地源熱泵空調機組的系統及工程的方案設計

地源熱泵中央空調和地源熱泵熱水器都是一種高效、環保、安全的節能技術，如果將兩者結合起來，做成集制冷、制熱和制生活熱水于一體的全熱回收熱泵機組，夏季時，利用空調的冷凝熱免費制取生活用水，換季時則作為熱泵熱水器單獨提供生活熱水，冬季時，機組在非空調使用時段制取生活熱水，既將二者的節能優勢統一，也可以降低投資成本，有能充分利用機組，提高機組的使用率。

現狀：

地源熱泵與空氣源熱泵相比，有著無可比擬的節能優勢，已完為世界上發展最快的可再生能源應用之一。黨的十七大報告指出：“建設生態方明，基本形成節約能源資源和保護生態環境的產業結構、境長方式、消費模式。”十一五期間，加快建設節約型、環境友好型社會成訓頭等要務，節約資源成為基本國策，推進建筑節能工作迫在眉睫，地源熱泵技術正是要實現這一時代目標的最佳選擇。與傳統中央空調相比，地源熱泵實現了環保與節能的統一，在建筑供熱空調中采用該技術可有效提主一次能源利用率，此項技術代表著節能型中央空調的發展趨勢，推廣其使用將對建筑節能目標的實現、合理利用資源、改善環境產生巨大的推動作用。

熱泵熱水器與傳統電熱水器、燃氣熱水氣相比，有更大的節能優勢。熱泵熱水器由于水電分離，且不產生廢氣，因此更完全、更環保。與太陽能熱水器相比，其使用不受天氣影響，且其安裝比太陽能熱水器更方便，不受樓層限制。而地源熱泵熱水器由于其熱源溫度高且穩定，因此比空氣源熱泵熱水器更節能。

系統設計：

要想實現全熱回收功能，最簡單的辦法是在熱泵機組四通閥與壓縮機排氣口串入一個熱回收換熱器。如下圖：

1-壓縮機 2-熱回收換熱器 3-四通閥

4-源側換熱器 5-節流裝置 6-使用側換熱器

圖1 四通閥換向熱泵+全熱回收系統簡圖

該系統實現全熱回收方式系統簡單，控制方便，并且國內已有部分廠家開始使用類似系統。但該系統中四通閥沒有工作在一個安全的使用環境內，因為在進行全熱回收工作時，從全熱回收換熱器流出的制冷劑為氣液混合狀態或過冷液體，之后再進入四通閥，四通閥進液態制冷劑后，其滑閥可能會因為液擊在碎裂，各四通閥廠家均不推薦此類做法。

為了解決四通閥液擊問題，可采用電磁閥橋式換向系統來替代四通閥，如下圖：

當機組需要制冷運行時，電磁閥M1、M4開啟，電磁閥M2、M3關閉;制熱時，電磁閥M2、M3開啟，電磁閥M1、M4關閉。

工程設計：

機組空調的工程應用可控通常的地源熱泵工程來設計，其生活熱水部分可設計為直熱式和循環式，也可設計為直熱循環式。

直熱式制取生活熱水是通過機組對初始冷水進行一次加熱，直接制取所需溫度的生活熱水，該方法對冷水加熱時，加熱前后溫差大，其優點是工作工況較穩定，但是當生活熱水儲水箱由于散熱降溫低于所需溫度時，無法對水箱儲水進行二次加熱。

循環式制取生活熱水則是通過機組對水箱內儲水進行循環加熱，逐漸加熱至所需溫度的生活熱水。其優點是生活熱水工程設計簡單，水箱溫度可控，但由于其在制取熱水過程中隨著熱水溫度不斷上升，機組工作工況逐漸惡劣，且機組能效也逐漸下降。當水溫達到45℃以上時，壓縮機排氣溫度及壓力很高，將影響壓縮機的使用壽命。

而直熱循環式則綜合利用了兩者優點，雖然機組也會循環式運行，但其循環式運行時間短，對壓縮機使用壽命影響不大。

以下的直熱循環式的工程設計簡圖;

工程采用開式保溫水箱，水箱設高低限水位開關，低位開關為水箱啟動補水開關，高位開關是水箱停止補水開關。由于生活熱水使用量會隨季節改變，因此水箱水位開關可設計成多段位式，以便在不同的季節，保持不同的水位。

當水箱補水時，機組開啟，機組對冷水進行快熱加熱，當補水管壓力不足時，開啟水箱供水水泵P1，對補水壓力作出補償。

當溫度傳感器T檢測到水箱溫度低于設定值時，則啟動水箱循環泵，并啟動機組，對水箱儲水進行循環加熱。

系統控制：

機組可采用制冷、制熱、制冷+熱水、制熱+熱水和制熱水五種模式;

制冷、制熱控制方法同常規機組;

制冷+熱水模式：

該模式下，為簡化其控制程序，推薦采用循環式制取生活熱水。在機組運行初期，由于生活熱水側進水溫度較低，此時可不開源側水泵，僅以生活熱水側提供空調用冷源，當熱水溫度高于一定值(例如35℃)再可啟源側水泵，以生活熱水側和源側同時提供空調用冷源。

制熱+生活熱水

該模式下，為防止空調負荷側和生活熱水側搶熱量，造成兩側同時效果差的現象，機組在該模式下的控制，應設置一個優先級，一般以生活熱水為優先。當生活滿足使用要求時，再開啟空調負荷側。

機組噴液冷卻

當水箱儲水循環加熱時，溫度達到50℃時，由于機組工作工況較為惡劣，壓縮機最高工作溫度可能達到115℃以上，最高排氣壓力可能達到2.7MPa以上，為提高壓縮機的工作安全性，需要在機組冷凝器出口和壓縮機進氣口處增加噴液冷卻裝置。該裝置可由電磁閥與毛細管串聯組成(如圖3)，通過檢測壓縮機排氣管的溫度來控制電磁閥的開關，當壓縮機排氣管溫度達到設定值后(一般為105～110℃)，開啟電磁閥進行噴液冷卻;當壓縮機排氣管溫度低于設定值后(一般為90℃)，關閉電磁閥停止噴液冷卻。

運行費用對比 ：

以下對制取生活熱水時，全熱回收熱泵機組、電熱水器、燃氣熱水器等三種熱水器的運行費用熱水使用：

注;

單日熱水負荷Q=cmΔt，其中c為水比熱4.2kJ/(kg·℃)，m為單日用水量，Δt為水加熱前后溫差;

季節熱水負荷=季節時長×當季的單日熱水負荷;

全熱回收熱泵機組、電熱水器、燃氣熱水器年運行成本計算

注：用電按1RMB/(kW·h)商業用電價格計算，天然氣價格按2.6RMB/m3計算，天燃氣熱值按3.6×104kJ/m3。全熱回收熱泵機組夏季制熱水全免費，因此夏季熱水負荷不計入機組制熱水負荷之內。電熱水器和燃氣熱水器制熱效率均按100%計算，全熱回收熱泵機組的熱水能效按《熱泵熱水器》水源式能效標準4.5。

從以上運行費用對比，全熱回收熱泵機組的運行費用是三種熱水器中最低的。

發展方向：

將熱泵空調和熱泵熱水器結合起來，可使機組在夏季免費制取生活熱水，也可使機組在換熱季節單獨制取生活熱水，既提高了機組的使用率，也提高了機組對低位能源的利用率，綜合提高了機組效率。因此全熱回收熱泵機組必將成為今后熱泵機組的重要發展方向。

如果設計出能容液擊的四通換向閥，將會大大的推動全熱回收熱泵機組的發展。