一款微型、高效、变频地源热泵的设计

摘要：地源热泵是一种利用大地的能量，包括土壤、地下水、地表水等天然能源作为冬季热源和夏季冷源，再由热泵机组向建筑网供冷、供暖的高效结能技术，是一种利用可再生能源的新型空调技术。本文设计的热泵是以竖井地源作为冷热源的热泵。为体现系统的优势，本方案采用变频控制系统。系统高效节能，更适合在广大的农村、厂房车间、别墅等场所使用。 

　　关键词：热泵 水氟分离 地埋管 高效节能 变频 

　　1 热泵技术 

　　热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。十九世纪早期法国科学家萨迪.卡诺（Sadi karnot）在 1824年首次以论文提出“卡诺循环”理论，这成为热泵技术的起源。之后许多科学家和工程师对热泵进行了大量研究。21 世纪，随着“能源危机 ”出现，燃油价格忽升，经过改进发展成熟的热泵以其高效回收低温环境热能，节能环保的特点，重新登上历史舞台，成为当前最有价值的新能源科技。现在我国主要利用的热泵技术，按低位热源分为：水源（海水、污水、地下水、地表水等）热泵，地源（包括土壤、地下水）热泵，以及空气源热泵。 

　　2 设计背景 

　　现有的地源热泵多是大中型热泵，而且多为水---水式，对于中国广大的农村，随着经济的发展，空调已进入寻常百姓家，农村的房屋多，基本是平房或二层小楼，不可能安装中央空调系统，也没有适合农村使用的微型水氟分离式地源热泵，因此，本案设计了一款高效节能，更适合广大农村使用的微型、高效、水氟分离式变频地源热泵。 

　　3 设计原理 

　　地源热泵技术是利用地表浅层水源（地下水、江、河、湖、海）土壤吸收的太阳能和地热能而形成的低温低位热能，采用热泵原理，通过少量的电能输出，实现低位热能向高位热能转换的一种技术。地下水的温度常年稳定在16℃18℃，夏季制冷时电空调通过室外机风扇向外部排放热量，此时室外温度高排放热量困难效率低。本机技术就是在这种情况下给空调提供与17℃左右的地下热源进行热交换的工质，制冷剂向工质中排放热量，这样提高了效率，向外排放的热量越多室内减少的热量也就越多，此外制冷剂和压缩机的温度被冷却的更低，压缩机出气管压力降低，耗电量也随之减少。因使用水{氟系统，比普通地源热泵少了一次换热，所以本地源热泵能效比更高，同时使用变频控制系统，瞬间冷却，系统舒适性提高，比普通电空调更节能。 

　　冬季制热时电空调通过室外机风扇从外部吸收热量，此时室外温度低吸收热量困难效率很低。当室外温度低于-7℃时，空调不易启动，因为此时制冷剂从室外吸收的热量极少，在设计上达不到空调开启的标准。本机技术就是在这种情况下给工质提供17℃左右的地下热源进行换热，制冷剂再从工质吸收热量，这样提高了效率，从外面吸收的热量越多室内得到的热量也就越多。普通空调冬天需要化霜，消耗电能，本系统不需要化霜，再配上变频控制系统，因此冬季优势更加明显，比普通电空调节能，比单纯依靠电加热更节能。 

　　性能分析：本地源热泵空调可为2530平米房间使用，供冷供暖面积是普通空调的1.5倍，用电量仅为普通空调的三分之二左右。功耗显著降低、效果明显增强。保护措施：变频控制、缺水保护、防冻保护、缺氟保护等保证机组安全可靠运行。制冷剂采用R410，管道选用PE管，介质为乙二醇。循环泵为行业首选的威乐泵，蒸发器选用紫铜高效蒸发器，板换经过防腐处理，压缩机运行压力比普通空调低，又经过降噪处理，噪音很小，和风机低风速时的音量相当，系统相当稳定。 

　　4 主要零部件 

　　4.1压缩机 

　　压缩机是热泵的核心部件。热泵内机利用风扇吸入室内的热空气，让液态冷媒吸热膨胀成气体，然后再用压缩机把气化的冷媒压缩、放热还原成液体，将热量排出室外。定频压缩机只有运转和停止两种模式，转速固定无法增减，通电后运转，达到设定温度公差内冷气机只能保持在送风状态，在超越设定温度一定时间后，压缩机才会停止或运转，因此让人感到忽冷忽热。变频压缩机利用频率变换技术，改变电源的频率，进而控制压缩机的运转速度，来调节冷气输出。本案采用美芝1.5P直流变频压缩机。 

　　4.2冷凝器 

　　热泵空调机组的应用离不开冷凝器，冷凝器是空调机组运转的四大部件之一。冷凝器的作用是将制冷压缩机排出的高温高压气态制冷剂予以冷却、使之液化，以便制冷剂在系统中循环使用。 

　　冷凝器的种类：根据冷却剂种类的不同，冷凝器可归纳为四类，即：水冷、风冷、水空气冷却以及靠制冷剂或其它工艺介质进行冷却的冷凝器。热泵装置中主要使用前三类冷凝器。在确定冷凝器型式的前提下，根据冷凝负荷和冷凝器单位面积的热负荷来计算冷凝器的传热面积，以此来选定具体的冷凝器的型号。本案因压缩机选用了美芝1.5P直流变频压缩机。冷凝器经计算选用30片钎焊板式换热器。 

　　4.3蒸发器 

　　蒸发器是制冷四大件中很重要的一个部件，低温的液态制冷剂通过蒸发器，与外界的空气进行热交换，“气”化吸热，达到制冷的效果。本案选用紫铜高效蒸发器。 

　　4.4节流装置 

　　是指在充满管道的流体流经管道的节流件时，流束在节流件处形成局部收缩，从而使流速增加静压力降低，于是在节流件前后产生静压力差的装置，空调的节流装置有毛细管、电子膨胀阀、热力膨胀阀等。 

　　4.5四通阀 

　　液压阀术语，是具有四个油口的控制阀。四通阀由三个部分组成：先导阀、主阀和电磁线圈。电磁线圈可以拆卸；先导阀与主阀焊接成一体。工作原理为通过电磁线圈电流的通断，来启闭左或右阀塞，从而可以用左、右毛细管来控制阀体两侧的压力，使阀体中的滑块在压力差的作用下左右滑动从而转换制冷剂的流向，达到制冷或制热的目的。 

　　4.6主板 

　　控制系统的稳定性是整个系统的整个系统的重要衡量标准。本方案采用与压缩机功率匹配的海信变频控制板。 

　　4.7循环泵 

　　地源热泵的设计使用寿命为50年，循环泵的好坏直接决定系统的稳定型。德国威乐泵得到行业的公认，它噪音低，寿命常，性能稳定。 

　　4.8地埋管 

　　地源热泵的地埋管方式有水平埋管和竖直埋管。竖直埋管目前使用最多的是U形管、套管和单管式。考虑到使用的区域是农村，打井的成本等综合因素，本方案采用竖直U形管，型号为DN25。 

　　5 结论 

　　地源热泵已成功利用地下水、江河湖水、水库水、海水、城市中水、工业尾水、坑道水等各类水资源以及土壤源作为地源热泵的冷、热源。本机设计精巧，绿色环保，高效节能，性能稳定，具有很好的推广价值；当然还有可以改进的地方，如改为一机多用，制取生活热水等。