一種基于土壤源熱泵的空調制冷供暖系統研究

靳俊杰，崔秋娜，李帥鵬，張志輝，張沛璐

（河南城建學院能源與建筑環境工程學院，河南 平頂山 467036）

0 引言

隨著國家大力發展低碳經濟、提倡節能環保，建筑能耗成為了人們關注的焦點之一。據統計，2018年我國建筑能耗約為10億噸標煤，約占社會總能耗的22%［1］，而其中空調能耗又占有較高的比重，因此推廣空調節能無疑至關重要。

土壤源熱泵是近些年來人們比較青睞的一種供暖制冷技術，具有高效節能、綠色環保等優勢，而毛細管網換熱器，具有舒適度好、無吹風感、高效節能和使用壽命長等眾多優點，二者結合起來，必能發揮出更大的節能環保效果。

1 系統設計

該空調制冷供暖系統由兩大部分組成，即地埋管換熱器與毛細管網呼吸式重力空調墻結合的制冷系統及地埋管換熱器與機組、毛細管相結合的供暖系統。

該系統采用雙U形地埋管并聯，其中一路U形地埋管換熱器為夏季制冷提供冷源，另一路U形地埋管換熱器在冬季供暖時為機組的蒸發器提供熱源。

夏季制冷時，U形地埋管換熱器通過循環水泵直接給毛細管提供冷水，因為末端毛細管處在毛細管網呼吸式重力空調墻中，即便毛細管表面溫度達到冷凝溫度，也會遇冷凝結成水珠隨重力的作用滴落在底部水槽中而排出室外，避免傳統毛細管網制冷造成墻體潮濕而受損的現象。

冬季供暖時，U形地埋管換熱器通過循環水泵直接給機組的蒸發器提供熱源，大大提高蒸發器的換熱效果，從而提高機組的COP值。而機組冷凝器端產生的熱水，輸送到房間的地板毛細管中，達到供暖的目的。

2 系統結構

2.1 夏季制冷系統結構

該系統主要由U形地下換熱盤管、毛細管網換熱器、分水器、集水器、循環水泵、貫流風機與毛細管網呼吸式重力空調墻等組成，如圖1所示。

圖1 制冷系統結構示意圖

毛細管網呼吸式重力空調墻布置在兩側墻位置，占據面積較大，這樣可使毛細管利用小溫差、大流量原理來進行夏季制冷，如圖2所示。在重力空調墻上端開有兩個進風口，下側設置有貫流風機和出風口，底部設置有接收冷凝水的水槽，如圖3所示。

圖2 毛細管網呼吸式重力空調墻結構示意圖

圖3 毛細管網呼吸式重力空調墻側面結構示意圖

毛細管網換熱器中布置有毛細管，室外新風進入可進行對流換熱，降低新風溫度。

2.2 冬季供暖系統結構

該供暖系統主要由U形地下換熱盤管、熱泵機組、毛細管、循環水泵等組成，如圖4所示。

圖4 供暖系統示意圖

U形地下換熱盤管與熱泵機組的蒸發器相連接，為蒸發器提供低位熱源，熱泵機組的冷凝器端與鋪設在地板中的毛細管相連接，為毛細管提供熱水來供暖。

3 系統的工作原理

3.1 夏季制冷系統工作原理

夏季制冷時，U形地埋管中的水與周圍土壤進行換熱，在循環水泵的驅動下，換熱后的冷水首先進入到毛細管網換熱器中，與室外新風換熱后，通過分水器進入到毛細管網呼吸式重力空調墻中，與室內回風進行換熱，達到制冷的目的。回水進入到集水器，然后重新進入U形地下換熱盤管中，形成一個循環。

為了保障室內空氣品質，制冷時引入室外新風，室外新風先在毛細管網換熱器中進行初步換熱，溫度得到一定的降低，然后在風機的驅動下，通過三通閥分別進入到墻體兩側的毛細管網呼吸式重力空調墻中，同室內回風混合，與毛細管網呼吸式重力空調墻中的毛細管網進行對流換熱，最后送入房間中。

當空氣在毛細管網呼吸式重力空調墻中進行對流換熱時，如果出現了凝露現象，產生的冷凝水隨重力作用會滴落在底部水槽中，然后排出室外，克服了傳統毛細管網空調制冷時，地板或墻體表面容易出現的凝露問題。

3.2 冬季供暖系統工作原理

冬季供暖時，另一路U形地埋管中的水與周圍土壤進行換熱，在循環水泵驅動下，進入到熱泵機組的蒸發器端，為機組提供熱源，進行換熱后，水溫降低并重新進入到U形地埋管中，重新與周圍土壤進行換熱，形成一個循環。

熱泵機組產生的熱水進入到毛細管中，通過房間的輻射換熱，使得房間溫度保持在一個較舒適的范圍，降溫后的水重新回到熱泵機組進行加熱，形成另一個循環。

4 系統的經濟節能可行性分析

夏季制冷時，根據相關文獻［2］，重慶夏季制冷若以23℃水供毛細管網，室溫基本可以穩定在27℃以內，基本滿足人體舒適度要求，且該文獻研究表明，在基本滿足室內溫度要求下，允許供水溫度上限為24℃。吳盛威［3］實驗測量了位于天津市濱海新區的工程項目，數據顯示制冷工況下地埋管出水溫度在17.6～20.3℃范圍內。由此可見，一些地區地埋管出水溫度遠低于制冷供水溫度要求。末端采用的是毛細管網呼吸式重力空調墻，可鋪設較大面積的毛細管網，且此種毛細管重力循環制冷裝置被證明制冷效果明顯［4－5］，又能克服凝露問題，利用毛細管網小溫差、大流量原理來進行夏季制冷，運行時只需耗費循環水泵、風機的少量電能，就能正常制冷，從而實現節能的目的。

冬季供暖時，土壤源熱泵的電力消耗，要比空氣源熱泵減少40%以上，比電供暖減少70%以上［6］，節能效果明顯。末端依然采取毛細管散熱器，要比傳統普通的末端散熱器效率高，且所需供暖水溫要求低，可實現進一步節能。該制冷供暖系統與傳統的土壤源熱泵系統相比，僅僅把末端的傳統換熱器改為毛細管，且主要多了一套夏季制冷時使用的毛細管網呼吸式重力空調墻，造價成本略有提升，但運行成本低。地埋管換熱器夏季向土壤釋放熱量，冬季向土壤吸收熱量，二者相當，有利于地下土壤的熱平衡，從而為該套制冷供暖裝置的長期穩定運行提供有力的保障。

5 小結

該系統夏季制冷可充分利用地下土壤冷源，引入室外新風，末端采用毛細管網呼吸式重力空調墻裝置，不僅改善室內空氣品質，又能避免傳統上毛細管空調凝露問題，最大優勢是不需要制冷機組，可直接向末端供冷水制冷，最大化節能；冬季供熱，熱泵機組一方面利用土壤中的熱源，一方面末端采用毛細管，只需提供低品位的熱水，二者結合，使熱泵機組的COP較高。

系統在制冷時，引入的新風進行兩級換熱，先與毛細管網換熱器換熱，又被送入到毛細管網呼吸式重力空調墻中與室內的循環回風混合，并一起與呼吸墻進行換熱，這樣有助于新風的充分熱交換。呼吸式重力空調墻中采用雙級風口，并引入貫流風機，可增強室內循環回風、室外新風與毛細管網的換熱效果。