CN100374793C - 土壤低品位能量提取系统 - Google Patents

Abstract

一种土壤低品位能量提取系统，包括：能量采集装置(2)、能量提升装置(1)和散热器(4)，能量采集装置包括集热器(31)、低位能侧换热盘管(25)和回液泵(24)依次串联组成的回路，集热器(31)包括蓄能器(5)和集热井(6)，蓄能器(5)由外筒(9)和套装在外筒(9)内的内筒(8)组成，蓄能器(5)的外筒(9)和集热井(6)之间填充水泥和粘土的混合物，本发明的土壤低品位能量提取系统解决了长期困扰人们的难题，水泥和粘土的使用使蓄能器和土壤紧密地结合在一起，提高了土壤的传热效率，能量采集装置(2)的回路中充满防冻液，可以使本系统能源温度在0℃以下的条件下仍能正常工作。

Description

土壤低品位能量提取系统

技术领域

本发明涉及一种土壤低品位能量提取系统，特别是涉及了一种用单井抽灌的方式提取土壤中低品位能量的系统，它是通过能量提升装置把低品位热能变成高品位热能达到冬季供暖、夏季供冷、日常供应生活热水和冷源的四联供的目的。

背景技术

本发明的申请人在先申请的中国发明专利号为ZL01116085.3的竖式地热蓄能空调系统为人们提供了一种收集地热作为能源、无污染、占地面积小，并能提供生活用热水的竖式地热空调系统。该系统必须在能挖出地下水的地区使用，但是很多地方要挖出地下水要将竖井挖得很深，这样不仅费时、费力，并且给蓄能器的安装和维修带来了很多不便，而利用土壤传热，其传热速度慢，利用率低。

发明内容

为了改善现有技术中的缺陷，满足地下水资源不足地区用户的需求，本发明的目的是提供了一种土壤低品位能量提取系统，它能利用土壤中的热量来达到冬季供暖和夏季供冷的目的。

本发明土壤低品位能量提取系统，包括：依次串接在一起的能量采集装置、能量提升装置和散热器，所述能量采集装置包括由集热器、低位能侧换热盘管和回液泵依次串联组成的回路，所述集热器包括集热井和置于集热井中的蓄能器，其中所述能量采集装置的回路中充满防冻液，所述蓄能器包括外筒和套装在外筒内的内筒，所述外筒和内筒之间留有间隙，外筒的顶部设有上封盖，集热器的进液管装在上封盖上，集热器的出液管与外筒和内筒之间下部的环形间隙相通，上封盖和内筒之间设有均流板，内筒为开式容器，内筒的开口伸出外筒的上封盖，蓄能器的外筒和集热井之间填充水泥和粘土的混合物。

本发明土壤低品位能量提取系统，其中所述的水泥和粘土的比例在1∶3-1∶5之间。

本发明土壤低品位能量提取系统，其中所述的能量采集装置的回路还包括：第一阀门、第十一阀门、第五阀门和第二阀门，其中：第一阀门和第十一阀门依次串联在集热器的出液端和低位能侧换热盘管进液端之间，第二阀门和第五阀门依次串联在集热器的进液端和回液泵之间；在所述能量提升装置和散热器之间设有换热器，换热器是由高位能侧换热盘管、出液泵、第八阀门、能量输出盘管和第四阀门依次串联组成的回路，回路中充满防冻液，所述能量输出盘管与散热器的能量输入盘管相耦合；在所述能量输出盘管出液端与出液泵和第八阀门的连接点之间并联两个相互串连在一起的第十阀门和第七阀门；在所述能量输出盘管出液端与低位能侧换热盘管进液端之间并联第三阀门；在所述高位能侧换热盘管进液端与第一阀门和第十一阀门的连接点之间并联第十二阀门；第十阀门和第七阀门之间的管道与第二阀门和第五阀门之间的管道用四通管接头相互连接在一起；所述能量提升装置由第一级热泵和第二级热泵串联组成，第一级热泵是由第一蒸发器、第十三阀门、第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀和第十四阀门依次串联组成的回路；第二级热泵是由第二蒸发器、第十五阀门、第二压缩机、第二冷凝器、第二膨胀阀、和第十六阀门依次串联组成的回路；第一蒸发器的输出端与第十五阀门和第二压缩机的连接点之间并联第十七阀门；第一蒸发器的输入端与第十六阀门和第二膨胀阀的连接点之间并联第十八阀门；所述第一蒸发器与所述低位能侧换热盘管相耦合，所述第二冷凝器与所述高位能侧换热盘管相耦合。

本发明土壤低品位能量提取系统，其中所述的第二压缩机与所述的第二冷凝器之间串联热水器的加热管。

本发明土壤低品位能量提取系统，其中所述的回液泵和第五阀门之间并联冷库的换热盘管，冷库的换热盘管的进液端与回液泵的出液端相连，冷库的换热盘管的出液端通过第六阀门与换热器能量输出盘管的进液端相连，冷库的换热盘管的进液端和出液端之间并联第九阀门，第五阀门和第九阀门之间的管道与冷库的换热盘管的出液端和第六阀门之间的管道用四通管接头相互连接在一起。

本发明的土壤低品位能量提取系统与现有技术的竖式地热蓄能空调系统相比，具有以下优点：

1.解决了长期困扰人们的问题，即在水资源贫乏的地区，不能使用现有技术中的竖式地热蓄能空调系统。使用土壤传热的系统，还因为土壤的传热效率很低，使设备庞大并且利用率很低，本发明的土壤低品位能量提取系统解决了这一难题。并且水泥和粘土的使用使蓄能器和土壤紧密地结合在一起，提高了土壤的传热效率。

2.换热器的置入使防冻液和水无论是制冷还是制热都彻底分开，以保证整个系统正常工作。

3.如需设置冷库或提供生活热水，无论系统是处于制冷或制热状态，冷库都能得到稳定的冷源，热泵工作时，置于压缩机后部的热水器始终能得到稳定的高温显热，从而提供稳定的生活热水。

附图说明

图1为本发明的土壤低品位能量提取系统在冬季供热状态下的示意图；

图2为本发明的土壤低品位能量提取系统在夏季供冷时不启动热泵状态下的示意图；

图3为本发明的土壤低品位能量提取系统在夏季供冷时启动热泵状态下的示意图。

图4为图1至图3中的热泵的放大示意图，它表示只有一级热泵启动的状态。

具体实施方式

从图1和图3可以看出，三幅图中各个部件之间的连接关系是相同的，所不同的是在上述三种状态下，各个阀门的开、关状态不同，为了清楚起见，用三幅图表示，其中，未涂黑的阀门表示“打开”状态，涂黑的阀门表示“关闭”状态。

参照图1至图3所示，本发明的土壤低品位能量提取系统包括：能量采集装置2、能量提升装置1和散热器4，能量采集装置2是低品位能量采集装置，它包括由集热器31、第一阀门11、第十一阀门21、低位能侧换热盘管25、回液泵24、第九阀门19和第五阀门15组成的回路，回路中流动的液体为防冻液，回液泵24和第五阀门之间15并联一个冷库的换热盘管30，集热器31包括：蓄能器5和集热井6，蓄能器5是置于集热井6中的，蓄能器5由外筒9和套装在外筒9内的内筒8组成，外筒9和内筒8的上下和四周均有间隙，外筒9的顶部设有一个上封盖10，集热器31的进液管装在上封盖10上，集热器31的出液管装在外筒9和内筒8之间环形空间的下部，上封盖10和内筒8之间设有均流板7，内筒8为开式容器，内筒8的开口伸出外筒9的上封盖10，蓄能器5的外筒9和集热井6之间填充水泥和粘土的混合物，根据集热井6周围的土质，水泥和粘土的比例在1∶3-1∶5之间。

散热器4是通过一个换热器3与能量提升装置1相耦合的，换热器3是由高位能侧换热盘管26、出液泵23、第八阀门18、能量输出盘管32和第四阀门14依次串联组成的回路，回路中流动的液体为防冻液，高位能侧换热盘管26与能量提升装置1耦合，能量输出盘管32与散热器4的能量输入盘管耦合，能量输出盘管32出液端与出液泵23和第八阀门18的连接点之间并联上两个相互串联的第十阀门20和第七阀门17；能量输出盘管32出液端与低位能侧换热盘管25进液端之间并联第三阀门13，高位能侧换热盘管26进液端与第一阀门11和第十一阀门21的连接管路之间并联第十二阀门22，第十阀门20和第七阀门17之间的管道与第二阀门12和第五阀门15之间的管道通过四通管接头相互连接在一起，冷库的换热盘管30的进液端与回液泵24的出液端相连，冷库的换热盘管30的出液端通过第六阀门16与换热器3能量输出盘管32的进液端相连，第五阀门15和第九阀门19之间的管道与冷库的换热盘管30的出液端和第六阀门16之间的管道通过四通管接头相互连接在一起。

参照图4，能量提升装置1由第一级热泵28和第二级热泵29串联组成，第一级热泵28由第一蒸发器116、第十三阀门136、第一压缩机121、第一冷凝器124、第一膨胀阀123和第十四阀门134依次串联组成的回路；第二级热泵29由第二蒸发器125、第十五阀门132、第二压缩机112、热水器的加热管113、第二冷凝器117、第二膨胀阀114和第十六阀门135依次串联组成的回路。第一蒸发器116的输出端与第十五阀门132和第二压缩机112的连接点之间并联第十七阀门131，第一蒸发器116的输入端与第十六阀门135和第二膨胀阀114的连接点之间并联第十八阀门133，第一蒸发器116与低位能侧换热盘管25相耦合，第二冷凝器117与高位能侧换热盘管26相耦合。

能量提升装置1的工作过程如下：

冬天，当所利用的能源高于5℃时，开启第十七阀门131、第十八阀门133，关闭第十五阀门132、第十四阀门134、第十六阀门135和第十三阀门136(如图4所示)。这时能量提升装置1的第一蒸发器116、第十七阀门131、第二压缩机112、热水器加热管113、第二冷凝器117、第二膨胀阀114和第十八阀门133组成一个回路，第一蒸发器116内的工质吸收流过低位能量侧的换热盘管25的低位能量蒸发成气体，气体通过第十七阀门131进入第二压缩机112压缩升温，并通过热水器的加热管113加热生活热水，供人们洗漱。再通过第二冷凝器117释放热量给与冷凝器117相耦合的高位能侧换热盘管26，换热器3的能量输出盘管32与散热器4的能量输入盘管相耦合，最终将热能输送给用户达到采暖目的，冷凝后的液态工质通过第二膨胀阀114减压，经过第十八阀门133再次进入第一蒸发器116内吸热......如此反复循环。

当所利用的能源低于5℃时，该第一热泵28不能正常工作，也就是说，其提升的热量不足以进行采暖时，第一热泵28和第二热泵29共同工作，关闭第十七阀门131、第十八阀门133，开启第十五阀门132、第十四阀门134、第十六阀门135和第十三阀门136(如图1和图3所示)。同时启动第一和第二压缩机121和112，此时有两个回路同时工作，即当低于5℃的液体流过低位能量侧的换热盘管25时，第一蒸发器116内的工质吸收换热盘管25的低品位能量蒸发成气体，气体被第一压缩机121压缩升温(15℃左右)进入第一冷凝器124，第一冷凝器124与第二蒸发器125相耦合，工质在第一冷凝器124中冷凝释放热量给第二蒸发器125中的工质，工质吸收热量蒸发成气体，经过第二压缩机112压缩升温后进入热水器的加热管113加热生活热水，供人们洗漱，再进入第二冷凝器117中冷凝(50℃左右)释放热量，将其热量释放给与第二冷凝器117相耦合的高位能侧换热器3的换热盘管26的工质，再通过换热器3能量输出盘管32输送散热器4的能量输入换热盘管给用户进行采暖。第一冷凝器124中的工质在冷凝器124中释放热量后经第一膨胀阀123减压后进入第一蒸发器116吸热蒸发，第二冷凝器117中的工质在第二冷凝器117中释放热量后经第二膨胀阀114减压后进入第二蒸发器125吸热蒸发，如此反复循环。

当夏天需要制冷时，换热器3的能量输出盘管32与低位能量侧的换热盘管25相连，经过一级或二级热泵的工作，将降温后的冷传送给低位能量侧的换热盘管25，再传送给用户达到制冷的目的。

由运行过程可以看出，能量提升装置1是一种适应外界气温变化而改变运行工况的一种热泵。它可以根据需要提供不同温度的采暖热源温度，机动、灵活、适用范围广。它的两个回路的压缩机可选择相同压缩机，也可选择不同压缩机，根据不同需要选择最佳配置。

土壤低品位能量提取系统的工作原理如下：

(一)冬季供暖

图1为土壤低品位能量提取系统在冬季供热状态下的示意图，如图1所示，在该状态下，阀门11、12、15、21、18、14是打开的，阀门20、22、19、13、16和17是关闭的。

启动回液泵24，回液泵24抽取低位能侧换热盘管25的防冻液，防冻液通过冷库换热盘管30、第五阀门15和第二阀门12后流入蓄能器5中，防冻液经均流板7均匀地沿着蓄能器5的内筒8和外筒9之间构成的环形通道一直流到蓄能器5的底部，在此过程中降温后防冻液从环形通道的外壁吸收土壤传给外壁的热量，从环形通道的内壁吸收内筒水的热量，升温后的防冻液通过第一阀门11和第十一阀门21再次进入低位能侧换热盘管25释放热量，由于土壤和水提供给防冻液的热量不足以平衡低位能侧换热盘管25释放的热量，因此防冻液温度在不断降低。随着土壤和防冻液温差的加大，土壤的传热速度不断加大，直到防冻液降至某一温度达到平衡，即防冻液在低位能侧换热盘管25释放的热量与通过蓄能器5得到的热量相等。此时，防冻液温度不再降低。

能量提升装置1的工作范围在15℃-25℃之间，防冻液的冰点为-30℃左右，因此，把平衡点温度设为-25℃，调整蓄能器5的尺寸即可达到。

能量提升装置1的第一级热泵28的蒸发器25从低位能侧换热盘管25获取低品位热能后，经过能量提升装置1的二级热泵28、29的工作，将低品位热能提升成高品位热能后，换热器3的高位能侧换热盘26的液体通过热交换吸收第二级热泵29的冷凝器散热出的热量，由出液泵23将升温后的防冻液通过第八阀门18送至换热器3的能量输出盘管32释放热量，降温后的防冻液再一次通过高位能换热盘管26吸收热量，如此反复循环，不断地把热量供给能量输出盘管32，而散热器4的能量输入盘管与能量输出盘管32相耦合，并且从换热器3的能量输出盘管32中不断地得到热量，通过循环泵27输送给用户，从而达到供暖的目的。

(二)夏季制冷

由于冬季制热时在地下储存了大量的冷，最低温度可在-25℃左右。由于土壤传热速度很慢，因此大部分冷被储存起来。因此夏季供冷分二种工况，即启动热泵和不启动热泵。

(1)不启动热泵的制冷

图2为土壤低品位能量提取系统在夏季供冷时不启动热泵状态下的示意图；如图所示，在该状态下，阀门11、12、21、20和16处于“打开”状态，而阀门19、15、17、18、13、14、22处于“关闭”状态。

回液泵24抽取低位能侧换热盘管25的防冻液，通过冷库换热盘管30释放冷后，经过第六阀门16到换热器3能量输出盘管32的进液端，进入能量输出盘管32后继续释放冷能，将冷能传递给散热器4的能量输入端的换热盘管，升温后的防冻液通过第十阀门20、第二阀门12和均流板7，沿着蓄能器5的环形通道释放热量，释放出的热量被地下储存的冷能吸收。防冻液放热后降温，降温后的防冻液在回液泵24的作用下，通过第一阀门11和第十一阀门21进入低位能侧换热盘管25，进入低位能侧换热盘管25的防冻液再一次被送入冷库换热盘管30后，经过第六阀门16送到换热器3的能量输出盘管32的进液端，进入能量输出盘管32后继续释放冷，升温后的防冻液通过第十阀门20和第二阀门12后进入蓄能器5释放热量......如此反复循环使换热器3的能量输出盘管32不断地得到冷能，散热器4的能量输入盘管中的水与输出盘管32进行热交换温度降低后通过循环泵27把得到的冷能送到用户，达到供冷的目的。

(2)启动热泵的制冷

图3为本发明的土壤低品位能量提取系统在夏季供冷时启动热泵状态下的示意图。如图所示，在该状态下，阀门11、12、16、22、13和17处于“打开”状态，阀门21、14、15、18、20和19处于“关闭”状态。

蓄能器5中的防冻液在回液泵24的作用下，经过第一阀门11和第十二阀门22进入换热器3的高位能侧换热盘管26释放冷后，升温后的防冻液经过出液泵23、第七阀门17和第二阀门12回到蓄能器5中，启动能量提升装置1，在能量提升装置1的作用下，低位能侧换热盘管25中的热量被第一级热泵28的蒸发器116(图4)吸收，温度降低，回液泵24把低位能侧换热盘管25中的降温后的防冻液送入冷库换热盘管30，通过第六阀门16进入换热器3的能量输出盘管32释放冷能，升温后的防冻液从换热器3的能量输出盘管32出来后，经过第三阀门13进入低位能侧换热盘管25，而散热器4的能量输入端的换热盘管与换热器3的能量输出盘管32耦合，散热器4的从换热器3的能量输出盘管32中不断地得到冷能，通过循环泵27输送给用户。如此反复循环，从而达到供冷的目的。

Claims (5)

1.一种土壤低品位能量提取系统，包括：依次串接在一起的能量采集装置(2)、能量提升装置(1)和散热器(4)，所述能量采集装置(2)包括由集热器(31)、低位能侧换热盘管(25)和回液泵(24)依次串联组成的回路，所述集热器(31)包括集热井(6)和置于集热井(6)中的蓄能器(5)，其特征在于：所述能量采集装置(2)的回路中充满防冻液，所述蓄能器(5)包括外筒(9)和套装在外筒(9)内的内筒(8)，所述外筒(9)和内筒(8)之间留有间隙，外筒(9)的顶部设有上封盖(10)，集热器(31)的进液管装在上封盖(10)上，集热器(31)的出液管与外筒(9)和内筒(8)之间下部的环形间隙相通，上封盖(10)和内筒(8)之间设有均流板(7)，内筒(8)为开式容器，内筒(8)的开口伸出外筒(9)的上封盖(10)，蓄能器(5)的外筒(9)和集热井(6)之间填充水泥和粘土的混合物。

2.如权利要求1所述的土壤低品位能量提取系统，其特征在于：所述的水泥和粘土的比例在1∶3-1∶5之间。

3.如权利要求1或2所述的土壤低品位能量提取系统，其特征在于：所述的能量采集装置(2)的回路还包括：第一阀门(11)、第十一阀门(21)、第五阀门(15)和第二阀门(12)，其中：第一阀门(11)和第十一阀门(21)依次串联在集热器(31)的出液端和低位能侧换热盘管(25)进液端之间，第二阀门(12)和第五阀门(15)依次串联在集热器(31)的进液端和回液泵(24)之间；在所述能量提升装置(1)和散热器(4)之间设有换热器(3)，换热器(3)是由高位能侧换热盘管(26)、出液泵(23)、第八阀门(18)、能量输出盘管(32)和第四阀门(14)依次串联组成的回路，回路中充满防冻液，所述能量输出盘管(32)与散热器(4)的能量输入盘管相耦合；在所述能量输出盘管(32)出液端与出液泵(23)和第八阀门(18)的连接点之间并联两个相互串连在一起的第十阀门(20)和第七阀门(17)；在所述能量输出盘管(32)出液端与低位能侧换热盘管(25)进液端之间并联第三阀门(13)；在所述高位能侧换热盘管(26)进液端与第一阀门(11)和第十一阀门(21)的连接点之间并联第十二阀门(22)；第十阀门(20)和第七阀门(17)之间的管道与第二阀门(12)和第五阀门(15)之间的管道用四通管接头相互连接在一起；所述能量提升装置(1)由第一级热泵(28)和第二级热泵(29)串联组成，第一级热泵(28)是由第一蒸发器(116)、第十三阀门(136)、第一压缩机(121)、第一冷凝器(124)、第一膨胀阀(123)和第十四阀门(134)依次串联组成的回路；第二级热泵(29)是由第二蒸发器(125)、第十五阀门(132)、第二压缩机(112)、第二冷凝器(117)、第二膨胀阀(114)、和第十六阀门(135)依次串联组成的回路；第一蒸发器(116)的输出端与第十五阀门(132)和第二压缩机(112)的连接点之间并联第十七阀门(131)；第一蒸发器(116)的输入端与第十六阀门(135)和第二膨胀阀(114)的连接点之间并联第十八阀门(133)；所述第一蒸发器(116)与所述低位能侧换热盘管(25)相耦合，所述第二冷凝器(117)与所述高位能侧换热盘管(26)相耦合。

4.如权利要求3所述的土壤低品位能量提取系统，其特征在于：所述的第二压缩机(112)与所述的第二冷凝器(117)之间串联热水器的加热管(113)。

5.如权利要求4所述的土壤低品位能量提取系统，其特征在于：所述的回液泵(24)和第五阀门(15)之间并联冷库的换热盘管(30)，冷库的换热盘管(30)的进液端与回液泵(24)的出液端相连，冷库的换热盘管(30)的出液端通过第六阀门(16)与换热器(3)能量输出盘管(32)的进液端相连，冷库的换热盘管(30)的进液端和出液端之间并联第九阀门(19)，第五阀门(15)和第九阀门(19)之间的管道与冷库的换热盘管(30)的出液端和第六阀门(16)之间的管道用四通管接头相互连接在一起。

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