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引言

熱泵(制冷機(jī))是通過作功使熱量從溫度低的介質(zhì)流向溫度高的介質(zhì)的裝置。水(地)源熱泵是在熱泵技術(shù)基礎(chǔ)上利用地下淺層地?zé)豳Y源(也稱地能，包括地下水、土壤或地表水等)的一種既可供熱又可制冷的高效節(jié)能環(huán)保型空調(diào)系統(tǒng)。水(地)源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能)，即可實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)崮艿霓D(zhuǎn)移，地能分別在冬季和夏季作為低溫?zé)嵩春透邷責(zé)嵩础Ｔ诙荆训啬苤械臒崃咳〕鰜恚岣邷囟群螅┙o室內(nèi)的熱用戶；在夏季，把室內(nèi)的熱量取出來，釋放到地層中去。其中水源熱泵地溫空調(diào)只是一種利用地下水的熱泵空調(diào)，而家用型水源熱泵地溫空調(diào)則是針對住宅而開發(fā)的一種利用地下水作介質(zhì)的家用型水源熱泵地溫空調(diào)。本文主要分析家用型水源熱泵地溫空調(diào)研究開發(fā)的相關(guān)問題。

1熱泵與地溫技術(shù)及在家用領(lǐng)域開發(fā)存在的問題

1.1熱泵及地溫技術(shù)的發(fā)展近況

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和制冷已成為普遍的需求。在發(fā)達(dá)國家中，供熱和制冷的能耗可占到社會總能耗的25～30％。我國的能源結(jié)構(gòu)主要依靠礦物燃料，特別是煤炭，大量燃燒礦物燃料所產(chǎn)生的環(huán)境影響已日益成為政府關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，除了大型集中供熱的方式以外，急需發(fā)展其它的替代供熱方式。熱泵技術(shù)是能有效節(jié)省能源，減少大氣污染和CO2排放的供熱和制冷新技術(shù)，地源熱泵技術(shù)又是一種進(jìn)一步利用地能的空調(diào)新技術(shù)。

熱泵技術(shù)的存在已有一定的歷史時期，但地源熱泵真正意義上的民商應(yīng)用，在國外還只有十多年的歷史，在國內(nèi)則是近幾年才開始起步。其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在中央空調(diào)和商用空調(diào)大系統(tǒng)中，而應(yīng)用于住宅的家用小型系統(tǒng)目前還處在探索階段。近幾年甚至在市面上還出現(xiàn)了不帶熱泵只有水泵的地溫空調(diào)產(chǎn)品。

1.2與建筑物相關(guān)的熱泵系統(tǒng)分類

目前，以建筑物的供熱和制冷為目的的熱泵系統(tǒng)有許多種類，例如有利用建筑通風(fēng)系統(tǒng)的熱量(冷量)的熱回收型熱泵和應(yīng)用于大型建筑內(nèi)部不同分區(qū)之間的水環(huán)熱泵系統(tǒng)等。而用于住宅的家用型熱泵技術(shù)，主要是利用周圍環(huán)境空氣或地能作為空調(diào)冷熱源的熱泵系統(tǒng)。就其性質(zhì)來分，國外文獻(xiàn)通常把它們分為空氣源熱泵和地源熱泵兩大類。地源熱泵又可進(jìn)一步分為地表水熱泵、地下水熱泵和地下耦合熱泵。國內(nèi)對熱泵系統(tǒng)的術(shù)語尚未形成規(guī)范，有多種稱呼方式，目前商業(yè)上比較通用的分類為：把同室外空氣換熱的空調(diào)稱為風(fēng)冷熱泵空調(diào)；把利用冷卻塔水源作為冷卻水的空調(diào)機(jī)組稱為冷水機(jī)組；把利用江河湖泊水源作為冷卻水源既能制冷又可采暖的空調(diào)稱為水源熱泵空調(diào)；把在地下埋管換熱冷卻空調(diào)水的既制冷又制熱的空調(diào)稱為地源熱泵或稱為土壤熱泵地溫空調(diào)；把采用取水還水利用地下沙層中的對流冷卻空調(diào)水的既制冷又制熱的空調(diào)稱為水源熱泵地溫空調(diào)。但此類稱謂也不是熱泵技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域的唯一稱謂術(shù)語。

1.3現(xiàn)有熱泵技術(shù)在家用領(lǐng)域存在的問題

家用空調(diào)新產(chǎn)品的研究發(fā)展趨勢應(yīng)朝著節(jié)能、環(huán)保、初始投資低、分戶控制、單獨(dú)計量、施工簡單、維護(hù)方便的方向發(fā)展。現(xiàn)有熱泵技術(shù)在家用空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用存在以下問題。

(1)空氣源(風(fēng)冷)熱泵空調(diào)是應(yīng)用于家用空調(diào)最典型的例子，它以室外空氣作為一個熱源。在供熱工況下將室外空氣作為低溫?zé)嵩矗瑥氖彝饪諝庵形諢崃浚?jīng)熱泵提高溫度送人室內(nèi)供暖。空氣源熱泵的主要缺點(diǎn)是在夏季高溫和冬季寒冷天氣時熱泵的效率大大降低。其在冬季制熱量隨室外溫度降低而減少，這與建筑熱負(fù)荷需求趨勢正好相反。因此當(dāng)室外空氣溫度低于熱泵工作的平衡點(diǎn)溫度時，需要用電或其它輔助熱源對空氣進(jìn)行加熱。同時，在供熱工況下蒸發(fā)器上會結(jié)霜，需要定期除霜，這也需消耗很大的能量。在夏季高溫天氣，由于其制冷量隨室外空氣溫度升高而降低，同樣可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。 [NextPage]

(2)冷水機(jī)組是利用冷卻塔系統(tǒng)與空氣交換能量，其初始投資高，又占空間，因此一般只適合于中央空調(diào)系統(tǒng)和商用系統(tǒng)。若用于家用系統(tǒng)，它既不經(jīng)濟(jì)又沒有足夠的存放空間；如果采用集中供熱，分散使用來分?jǐn)偝跏纪顿Y，又面臨分戶控制和分戶計量的問題。而且冬季寒冷天氣冷卻塔易結(jié)冰，導(dǎo)致不能正常使用。因此它在冬季制熱運(yùn)行也需要輔助加熱系統(tǒng)。

(3)地源(地下耦合)熱泵系統(tǒng)需要在建筑物周圍大面積埋管，不僅投資大，而且施工操作和維護(hù)都不方便。另外，水源熱泵空調(diào)是利用江河湖泊水源，受地理環(huán)境限制較大，若采用造人工湖的方式改造地理環(huán)境來做家用空調(diào)系統(tǒng)投資更大。

2家用型水源熱泵地溫空調(diào)開發(fā)綜述

2.1總體設(shè)計思路

根據(jù)上述熱泵技術(shù)及地溫技術(shù)在家用空調(diào)領(lǐng)域應(yīng)用的分析，我們采取了綜合運(yùn)用各種現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢，針對家用空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)，解決一些存在的技術(shù)難點(diǎn)，彌補(bǔ)了相關(guān)技術(shù)在此領(lǐng)域的缺陷，其總體設(shè)計思路如下：

總體借鑒中央空調(diào)系統(tǒng)思路，主體采用熱泵技術(shù)，利用沉井獲取地能，末端揉合水源熱泵分體機(jī)技術(shù)，地能輸出端增加儲能箱及水流控制與計量裝置，采取調(diào)整回路方式減少高成本材質(zhì)的使用。通過以上措施，使開發(fā)的家用空調(diào)系統(tǒng)能滿足節(jié)能、環(huán)保、初始投資低、可分戶控制、單獨(dú)計量、施工維護(hù)簡單的要求。特別是該新技術(shù)將總體設(shè)計思路構(gòu)架在空調(diào)現(xiàn)有技術(shù)及產(chǎn)品基礎(chǔ)上的整合與提升，技術(shù)實(shí)施及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)非常容易，有效避免了一般新產(chǎn)品在開發(fā)期必須面對的大量資金投人；避免了一般新產(chǎn)品在技術(shù)成長期所面臨的產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、質(zhì)量不過關(guān)、產(chǎn)品外觀低于原有傳統(tǒng)產(chǎn)品的現(xiàn)象。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)組成部分由沉井、水泵、地下水輸出的計量與控制裝置、地能儲水箱、針對每戶冷熱負(fù)荷選型的分戶熱泵主機(jī)、針對戶內(nèi)每個房間冷熱負(fù)荷而選型的現(xiàn)有水源熱泵分體掛機(jī)及柜機(jī)，以及各分體機(jī)房間的線控或遙控裝置等，外加管路裝置。

該系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)在聯(lián)系由三個循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)。第一循環(huán)是在沉井與熱泵之間，該環(huán)路是為了實(shí)現(xiàn)地能與熱泵系統(tǒng)的能量提取與交換，其管路材質(zhì)采用鍍鋅管、PVC管等普材，管內(nèi)介質(zhì)是地溫水(冷卻水)，能量消耗是水泵所需的少量電能。第二循環(huán)是熱泵技術(shù)自身循環(huán)，由蒸發(fā)器與冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥、換向裝置等組成，其管路材質(zhì)是銅管，管內(nèi)介質(zhì)是制冷劑，能量消耗是壓縮機(jī)所需電能。該循環(huán)輸人電能后，通過換向裝置，在供熱工況下實(shí)現(xiàn)提取第一循環(huán)地下水所交換的熱能，通過熱泵制冷劑