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空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區應用的分析

更新時間：2020-12-07　點擊量：1667

　　0　引言

　　由于空氣源熱泵冷熱水機組具有諸多優點, 作為中央空調的冷熱源, 近年來在我國發展很快。生產廠家已由1995 年的十幾家發展到現在的40 多家。產品品牌繁多, 機組的冷熱量規格齊全。目前, 在我國的長江流域、黃河流域等地區的應用十分廣泛。甚至天津、西安等地也有應用實例[ 4] 。這表明其應用范圍有北擴的趨勢。而我國東北、華北、西北、內蒙古等地區冬季室外空氣中含水量很少, 其結霜問題并不像長沙等地區那么嚴重。這是否意味著, 在這些寒冷地區也可以采用空氣源熱泵冷熱水機組, 在冬季為中央空調提供50℃的熱水? 為尋找答案, 筆者對空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區的應用進行了初步的分析, 以期為寒冷地區推廣應用熱泵空調系統創一條新路。

　　1　空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區運行中存在的問題以某臺空氣源熱泵冷熱水機組(R22)為例。假設其在北方寒冷地區的主要城市中運行, 在室外供暖計算溫度條件下為中央空調系統提供50 ℃熱水,計算出的機組的壓縮比值列入表1 中。由表1 明確看出:機組在絕大部分的城市(除西安、濟南、石家莊外)運行時的壓縮比大于10 , 哈爾濱甚至已超過20 。

　　機組運行的壓縮比過大, 會出現下列問題:

　　① 壓縮機的容積效率降低, 同時, 由于蒸發壓力過低, 使吸氣比體積變大, 制冷系統的質量流量變小。這樣, 機組的供熱量會急劇減少。

　　② 活塞式壓縮機單級系統的壓縮比一般不超過8 。

　　鑒于此, 可以說空氣源熱泵冷熱水機組在北方寒冷的時候是無法正常運行的。

　　2　空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區應用的技術措施及應用方案降低機組的壓縮比是空氣源熱泵冷熱水機組

　　在寒冷地區正常運行的惟一途徑, 因此, 應采用技術措施降低該值。利用機組向用戶提供10 ～ 20 ℃的水, 而不提供50 ℃水, 可以降低機組運行的壓縮比;這低溫水再作為水源熱泵的低位熱源, 由水源熱泵向室內供暖。按此思想, 筆者提出3 種工程上可行的方案。

　　方案1 　利用空氣源冷熱水機組提供的10 ～20 ℃水作為水環熱泵的輔助熱源, 與水—空氣熱泵組成雙級熱泵系統, 如圖1 所示。冬季, 機組從室外空氣中吸取熱量, 再通過水—空氣熱泵加熱室內空氣,以達供暖目的;夏季, 室內的余熱通過空氣源熱泵冷熱水機組或冷卻塔向室外釋放。該方案可解決由于目前我國各類建筑物內的余熱量小(內部負荷不大, 建筑物的內區面積又小)無法使用傳統的水環熱泵空調系統的問題。

　　方案2 　利用空氣源熱泵冷熱水機組提供的10～ 20 ℃水, 作為戶式水—水熱泵的低位熱源。與方案1 不同的地方是, 室內使用的小型熱泵機組不是水—空氣熱泵,而是水—水熱泵, 冬季向室內提供40～ 50 ℃ 熱水, 再通過風機盤管加熱室內空氣, 此方案可以解決目前常用井水作為戶式水—水熱泵的低位熱源時, 出現的水井老化、井水回灌困難、寒冷地區地下水水溫低等問題, 同時也不受地下水資源的限制。

　　方案3 　類似于方案2 , 只是將分散的戶式水—水熱泵改為集中式的水—水熱泵, 集中制備50 ℃熱水, 再通過水系統將熱水送至各室內的末端裝置(如風機盤管、輻射供暖系統等), 通過末端裝置加熱室內空氣, 以達供暖目的。

　　3　應用方案的可行性

　　為了初步評價應用方案的可行性, 對空氣源熱泵冷熱水機組作一些簡單的計算, 計算結果列入表2, 表3中。表2給出供20 ℃或13 ℃水時機組的壓縮比和容積效率ηv 值, 表3 給出機組由室外空氣溫度-5 ℃, 提供50 ℃熱水的工況變化到室外供暖計算溫度, 提供20 ℃水或13 ℃水工況時供熱量的變化率。

　　當室外氣溫為-5 ℃時, 向用戶提供50 ℃熱水時, 機組的壓縮比為8 .6 , 容積效率為0 .499 。與表2 相比較, 可以明顯看出:機組在室外供暖計算溫度下, 提供20 ℃水時, 除哈爾濱、長春外, 其余的城市中空氣源熱泵冷熱水機組的壓縮比均小于8 .6 , 而容積效率均大于0 .499 ;若提供13 ℃的水時, 表中所有城市選用的空氣源熱泵冷熱水機組的壓縮比均小于8 .6 , 而容積效率均大于0 .499 。從機組的壓縮比和容積效率看, 空氣源熱泵冷熱水機組在室外供暖設計溫度下, 提供13 ～ 20 ℃水的工況是可以正常運行的。

　　當機組在室外空氣溫度為-5 ℃, 供50 ℃熱水工況下運行時, 其供熱量作為100 , 則機組在室外供暖計算溫度下, 提供20 ℃水工況時, 北京、天津、石家莊、太原、濟南、蘭州等城市中, 機組供熱量均大于100, 西安超過65 .37 %, 濟南超過50 .75 %, 西寧亦達11 .04 %。在哈爾濱、長春、沈陽、呼和浩特、銀川、烏魯木齊等城市中, 機組供熱量小于100。這是因為室外供暖計算溫度太低, 蒸發溫度亦低, 使吸氣比體積太大, 制冷循環的質量流量變小之故。在這些城市中, 若提供13℃水時, 除銀川外, 其它城市中, 機組供熱量仍小于100, 不過, 其減少量有所變小。例如, 哈爾濱地區機組的供熱量的減少值由55 .21 %減少到45 .23 %, 沈陽由22 .66 %減少到11 .8 %。這充分表明:除哈爾濱、長春外, 其它地區機組在供暖室外計算溫度下供13 ～ 20 ℃水時, 其供熱量降低不多,而西北地區供熱量反而增加。

　　綜上所述, 空氣源熱泵冷熱水機組提供13 ～20 ℃水是可行的, 機組可以正常運行。10 ～ 20 ℃的水是水源熱泵的優良的低溫熱源。另外, 空氣源熱泵冷熱水機組供熱性能系數(COP)平均為3 , 水—空氣源熱泵供熱性能系數平均為4 。若不考慮其他損失時, 方案1 的能流圖見圖4 。由圖4 可見, 方案1 的總供熱性能系數可達2 .0 。不過應注意到, 在整個供暖期里, 出現供暖室外計算溫度的時間不長, 大部分時間的室外氣溫是高于供暖室外計算溫度的。隨著室外氣溫的升高, 機組的COP 值亦會升高。因此, 這樣雙級熱泵供暖新系統的季節性能系數將會遠遠大于2 的。

　　4　結論

　　4.1　在我國北方地區, 由空氣源熱泵機組與水源熱泵(水—空氣熱泵或水—水熱泵)組成新型的雙級熱泵系統是供暖的理想系統之一。

　　4.2　在寒冷地區, 采用空氣源熱泵冷熱水機組提供10 ～ 20 ℃的水作為水源熱泵的低位熱源時, 可以解決井水作為熱泵的低位熱源時, 存在水井老化, 回灌困難等問題;也可以解決目前建筑物內余熱少或沒有余熱而無法采用傳統的水環熱泵空調系統的問題。

　　4.3　在寒冷地區, 采用空氣源熱泵冷熱水機組提供10 ～ 20 ℃的水是空氣源熱泵冷熱水機組在該地區可行的應用方式。

　　筆者目前所做的工作是初步的。為了更好地在寒冷地區推廣和應用這種系統, 筆者準備在今后做如下工作:① 空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區供暖期里運行的模擬研究與分析;② 空氣源熱泵冷熱水機組加水源熱泵空調系統在我國北方地區應用的評價;③ 在條件許可的時候, 建立實驗性系統, 進行運行實驗研究。

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產品關鍵詞：地源熱泵測溫，地埋管測溫，淺層地溫在線監測系統，分布式地溫監測系統

此款系統專門為地源熱泵生產企業，新能源技術安裝公司，地熱井鉆探公司以及節能環保產業等單位設計，通過連接我司單總線地熱電纜，以及單通道或多通道485接口采集器，可對接到貴司單位的軟件系統。歡迎各類單位以及經銷商詳詢！此款設備支持貼牌，具體價格按量定制。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統【產品介紹】

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯,對建筑物進行供熱和供冷.在埋地管換熱器設計中,土壤的導熱系數是很重要的參數.而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長,測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的測溫電纜設計方法，單總線測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

采集服務器通過總線將現場與溫度采集模塊相連，溫度采集模塊通過單總線將各溫度傳感器采集到的數據發到總線上。每個采集模塊可以連接內置1-60個溫度傳感器的測溫電纜相連。本方案可以對大型試驗場進行溫度實時監測，支持180口井或測溫電纜及1500點以上的觀測井溫度在線監測。

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統：

1. 地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2. U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究，埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

豎直地埋管地源熱泵溫度測量系統，主要是一套*基于現場總線和數字傳感器技術的在線監測及分析系統。它能有對地源熱泵換熱井進行實時溫度監測并保存數據，為優化地源熱泵設計、探討地源熱泵的可持續運行具有參考價值。

二、RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統本系統的重要特點：

１．結構簡單，一根總線可以掛接1-60根傳感器，總線采用三線制，所有的傳感器就燈泡一樣，可以直接掛在總線上．

２．總線距離長．采用強驅動模塊，普通線，可以輕松測量500米深井.

３．的深井土壤檢測傳感器，防護等級達到ＩＰ６８，可耐壓力高達5Mpa.

４．定制的防水抗拉電纜，增強了系統的穩定性和可靠特點總結：高性價格比，根據不同的需求，比你想象的*．

針對U型管口徑小的問題，本系統是傳統鉑電阻測溫系統理想的替代品. 可應用于：

１.地埋管回填材料與地源熱泵地下溫度場的測試分析

2.U型垂直埋管換熱器管群間熱干擾的研究

3. U型管地源熱泵系統性能及地下溫度場的研究

4. 地源熱泵地埋管的傳熱性能實驗研究

5. 地源熱泵地埋管換熱器傳熱研究

6. 埋地換熱器含水層內傳熱的數值模擬與實驗研究。

本系統技術參數：支持傳感器：18B20高精度深井水溫數字傳感器，測井深：1000米，傳感器耐壓能力：5Mpa ,配置設備：遠距離溫度采集模塊＋測井電纜＋傳感器，

RS485豎直地埋管地源熱泵溫度監測系統系統功能：

1、溫度在線監測

2、報警功能

3、數據存儲

4、定時保存設置

5、歷史數據報表打印

6、歷史曲線查詢等功能。

【技術參數】

1、溫度測量范圍：-10℃ ～ +100℃

2、溫度精度：正負0.5℃ (-10℃ ～ +80℃)

3、分辨率： 0.1℃

4、采樣點數：小于128

5、巡檢周期：小于3s（可設置）

6、傳輸技術： RS485、RF(射頻技術)、GPRS

7、測點線長：小于350米

8、供電方式： AC220V /內置鋰電池可供電1-3年

9、工作溫度： -30℃ ～ +80℃

10、工作濕度：小于90%RH

11、電纜防護等級：IP66

使用注意事項：

防水感溫電纜經測試與檢測，具備一定的防水和耐水壓能力，使用時，請按以下方法操作與使用：
1．使用時，建議將感溫電纜置于U形管內以方便后期維護。
若置與U形管外，請小心操作，做好電纜防護，防止在安裝過程中電纜被劃傷，以保持電纜的耐水壓能力和使用壽命。
2. 電纜中不銹鋼體為傳感器所在位置，因溫度為緩慢變化量，正常使用時，請等待測物熱平衡后再進行測量。
3. 電纜采用三線制總線方式，紅色為電源正，建議電源為3-5V DC，黑色為電源負，蘭色為信號線。請嚴格按照此說明接線操作。
4. 系統理論上支持180個節點，實際使用應該限制在150個節點以內。
5.系統具備一定的糾錯能力，但總線不能短路。
6. 系統供電，當總線距離在200米以內，則可以采用DC9V給現場模塊供電，當距離在500米之內，可以采用DC12V給系統供電。

【北京鴻鷗成運儀器設備有限公司提供定制各個領域用的測溫線纜產品介紹】

由北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出的地源熱泵溫度場測控系統，硬件采取*ARM技術；上位機軟件使用編程語言技術設計，富有人性、直觀明了；測溫傳感器直接封裝在電纜內部，根據客戶距離進行封裝。目前該系統廣泛應用于地源熱泵地埋管、地源熱泵溫度場檢測、地源熱泵地埋換熱井、地源熱泵豎井及地源熱泵溫度場系統進行地溫監測，本系統的可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

地源熱泵診斷中土壤溫度的監測方法：
　　為了實現地源熱泵系統的診斷，必須首先制定保證系統正常運行的合理的標準。在系統的設計階段，地下土壤溫度的初始值是一個重要的依據參數，它也是在系統運行過程中可能產生變化的參數。如果在一個或幾個空調采暖周期（一般一個空調采暖周期為1年）后，系統的取熱和放熱嚴重不平衡，則這個初始溫度會有較大的變化，將會大大降低系統的運行效率。所以設計選用土壤溫度變化曲線作為診斷系統是否正常的標準。
　　首先對地源熱泵系統所控制的建筑物進行全年動態能耗分析，即輸入建筑物的條件，包括建筑的地理位置、朝向、外形尺寸、圍護結構材料和房間功能等條件，計算出該區域全年供暖、制冷的負荷，我們根據該負荷，選擇合適的系統配置，即地埋管數量以及必要的輔助冷熱源，并動態模擬計算地源熱泵植筋加固系統運行過程中土壤溫度的變化情況，得到初始土壤溫度標準曲線。采用滿足土壤溫度基本平衡要求的運行方案運行，同時系統實時監測土壤溫度變化情況，即依靠埋置在地下的測溫傳感器監測土壤的溫度，并且將測得的溫度傳遞給地源熱泵系統。

淺層地溫能監測系統概況：

地源熱泵空調系統利用土壤作為埋地管換熱器的熱源或熱匯，對建筑物進行供熱和供冷，在埋地管換熱器設計中，土壤的導熱系數是很重要的參數，而對地溫進行長期可靠的監測顯得特別重要。在現場實測土壤導熱系數時測試時間要足夠長，測試時工況穩定后的流體進出口及不同深度的溫度會影響測試結果的準確性。因此地源熱泵地埋測溫電纜的設計顯得尤其重點。較傳統的地源熱泵測溫電纜設計方法，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的數字總線式測溫電纜因為接線方便、精度高且不受環境影響、性價比高等優點，目前已廣泛應用于地埋管及地源熱泵系統進行地溫監測，因可靠性和穩定性在諸多工程中已得到了驗證并取得了較好的口啤。

為方便研究土壤、水質等環境對空調換熱井能效等方面的可靠研究或溫度測量，目前地源熱泵地埋管測溫電纜對于地埋換熱井，有口徑小，深度較深等特點的測溫方式,如果測量地下120米的地源熱泵井，要放12路線PT100傳感器。12根測溫線纜若平均放置，即10米放一個探頭，則所需線材要1500米，在井上需配置一個至少12通道的巡檢儀，若需接入電腦進行溫度實時記錄，該巡檢儀要有RS232或RS485功能,根據以上成本估計，這口井進行地熱測溫至少成本在8000元，雖然選擇高精度的PT100可提高系統的測溫精度，但對模擬量數據采集，提供精度的有效辦法是提供儀器的AD轉換器的位數，即提供巡檢儀的測量精度，若能夠在長距離測溫的條件下進行多點測溫，能夠做到0.5度的精度，則是非常不容易。針對這一需求，北京鴻鷗成運儀器設備有限公司推出“數字總線式地源熱泵地埋管測溫電纜”及相應系統。礦井深部地溫監測，地源熱泵溫度監測研究，地源熱泵溫度測量系統，淺層地熱測溫系統。

地源熱泵數字總線測溫線纜與傳統測溫電纜對比分析：
傳統的溫度檢測以熱敏電阻、PT100或PT1000作為溫度敏感元件，因其是模擬量，要對溫度進行采集，若需較高精度，需要選擇12位或以上的AD轉換及信號處理電路，近距離時，其精度及可靠性受環境影響不大，但當大于30米距離傳輸時，宜采用三線制測方式，并需定期對溫度進行校正。當進行多點采集時，需每個測溫點放置一根電纜，因電阻作為模擬量及相互之間的干擾，其溫度測量的準確度、系統的精度差，會受環境及時間的影響較大。模塊量傳感器在工作過程中都是以模擬信號的形式存在，而檢測的環境往往存在電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統的穩定性，每年需要進行校準，因而它們的使用有很大的局限性。

北京鴻鷗成運儀器設備有限公司研發的總線式數字溫度傳感器，具有防水、防腐蝕、抗拉、耐磨的特性，總線式數字溫度傳感器采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正，因數據傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做得很小，直徑不大于12mm,且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。這是傳統熱電阻測溫系統*的優勢。所以數字總線式測溫電纜是地源熱泵地埋管管測溫、地溫能深井和地層溫度監測理想的設備。數字總線式數據傳感器本身自帶12位高精度數據轉換器和現場總線管理器，直接將溫度數據轉換成適合遠距離傳輸的數字信號，而每個傳感器本身都有唯的識別ID，所以很多傳感器可以直接掛接在總線上，從而實現一根電纜檢測很多溫度點的功能。

地源熱泵大數據監控平臺建設

一、系統介紹

1、建設自動監測監測平臺，可監測大樓內室內溫度；熱泵機組空調側和地源側溫度、

壓力、流量；系統空調側和地源側溫度、壓力、流量；熱泵機組和水泵的電壓、電流、功率、

電量等參數；地溫場的變化等，實現熱泵機組運行情況 24 小時實時監測，異常情況預

警，做到真正的無人值守。可對熱泵系統的長期運行穩定性、系統對地溫場的影響以及能效

比等進行綜合的科學評價，為進一步示范推廣與系統優化的工作提供數據指導依據。

具體測量要求如下：

1）各熱泵機組實時運行情況；

2）室內溫度監測數據及變化曲線；

3）室外環境溫度數據及變化曲線；

4）機房內空調側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

5）機房內地埋管側出回水溫度、壓力、流量等監測數據及變化曲線；

6）機房內用電設備的電流、電壓、功率、電能等監測數據及變化曲線；

7）地溫場內不同深度的地溫監測數據及變化曲線；

8）能耗綜合分析、系統 COP 分析以及系統節能量的評價分析。

2、自動監測平臺建成以后可以對已經安裝自動監測設備的地熱井實施自動監測的數據分

析展示，可實現地熱井和回灌井的水位、水溫、流量實施傳輸分析，并可實現數據異常情況預

警，做到實時監管，有地熱井運行的穩定性。

1）開采水量及回水水量的流量監測及變化曲線；

2）開采水溫及回水水溫的溫度監測及變化曲線；

3）開采井井內水位監測及變化曲線；

空氣源熱泵冷熱水機組在寒冷地區應用的分析

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