应用于辐射板系统的土壤热泵机组

 

0 前言 

 

辐射板利用对流和辐射方式供冷供热，室内温度分布均匀，垂直温差下降到3℃[1]，热舒适性高；室内无运转部件，宁静宜人；设在楼板、墙体等建筑结构中的盘管可使结构承担蓄能作用，室温波动小。技术先进，是一种新型空调系统。土壤热泵是以大地为热源对建筑进行空调的技术。它是一种节能、对环境友好的绿色空调设备，符合可持续 发展 的要求[2]。近几年来，随着房地产业的发展，别墅市场迅速拓展。在别墅区内，土壤热泵的地下换热管可布置在花园、草坪、车库等的下面，而不 影响 地面空间的使用。因此，从户式家用空调的角度上看，土壤热泵与辐射板有机的结合，是别墅空调系统的一个优秀的方案。鉴于辐射板在应用方面有诸多独特之处，本文着重介绍与之相配的土壤热泵的工作原理及性能特点等。1 工作原理

 

1.1 系统设计概况辐射板离不开空气系统，这是因为一方面要提供最少的室外空气以保证室内空气品质，另一方面，要对室内空气进行空气除湿，以防止辐射板结露[1 ]。从系统功能上分，辐射板夏季只负担室内的显热负荷，湿负荷则由回风处理；冬季辐射板提供整个室内的热负荷。任何季节，辐射板均不负担新风负荷。机组如何满足上述要求， 目前 有不同的方法，以夏季为例。方案一：制冷机提供7℃左右的冷冻水，一部分直接送入新风机，对经过除湿后的室外新风冷却降温，送入室内；另一部分，进入板式换热器，交换出高温冷冻水送入辐射板。方案二：制冷机提供7℃左右的冷冻水，一部分直接送入新风机，另一部分通过三通阀与回水混合后送入辐射板。本文介绍的土壤热泵采用两套制冷系统。同上述两方案相比，有如下优点：供冷时机组直接提供高温冷冻水，无需二次换热，提高整机效率。新风、辐射板采用不同制冷系统，分工合作，独立性强，可满足不同季节的性能要求。1.2 机组的主要功能机组工作原理图见图1。从图示虚线部分，大致可将机组分为两部分：主机，夏、冬季启动，向辐射板提供冷、热水；新风机，带有独立的热泵系统，对新风或回风进行适当处理，以满足不同季节的工作要求。室外侧水泵两系统共用。室内设温湿度传感器，用于检测空调房间干球温度及相对湿度。并通过编程 计算 出房间的露点温度。新风阀和回风旁通阀随着室内露点温度的变化而做出相应的动作。该土壤热泵机组可四季运行，保持室内舒适、健康的空调环境。

 

 图1 机组工作原理图1、新风阀 2、回风旁通阀 3、热回收器 4、排风机 5、送风机 6、翅片换热器 7、四通换向阀 8、压缩机 9、气液分离器 10、室外侧换热器 11、双向过滤器 12、双向热力膨胀阀 13、膨胀水箱 14、室内水泵 15、室外水泵1.3 不同季节的工作状态土壤热泵机组共设三种工作模式：制冷、制热、通风。夏季：主机负担室内冷负荷，通过辐射板向房间供冷；新风机负担新风负荷以及为避免地（顶）板结露的除湿负荷。因此制冷模式下，新风机的运行分为新风模式和除湿模式。辐射板供冷时，如果室内侧露点温度高于设定要求，为防止地板或顶板结露，新风机工作于除湿模式。除湿时，新风机的制冷系统运转，室外新风阀关闭，室内回风的旁通阀打开，排风机工作，送风机运转，室内空气不断循环，经翅片换热器（蒸发器）除湿降温，向房间输入低含湿量的空气，逐渐降低室内的空气露点温度。当室内露点温度满足运行要求时，新风机工作于新风模式。室外新风阀开启，室内回风的旁通阀关闭，送、排风机开启，新风机的制冷系统运转。室外新风经热回收器初次降温后，由送风机经翅片换热器（蒸发器）降温后送风室内；室内部分空气经热回收器吸热后，由排风机排至室外。进、排风量大致相当，维持室内适当的正压。在供水温度不引起室内顶板结露的范围内，主机压缩机启动，由室内水泵不断将冷量输送到辐射板。冬季：主机负担室内热负荷，通过辐射板向房间供热；新风机负担新风负荷。土壤热泵制热时，室内、外侧水泵首先启动，主机压缩机启动，四通换向阀换向，压缩机排气进入室内换热器（冷凝器），将从土壤中吸收的热量散出，由水泵送至房间内的辐射板，均匀地向室内供热。新风机启动时室外新风阀打开，室内回风的旁通阀关闭，压缩机启动，四通换向阀导向，压缩机排气进入翅片换热器（冷凝器），将从土壤中吸收的热量散出。室外的低温空气经热回收器换热升温，由送风机升压，经翅片换热器（冷凝器）加热，送进室内；部分室内空气经热回收器散热后，由排风机排至室外。另外可应用户要求，在送风侧设加湿器，湿度传感器设回风处，当室内空气干燥，相对湿度低于设定值时，加湿器自动启动，制出蒸气送入室内送风管路中。春秋季：该季节气温适宜，机组以纯通风的方式向室内提供清新的空气，同时将部分室内空气排出。机组的两部分制冷系统及水泵均不起动。2 技术特点

 

2.1 房间露点温度控制方案采用辐射板系统，夏季供冷时，以下三种情况房间内易结露：机组初次启动，室内空气干球温度高，相对湿度大，露点温度明显偏高。机组运行过程中，某些意外情形出现，如大批客人突然来访或开启了产湿量大的设备。舒适性空调夏季室内空气设计干球温度24-28℃，相对湿度40-60%，露点温度9.5-19.5℃。辐射板供水温度依负荷不同设定在14-20℃。夏季炎热时，冷负荷增大，需降低辐射板的供水温度。这二者之间，存在供水温度过多低于露点温度的情形。机组的干球温度、相对湿度传感器设在房间内，自动 计算 室内露点温度tdew，实时监控，实现互动。考虑除湿速度、制冷机的容量等方面，本设计采用室内回风循环除湿的方案。当tdew高于设定值时，除湿系统启动，快速地降低室内的露点温度；并根据室内露点温度，自动调节，使辐射板内循环水温度不低于室内的露点温度，以保证供冷区域不出现凝露现象。2.2 新风换气机的功能无新风的空调系统，室内空气污浊，身体的种种不适常会发生。如果主机不启动，土壤热泵机组相当于一台新风换气机。它有如下特点：新、回风过滤功能。机组配有不同的过滤器可有效阻止灰尘或有害物进入室内。热回收功能。热回收器采用欧洲先进技术，热回收效率高。变化的新风量。夏冬季节，新风的负荷大，采用满足卫生要求的最小新风量；而在春秋季节，大风量送、排风，消除室内余热。类似于中央空调的风量控制方式，节能、舒适。适宜的送风温度。新风机配带热泵系统，夏季向室内提供凉爽的新风；冬季新风变暖送入室内。2.3 高效、节能2.3.1 辐射板辐射板同风机盘管相比，传热面积大，室内供回水平均温度同室温的温差较小。供冷时辐射板采用高温冷冻水，同风机盘管所需的低温冷冻水相比，机组的蒸发温度升高，制冷量增大，压缩机的COP可提高20%。2.3.2 土壤源由于较深的地层中在未受干扰的情况下常年保持恒定的温度，远高于冬季的室外温度，又低于夏季的室外温度。土壤热泵冬季将大地中的低位热能提升对建筑供暖，同时蓄存冷量，以备夏用；夏季将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量，以备冬用。与风冷热泵相比，主要有两点优势：土壤热泵冬季无需除霜。除霜过程损失热泵相当的能量。冬季土壤热泵室外进出水温度基本维持在零度以上，如果低于零度，可适当充注防冻剂。土壤热泵受环境温度的 影响 小。风冷热泵当冬季室外温度较低时，机组的蒸发温度较低，制热系数就随蒸发温度下降而下降，而此建筑物对供热的需求却增大，造成室内空调温度无法维持[3]。土壤热泵当冬季室外温度较低时，地下温度并未达到最低，可有利地错过负荷高峰期。2.3.3 输送系统机组内输送部件（风机、水泵）的耗功约占整机功率的20%。但这些部件工作时间长，针对这种情况，首先选用节能产品；另外在自控方面采取相应措施，如室外水泵与压缩机联动等，有效地降低机组运行费用。 2.4 建筑美观、环境保护系统没有屋顶设备，也就没有屋顶承重、修饰或挡光的 问题 ，建筑整体美感也得到了很好的保持[4]。供热时省却了锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省却冷却塔，避免冷却塔噪音及热污染，使环境更加洁净优美。2.5 远程控制辐射板热稳定性好，但启动时，有一定的延迟性，室内温度需2-3小时趋于稳定。机组配有远程控制，用户可使用电话拔号，异地操作，提前开启机组，预冷、预热房间。2.6 全年运行，减少投资机组从功能上可分为两部分：一台热泵主机，用于向室内供冷（热）水；一台新风换气机，并设热泵系统，既可用于除湿，也可用于通风换气。一年四季，机组可以在不同的模式下运行，为客户营造清新、舒适的室内环境。二者有机的结合，节省用户的二次投资，又减少宝贵的安装空间。3 结束语

 

本文介绍了 应用 于辐射板系统的土壤热泵机组工作原理、性能特点等。该机组属于土壤热泵的分支，专门用于辐射板系统。它作为室外系统——绿色环保节能的土壤源与室内系统——舒适节能的辐射板的有机连接，充分发挥室内、外系统的优势，追求锦上添花的效果；并且针对辐射板供冷的独特性，机组设置除湿循环，开发了除湿控制程序，以满足辐射板正常工作的要求。机组引进新风系统，提升了室内空气品质。应用于辐射板系统的土壤热泵机组已在北京王府家园别墅内成功运行多年，机组的季节性能系数高，仅制热一项，与燃油炉相比，至少可节省一半的费用；夏季室外干球温度37℃，室内依然保持24℃，舒适宜人；客厅铺设大理石地面，无凝露现象。地下换热管运行稳定。不少专家前去参观、指导，其运行效果受到一致好评。参考  文献 

 

1 赵育根，李强民. 建筑热能通风空调，1999，1（18）：30~322 魏唐棣，胡鸣明，丁勇等. 暖通空调，2000，1（30）：12~143 蒋能照，主编. 空调用热泵技术及应用，北京：机械 工业 出版社，19974 徐伟，等译. 地源热泵工程技术指南， 中国 建筑工业出版社，2001