带热水供应的地源热泵机组研究
摘要：通过对普通地源热泵机组的改进，在机组中增设生活热水加热器，使之成为带热水供应的地源热泵机组。机组运行时，高温高压的压缩机过热蒸汽首先加热生活热水器中的自来水，然后才通过冷凝器。
1概述
地源热泵（GroundSourceHeatPump）技术是利用大地作为低位热源，通常是利用地球表面浅层水源如地下水、河流、湖泊中吸收的太阳能和地热能，并应用热泵原理，对建筑物进行冬季供暖、夏季制冷。
地球表面浅层水源如深度在100米以内的地下水、地表的河流、湖泊和海洋中，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且温度一般都相对稳定。地源热泵机组工作原理就是在夏季将建筑物中的热量转移到水源或土壤中蓄存起来，而冬季，则从水源或土壤中提取能量供给建筑物使用。
地源热泵的名称最早出现在1912年瑞士的一份专利文献中[1]，但真正意义的商业应用也就十几年的历史，但发展相当迅速。如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45,000台，到目前为止已安装了400,000台，而且每年以10％的速度稳步增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统已占空调总保有量的19％，其中新建筑中占30％。
中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，采用地下埋管（埋深<400米深）的地源热泵，用于室内地板辐射采暖或提供生活热水。据1999年的统计，家用供热装置中，地源热泵所占比例较高，瑞士为96％，奥地利为38％，丹麦为27％。同时，中、北欧海水源热泵的研究和应用也比较多。
在我国，地源热泵的应用才刚刚起步，但发展潜力十分巨大。一方面，随着城市环境问题的日益重视和能源结构的调整，北方地区新建小区一般不能使用燃煤锅炉房供热，以何种方式解决这些新建小区的供热问题成为目前住宅建设中的大问题。另一方面，近年来我国住宅空调安装率迅速增长。上海居民住宅空调拥有率已超过60％，北京也达到34％，城镇居民住宅平均拥有率已达20％，并且目前家用空调拥有率仍在飞速增长。这样，对于我国的广大地区，住宅环境就不再仅仅是采暖问题，而是要统一考虑供暖和制冷的需求。借鉴发达国家的经验，采用地源热泵方式可能成为满足这种要求的最佳方式。
通过对普通的地源热泵机组研究，对系统流程进行了改进，使普通的地源热泵机组在供热或制冷的同时，供应生活热水，做到一机多用，节约初投资。
2机组原理
冬季制热运行时，压缩机高温高压的排气首先通过生活热水换热器，加热生活热水（当无需生活热水时，则不发生热交换），然后由四通换向阀进入负载换热器即冷凝器，加热末端循环水。冷凝后的制冷剂液体通过膨胀阀节流降压进入源换热器即蒸发器，吸收来自井水的热量后蒸发，最后通过四通换向阀进入压缩机压缩。在冬季运行时，为了防止井水温度较低时，压缩机保护停机，在系统中设置了能量调节器。当井水温度低至设定值时，旁通部分排气直接进入压缩机，使流经蒸发器的制冷剂流量减小，从而减小蒸发器的负荷。
夏季运行时，压缩机高温高压的排气也是先通过生活热水换热器，“免费”加热生活热水，剩余的冷凝热由源换热器即此时的冷凝器承担，冷凝后经节流降压进入负载换热器即此时的蒸发器，吸收来自建筑物的热量后蒸发，再由四通换向阀进入压缩机。在夏季运行时，普通的热泵机组是把冷凝热释放到井水中，而此机组可以回收这部分热量用于加热生活热水，因此只要机组制冷运行，那么这部分热量是完全免费的，而且可以提高机组的性能。
在过渡季，当用户无需供热或制冷时，可以把此机组设置在制热状态，作为一台纯制取生活热水的“热水机”使用。因此，此机组具有一机多用的功能。
3试验样机及实测结果
3.1试验样机
根据以上的原理，在制作试验样机时，作了一些变动，主要是把氟路换向改为水路换向，即取消四通换向阀，在水路上设置换向阀组V1、V2、V3、V4和V5、V6、V7、V8。其系统图见图2。
此机组采用一台7HP涡旋式压缩机，生活热水罐的容积为80L，应用在一联体别墅中。别墅的建筑面积约180m2，分上下两层，空调末端为风机盘管。冬季制热运行时，阀V1、V3、V5和V7关闭，阀V2、V4、V6和V8打开；夏季制冷运行时，则阀V1、V3、V5和V7打开，阀V2、V4、V6和V8关闭。
3.2现场检测结果
现场运行效果测试委托“国家空调设备质量监督检验中心”进行。测试的仪器见表1，测试结果见表2。
图2带热水供应的热泵机组系统图
表1检测仪器
| 仪器名称 | 范围 | 准确度 |
| 1/10刻度玻璃水银温度计(国产) | －30～20℃，0～50℃，0～100℃ | ±0.1℃ |
| 数字功率表WT130(日本) | 0～400A/5A | ±5‰f.S |
| FLB型超声波流量计(日本) | 0～16m/s | ±0.03m/s(<2m/s) |
| 电子秒表(国产) | / | 0.01s |
| Hm34数字式温湿度仪(芬兰) | －20～60℃，0～90％RH | ±0.3℃，±2％RH |
| 时间 | 水源侧 | 用户侧 | 耗电 | ||||||
| 井水温度 | 井水水量 (m3/h) | 热水温度 | 热水水量 (m3/h) | 压机输入功率 (kW) | 水泵输入功率 (kW) | 总输入功率 (kW) | |||
| 供水 (℃) | 回水 (℃) | 供水 (℃) | 回水 (℃) | ||||||
| 15:20 | 11.5 | 7.8 | 2.565 | 44.2 | 37.6 | 1.970 | 4.8 | 0.24 | 5.04 |
| 15:30 | 11.4 | 7.5 | 2.579 | 44.5 | 37.9 | 1.976 | 4.8 | 0.24 | 5.04 |
| 15:40 | 11.3 | 7.5 | 2.560 | 44.4 | 37.7 | 1.976 | 4.8 | 0.24 | 5.04 |
| 15;50 | 11.3 | 7.5 | 2.565 | 44.3 | 37.6 | 1.976 | 4.8 | 0.24 | 5.04 |
| 16:00 | 11.2 | 7.5 | 2.565 | 44.2 | 37.6 | 1.976 | 4.8 | 0.24 | 5.04 |
| 16:10 | 11.5 | 7.6 | 2.567 | 44.2 | 37.6 | 1.975 | 4.8 | 0.24 | 5.04 |
| 平均值 | 11.4 | 7.6 | 2.567 | 44.3 | 37.7 | 1.975 | 4.8 | 0.24 | 5.04 |
| 制热量(kW) | 15.16 | ||||||||
| COP | 3.0 | ||||||||
| 备注 |
1. 室外温度：0.7℃2. 一层室内平均温度：21.5℃，二层室内平均温度：22.5℃3. 检测时间段内，生活热水出水温度为50℃，提供的生活热水水量为80kg |
为了更全面了解带热水供应热泵机组的运行情况和运行费用，对应用此类热泵机组的某小区进行了跟踪检测，测试结果见表3。
表3冬季运行费用检测数据（带热水供应）
| 单元号 | 用电量 | 运行费用 | 备注 | |||
| 总用电量 (kWh/季) | 每m2用电量 (kWh/m2·季) | 总费用 (元/季) | 每m2费用 (元/m2·季) | |||
| 9-1 | 5076 | 31.72 | 1994.87 | 12.5 | ||
| 9-2 | 6518 | 40.74 | 2561.57 | 16.0 | ||
| 9-4 | 6685 | 41.78 | 2627.20 | 16.4 | ||
| 8-1 | 5380 | 33.62 | 2114.34 | 13.2 | ||
| 8-3 | 6827 | 42.67 | 2683.01 | 16.8 | ||
| 7-2 | 4582 | 28.64 | 1800.73 | 11.3 | ||
| 6-1 | 5130 | 32.06 | 2016.09 | 12.6 | ||
| 6-4 | 9194 | 57.46 | 3613.24 | 22.6 | ||
| 5-2 | 5667 | 35.42 | 2227.13 | 13.9 | ||
| 5-3 | 9499 | 59.37 | 3733.11 | 23.3 | 外教 | |
| 合计 | 64558 | — | 25371.29 | — | ||
| 平均 | 6455.8 | 44.38 | 2537.1 | 15.86 |
3.4测试结果分析
从现场测试结果表2中可以发现，在测试的50分钟内，此机组除了供热外，还供应了80kg温度为50℃的生活热水。自来水温度按18℃计算，则相当于生活热水的热负荷为3.57kW，则此机组总的供热负荷为18.73kW，此系统的能效比EER为
另外，末端的循环水流量偏小，有可能影响机组性能，应把末端循环泵的流量加大到2.8m3/h较合适。
从冬季运行测试结果表3中可以发现，此类机组整个冬季运行费用相对较低，10个用户的平均费用为15.86元/(m2.季)，仅为燃气集中式供暖系统的52.9%（燃气集中供暖北京为30元/(m2.年)）,甚至比燃煤锅炉房供暖的费用还要低，节能效果十分明显。
结论
通过实测结果分析，可以得到以下结论：
1.带生活热水供应的地源热泵机组在冬季供热时，虽然供热量有所减少，但系统整体能效比高，运行费用低；
2.机组在供热的同时，可以提供生活热水，一机多用，提高用户的生活品质；
3.需进一步检测机组在夏季制冷和过渡季制取生活热水时的性能。
