带热水供应的地源热泵机组研究
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摘要： 通过对普通地源热泵机组的改进，在机组中增设生活热水加热器，使之成为带热水供应的地源热泵机组。机组运行时，高温高压的压缩机过热蒸汽首先加热生活热水器中的自来水，然后才通过冷凝器。因此，机组在夏季运行时，可免费加热生活热水；冬季运行时，如需要生活热水，则牺牲部分供热量，来加热所需的生活热水，当无需生活热水时，则完全供热运行。由于此机组是以土壤或地下水作为低位热源，机组运行性能稳定，冬季运行时，系统能效比高达3.72。整个冬季运行时，测试所得的供暖和生活热水费用很低，约为燃气集中供热的53％左右，因此此机组市场前景广阔。
关键词： 地源热泵 热泵机组 生活热水 能效比
地源热泵（Ground Source Heat Pump）技术是利用大地作为低位热源，通常是利用地球表面浅层水源如地下水、河流、湖泊中吸收的太阳能和地热能，并应用热泵原理，对建筑物进行冬季供暖、夏季制冷。
地球表面浅层水源如深度在100米以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋中，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且温度一般都相对稳定。地源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源或土壤中蓄存起来，而冬季，则从水源或土壤中提取能量供给建筑物使用。
地源热泵的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中[1]，但真正意义的商业应用也就十几年的历史，但发展相当迅速。如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45,000台，到目前为止已安装了400,000台，而且每年以10％的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19％，其中新建筑中占30％。
中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，采用地下埋管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射采暖或提供生活热水。据1999年的统计，家用供热装置中，地源热泵所占比例较高，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。
在我国，地源热泵的应用才刚刚起步，但发展潜力十分巨大。一方面，随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，北方地区新建小区一般不能使用燃煤锅炉房供热，以何种方式解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题。另一方面，近年来我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60％，北京也达到34％，城镇居民住宅平均拥有率已达20％，并且目前家用空调拥有率仍在飞速增长。这样，对于我国的广大地区，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要统一考虑供暖和制冷的需求。借鉴发达国家的经验，采用地源热泵方式可能成为满足这种要求的最佳方式。
通过对普通的地源热泵机组研究，对系统流程进行了改进，使普通的地源热泵机组在供热或制冷的同时，供应生活热水，做到一机多用，节约初投资。
带热水供应的地源热泵机组研究 : 3 试验样机及实测结果
3.1试验样机
根据以上的原理，在制作试验样机时，作了一些变动，主要是把氟路换向改为水路换向，即取消四通换向阀，在水路上设置换向阀组V1、V2、V3、V4和V5、V6、V7、V8。其系统图见图2。
此机组采用一台7HP涡旋式压缩机，生活热水罐的容积为80L，应用在一联体别墅中。别墅的建筑面积约180m2，分上下两层，空调末端为风机盘管。冬季制热运行时，阀V1、V3、V5和V7关闭，阀V2、V4、V6和V8打开；夏季制冷运行时，则阀V1、V3、V5和V7打开，阀V2、V4、V6和V8关闭。
3.2现场检测结果
现场运行效果测试委托“国家空调设备质量监督检验中心”进行。测试的仪器见表1，测试结果见表2。
图2带热水供应的热泵机组系统图
表1检测仪器
仪器名称
范围
准确度
1/10刻度玻璃水银温度计(国产)
－30～20℃，0～50℃，0～100℃
±0.1℃
数字功率表WT130(日本)
0～400A/5A
±5‰f.S
FLB型超声波流量计(日本)
0～16m/s
±0.03m/s(<2m/s)
电子秒表(国产)
/
0.01s
Hm34数字式温湿度仪(芬兰)
－20～60℃，0～90％RH
±0.3℃，±2％RH
表2制热工况测试数据（带热水供应）
时间
水源侧
用户侧
耗电
井水温度
井水水量
(m3/h)
热水温度
热水水量
(m3/h)
压机输入功率
(kW)
水泵输入功率
(kW)
总输入功率
(kW)
供水
(℃)
回水
(℃)
供水
(℃)
回水
(℃)
15:20
11.5
7.8
2.565
44.2
37.6
1.970
4.8
0.24
5.04
15:30
11.4
7.5
2.579
44.5
37.9
1.976
4.8
0.24
5.04
15:40
11.3
7.5
2.560
44.4
37.7
1.976
4.8
0.24
5.04
1550
11.3
7.5
2.565
44.3
37.6
1.976
4.8
0.24
5.04
16:00
11.2
7.5
2.565
44.2
37.6
1.976
4.8
0.24
5.04
16:10
11.5
7.6
2.567
44.2
37.6
1.975
4.8
0.24
5.04
平均值
11.4
7.6
2.567
44.3
37.7
1.975
4.8
0.24
5.04
制热量(kW)
15.16
COP
3.0
备注
1.室外温度：0.7℃
2.一层室内平均温度：21.5℃，二层室内平均温度：22.5℃
3.检测时间段内，生活热水出水温度为50℃，提供的生活热水水量为80kg
带热水供应的地源热泵机组研究 : 3.3冬季运行能耗
为了更全面了解带热水供应热泵机组的运行情况和运行费用，对应用此类热泵机组的某小区进行了跟踪检测，测试结果见表3。 表3冬季运行费用检测数据（带热水供应）
单元号
用电量
运行费用
备注
总用电量
(kWh/季)
每m2用电量
(kWh/m2・季)
总费用
(元/季)
每m2费用
(元/m2・季)
9-1
5076
31.72
1994.87
12.5
9-2
6518
40.74
2561.57
16.0
9-4
6685
41.78
2627.20
16.4
8-1
5380
33.62
2114.34
13.2
8-3
6827
42.67
2683.01
16.8
7-2
4582
28.64
1800.73
11.3
6-1
5130
32.06
2016.09
12.6
6-4
9194
57.46
3613.24
22.6
5-2
5667
35.42
2227.13
13.9
5-3
9499
59.37
3733.11
23.3
外教
合计
64558
―
25371.29
―
平均
6455.8
44.38
2537.1
15.86
带热水供应的地源热泵机组研究 :