出現(xiàn)，如大批客人突然來訪或開啟了產(chǎn)濕量大的設(shè)備。舒適性空調(diào)夏季室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)干球溫度24-28℃，相對濕度40-60%，露點(diǎn)溫度9.5-19.5℃。輻射板供水溫度依負(fù)荷不同設(shè)定在14-20℃。夏季炎熱時，冷負(fù)荷增大，需降低輻射板的供水溫度。這二者之間，存在供水溫度過多低于露點(diǎn)溫度的情形。機(jī)組的干球溫度、相對濕度傳感器設(shè)在房間內(nèi)，自動 計(jì)算 室內(nèi)露點(diǎn)溫度tdew，實(shí)時監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)互動。考慮除濕速度、制冷機(jī)的容量等方面，本設(shè)計(jì)采用室內(nèi)回風(fēng)循環(huán)除濕的方案。當(dāng)tdew高于設(shè)定值時，除濕系統(tǒng)啟動，快速地降低室內(nèi)的露點(diǎn)溫度；并根據(jù)室內(nèi)露點(diǎn)溫度，自動調(diào)節(jié)，使輻射板內(nèi)循環(huán)水溫度不低于室內(nèi)的露點(diǎn)溫度，以保證供冷區(qū)域不出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。2.2 新風(fēng)換氣機(jī)的功能無新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)，室內(nèi)空氣污濁，身體的種種不適常會發(fā)生。如果主機(jī)不啟動，土壤熱泵機(jī)組相當(dāng)于一臺新風(fēng)換氣機(jī)。它有如下特點(diǎn)：新、回風(fēng)過濾功能。機(jī)組配有不同的過濾器可有效阻止灰塵或有害物進(jìn)入室內(nèi)。熱回收功能。熱回收器采用歐洲先進(jìn)技術(shù)，熱回收效率高。變化的新風(fēng)量。夏冬季節(jié)，新風(fēng)的負(fù)荷大，采用滿足衛(wèi)生要求的最小新風(fēng)量；而在春秋季節(jié)，大風(fēng)量送、排風(fēng)，消除室內(nèi)余熱。類似于中央空調(diào)的風(fēng)量控制方式，節(jié)能、舒適。適宜的送風(fēng)溫度。新風(fēng)機(jī)配帶熱泵系統(tǒng)，夏季向室內(nèi)提供涼爽的新風(fēng)；冬季新風(fēng)變暖送入室內(nèi)。2.3 高效、節(jié)能2.3.1 輻射板輻射板同風(fēng)機(jī)盤管相比，傳熱面積大，室內(nèi)供回水平均溫度同室溫的溫差較小。供冷時輻射板采用高溫冷凍水，同風(fēng)機(jī)盤管所需的低溫冷凍水相比，機(jī)組的蒸發(fā)溫度升高，制冷量增大，壓縮機(jī)的COP可提高20%。2.3.2 土壤源由于較深的地層中在未受干擾的情況下常年保持恒定的溫度，遠(yuǎn)高于冬季的室外溫度，又低于夏季的室外溫度。土壤熱泵冬季將大地中的低位熱能提升對建筑供暖，同時蓄存冷量，以備夏用；夏季將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對建筑進(jìn)行降溫，同時蓄存熱量，以備冬用。與風(fēng)冷熱泵相比，主要有兩點(diǎn)優(yōu)勢：土壤熱泵冬季無需除霜。除霜過程損失熱泵相當(dāng)?shù)哪芰�。冬季土壤熱泵室外進(jìn)出水溫度基本維持在零度以上，如果低于零度，可適當(dāng)充注防凍劑。土壤熱泵受環(huán)境溫度的 影響 小。風(fēng)冷熱泵當(dāng)冬季室外溫度較低時，機(jī)組的蒸發(fā)溫度較低，制熱系數(shù)就隨蒸發(fā)溫度下降而下降，而此建筑物對供熱的需求卻增大，造成室內(nèi)空調(diào)溫度無法維持[3]。土壤熱泵當(dāng)冬季室外溫度較低時，地下溫度并未達(dá)到最低，可有利地錯過負(fù)荷高峰期。2.3.3 輸送系統(tǒng)機(jī)組內(nèi)輸送部件（風(fēng)機(jī)、水泵）的耗功約占整機(jī)功率的20%。但這些部件工作時間長，針對這種情況，首先選用節(jié)能產(chǎn)品；另外在自控方面采取相應(yīng)措施，如室外水泵與壓縮機(jī)聯(lián)動等，有效地降低機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用。 2.4 建筑美觀、環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)沒有屋頂設(shè)備，也就沒有屋頂承重、修飾或擋光的 問題 ，建筑整體美感也得到了很好的保持[4]。供熱時省卻了鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染；供冷時省卻冷卻塔，避免冷卻塔噪音及熱污染，使環(huán)境更加潔凈優(yōu)美。2.5 遠(yuǎn)程控制輻射板熱穩(wěn)定性好，但啟動時，有一定的延遲性，室內(nèi)溫度需2-3小時趨于穩(wěn)定。機(jī)組配有遠(yuǎn)程控制，用戶可使用電話拔號，異地操作，提前開啟機(jī)組，預(yù)冷、預(yù)熱房間。2.6 全年運(yùn)行，減少投資機(jī)組從功能上可分為兩部分：一臺熱泵主機(jī)，用于向室內(nèi)供冷（熱）水；一臺新風(fēng)換氣機(jī)，并設(shè)熱泵系統(tǒng)，既可用于除濕，也可用于通風(fēng)換氣。一年四季，機(jī)組可以在不同的模式下運(yùn)行，為客戶營造清新、舒適的室內(nèi)環(huán)境。二者有機(jī)的結(jié)合，節(jié)省用戶的二次投資，又減少寶貴的安裝空間。3 結(jié)束語

 

本文介紹了 應(yīng)用 于輻射板系統(tǒng)的土壤熱泵機(jī)組工作原理、性能特點(diǎn)等。該機(jī)組屬于土壤熱泵的分支，專門用于輻射板系統(tǒng)。它作為室外系統(tǒng)——綠色環(huán)保節(jié)能的土壤源與室內(nèi)系統(tǒng)——舒適節(jié)能的輻射板的有機(jī)連接，充分發(fā)揮室內(nèi)、外系統(tǒng)的優(yōu)勢，追求錦上添花的效果；并且針對輻射板供冷的獨(dú)特性，機(jī)組設(shè)置除濕循環(huán)，開發(fā)了除濕控制程序，以滿足輻射板正常工作的要求。機(jī)組引進(jìn)新風(fēng)系統(tǒng)，提升了室內(nèi)空氣品質(zhì)。應(yīng)用于輻射板系統(tǒng)的土壤熱泵機(jī)組已在北京王府家園別墅內(nèi)成功運(yùn)行多年，機(jī)組的季節(jié)性能系數(shù)高，僅制熱一項(xiàng)，與燃油爐相比，至少可節(jié)省一半的費(fèi)用；夏季室外干球溫度37℃，室內(nèi)依然保持24℃，舒適宜人；客廳鋪設(shè)大理石地面，無凝露現(xiàn)象。地下?lián)Q熱管運(yùn)行穩(wěn)定。不少專家前去參觀、指導(dǎo)，其運(yùn)行效果受到一致好評。參考  文獻(xiàn) 

 

1 趙育根，李強(qiáng)民. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，1999，1（18）：30~322 魏唐棣，胡鳴明，丁勇等. 暖通空調(diào)，2000，1（30）：12~143 蔣能照，主編. 空調(diào)用熱泵技術(shù)及應(yīng)用，北京：機(jī)械 工業(yè) 出版社，19974 徐偉，等譯. 地源熱泵工程技術(shù)指南， 中國 建筑工業(yè)出版社，2001