一种基于土壤源热泵的空调制冷供暖系统研究

靳俊杰，崔秋娜，李帅鹏，张志辉，张沛璐

（河南城建学院能源与建筑环境工程学院，河南 平顶山 467036）

0 引言

随着国家大力发展低碳经济、提倡节能环保，建筑能耗成为了人们关注的焦点之一。据统计，2018年我国建筑能耗约为10亿吨标煤，约占社会总能耗的22%［1］，而其中空调能耗又占有较高的比重，因此推广空调节能无疑至关重要。

土壤源热泵是近些年来人们比较青睐的一种供暖制冷技术，具有高效节能、绿色环保等优势，而毛细管网换热器，具有舒适度好、无吹风感、高效节能和使用寿命长等众多优点，二者结合起来，必能发挥出更大的节能环保效果。

1 系统设计

该空调制冷供暖系统由两大部分组成，即地埋管换热器与毛细管网呼吸式重力空调墙结合的制冷系统及地埋管换热器与机组、毛细管相结合的供暖系统。

该系统采用双U形地埋管并联，其中一路U形地埋管换热器为夏季制冷提供冷源，另一路U形地埋管换热器在冬季供暖时为机组的蒸发器提供热源。

夏季制冷时，U形地埋管换热器通过循环水泵直接给毛细管提供冷水，因为末端毛细管处在毛细管网呼吸式重力空调墙中，即便毛细管表面温度达到冷凝温度，也会遇冷凝结成水珠随重力的作用滴落在底部水槽中而排出室外，避免传统毛细管网制冷造成墙体潮湿而受损的现象。

冬季供暖时，U形地埋管换热器通过循环水泵直接给机组的蒸发器提供热源，大大提高蒸发器的换热效果，从而提高机组的COP值。而机组冷凝器端产生的热水，输送到房间的地板毛细管中，达到供暖的目的。

2 系统结构

2.1 夏季制冷系统结构

该系统主要由U形地下换热盘管、毛细管网换热器、分水器、集水器、循环水泵、贯流风机与毛细管网呼吸式重力空调墙等组成，如图1所示。

图1 制冷系统结构示意图

毛细管网呼吸式重力空调墙布置在两侧墙位置，占据面积较大，这样可使毛细管利用小温差、大流量原理来进行夏季制冷，如图2所示。在重力空调墙上端开有两个进风口，下侧设置有贯流风机和出风口，底部设置有接收冷凝水的水槽，如图3所示。

图2 毛细管网呼吸式重力空调墙结构示意图

图3 毛细管网呼吸式重力空调墙侧面结构示意图

毛细管网换热器中布置有毛细管，室外新风进入可进行对流换热，降低新风温度。

2.2 冬季供暖系统结构

该供暖系统主要由U形地下换热盘管、热泵机组、毛细管、循环水泵等组成，如图4所示。

图4 供暖系统示意图

U形地下换热盘管与热泵机组的蒸发器相连接，为蒸发器提供低位热源，热泵机组的冷凝器端与铺设在地板中的毛细管相连接，为毛细管提供热水来供暖。

3 系统的工作原理

3.1 夏季制冷系统工作原理

夏季制冷时，U形地埋管中的水与周围土壤进行换热，在循环水泵的驱动下，换热后的冷水首先进入到毛细管网换热器中，与室外新风换热后，通过分水器进入到毛细管网呼吸式重力空调墙中，与室内回风进行换热，达到制冷的目的。回水进入到集水器，然后重新进入U形地下换热盘管中，形成一个循环。

为了保障室内空气品质，制冷时引入室外新风，室外新风先在毛细管网换热器中进行初步换热，温度得到一定的降低，然后在风机的驱动下，通过三通阀分别进入到墙体两侧的毛细管网呼吸式重力空调墙中，同室内回风混合，与毛细管网呼吸式重力空调墙中的毛细管网进行对流换热，最后送入房间中。

当空气在毛细管网呼吸式重力空调墙中进行对流换热时，如果出现了凝露现象，产生的冷凝水随重力作用会滴落在底部水槽中，然后排出室外，克服了传统毛细管网空调制冷时，地板或墙体表面容易出现的凝露问题。

3.2 冬季供暖系统工作原理

冬季供暖时，另一路U形地埋管中的水与周围土壤进行换热，在循环水泵驱动下，进入到热泵机组的蒸发器端，为机组提供热源，进行换热后，水温降低并重新进入到U形地埋管中，重新与周围土壤进行换热，形成一个循环。

热泵机组产生的热水进入到毛细管中，通过房间的辐射换热，使得房间温度保持在一个较舒适的范围，降温后的水重新回到热泵机组进行加热，形成另一个循环。

4 系统的经济节能可行性分析

夏季制冷时，根据相关文献［2］，重庆夏季制冷若以23℃水供毛细管网，室温基本可以稳定在27℃以内，基本满足人体舒适度要求，且该文献研究表明，在基本满足室内温度要求下，允许供水温度上限为24℃。吴盛威［3］实验测量了位于天津市滨海新区的工程项目，数据显示制冷工况下地埋管出水温度在17.6～20.3℃范围内。由此可见，一些地区地埋管出水温度远低于制冷供水温度要求。末端采用的是毛细管网呼吸式重力空调墙，可铺设较大面积的毛细管网，且此种毛细管重力循环制冷装置被证明制冷效果明显［4－5］，又能克服凝露问题，利用毛细管网小温差、大流量原理来进行夏季制冷，运行时只需耗费循环水泵、风机的少量电能，就能正常制冷，从而实现节能的目的。

冬季供暖时，土壤源热泵的电力消耗，要比空气源热泵减少40%以上，比电供暖减少70%以上［6］，节能效果明显。末端依然采取毛细管散热器，要比传统普通的末端散热器效率高，且所需供暖水温要求低，可实现进一步节能。该制冷供暖系统与传统的土壤源热泵系统相比，仅仅把末端的传统换热器改为毛细管，且主要多了一套夏季制冷时使用的毛细管网呼吸式重力空调墙，造价成本略有提升，但运行成本低。地埋管换热器夏季向土壤释放热量，冬季向土壤吸收热量，二者相当，有利于地下土壤的热平衡，从而为该套制冷供暖装置的长期稳定运行提供有力的保障。

5 小结

该系统夏季制冷可充分利用地下土壤冷源，引入室外新风，末端采用毛细管网呼吸式重力空调墙装置，不仅改善室内空气品质，又能避免传统上毛细管空调凝露问题，最大优势是不需要制冷机组，可直接向末端供冷水制冷，最大化节能；冬季供热，热泵机组一方面利用土壤中的热源，一方面末端采用毛细管，只需提供低品位的热水，二者结合，使热泵机组的COP较高。

系统在制冷时，引入的新风进行两级换热，先与毛细管网换热器换热，又被送入到毛细管网呼吸式重力空调墙中与室内的循环回风混合，并一起与呼吸墙进行换热，这样有助于新风的充分热交换。呼吸式重力空调墙中采用双级风口，并引入贯流风机，可增强室内循环回风、室外新风与毛细管网的换热效果。