CN100427852C - 使用热泵以大地作为热源的空气调节系统 - Google Patents

使用热泵以大地作为热源的空气调节系统 Download PDF

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Abstract

一种使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，包括集热井，热泵和用户的换热盘管，集热井中设置一供水管和回水管，上部设有均流器、下部设有集流器，均流器的上方设有回水室，集流器的下方设有集水室，均流器和集流器之间填充卵石；热泵包括由第一蒸发器、第一压缩机、第一冷凝器和第一膨胀阀组成的第一热泵，第一蒸发器、第一压缩机和第一膨胀阀之间的回路中并联蒸冷装置，第一蒸发器与放热盘管相耦合，第一冷凝器与用户换热盘管相耦合。蒸冷装置与第一热泵共同形成二次温度提升，扩大了低位能源的使用范围。在不同地质结构的情况下，利用本系统可以从土壤中提取更多的热量，使广泛利用各种土壤取热成为可能。

Description

使用热泵以大地作为热源的空气调节系统
技术领域
本发明涉及一种使用将低位能量提升到高位能量的热泵，以大地作为热源的空气调节系统。
背景技术
在利用自然界的能源进行采暖时，普通的热泵为了采暖的目的，要提升热能，但是，这种热泵往往对低位能量的采集有苛刻的要求。如为了达到采暖所需的50℃左右的温度，往往要求低位能量采集的温度为15℃，当低位能量采集温度低于5℃时，该系统就不能达到采暖目的。自然界储量极大的低位热源如大地、江河湖海的温度都随着气温的变化而变化，尤其是北方需要采暖的地区，江河湖海的温度大部分都在5℃以下，因此，普通的热泵的应用范围大大受到影响。另外，在利用大地的能源作为采暖热源时，没有地下水的土壤中储存着大量的低位热能。但是由于土壤的传热速度很慢，制约着热泵的广泛使用。而当地下水集存在分层的砂土地中且朝着一定方向流动时。由于含水层是沿上下分别的不同的砂石层流动，难于获取其能量加以利用。
发明内容
本发明的目的是为解决上述问题，提供一种能够在较低温度下，特别是在5℃以下的低位能够使用热泵，利用土壤中储存的低位热能进行空气调节的系统。本发明的第二个目的是提供一种利用沙土地储存的低位热能进行空气调节的系统。
本发明使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，包括集热井，热泵和用户的换热盘管，在所述集热井中设置一供水管和回水管，在所述集热井的上部设有均流器、下部设有集流器，在所述均流器的上方设有回水室，在所述集流器的下方设有集水室，在所述均流器和集流器之间填充卵石；所述热泵包括由第一蒸发器、第一压缩机、第一冷凝器和第一膨胀阀通过管道连接形成循环回路的第一热泵，在所述第一蒸发器、第一压缩机和第一膨胀阀之间的回路中并联一个蒸冷装置，所述蒸冷装置包括第二压缩机、由相互耦合在一起的第二蒸发器和第二冷凝器构成的蒸冷器和第二膨胀阀，在所述循环回路中具有换热介质，所述第一热泵中的第一蒸发器与集热井的供水管和回水管连成的回路中的放热盘管相耦合，第一蒸发器的出液端与第二压缩机、蒸冷器的第二冷凝器、第二膨胀阀和第一蒸发器的回液端依次连接成循环回路，蒸冷器的第二蒸发器的出液端与第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀及蒸冷器的第二蒸发器的回液端依次连接成另一循环回路，所述第一冷凝器与采暖用户的换热盘管相耦合。
本发明一种使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，包括集热井，热泵和用户的换热盘管，其中所述集热井中设置一井管，井管下部的壁上开有滤水网眼，集热井上部设有均流器，在均流器的上方设有回水室，集热井和井管之间填充卵石，井管内设有带潜水泵的供水管，集热井的上部设有回水管，所述供水管和回水管及换热器中的水侧盘管连成回路，所述换热器的水侧盘管与热交换盘管耦合，所述换热器的热交换盘管通过管道及回水泵和与第一蒸发器相耦合的放热盘管相连接，在所述集热井的侧壁位于砂土层的部位上密布有通孔，所述热泵包括由第一蒸发器、第一压缩机、第一冷凝器和第一膨胀阀通过管道连接形成循环回路的第一热泵，在所述第一蒸发器、第一压缩机和第一膨胀阀之间的回路中并联一个蒸冷装置，所述蒸冷装置包括第二压缩机、由相互耦合在一起的第二蒸发器和第二冷凝器构成的蒸冷器和第二膨胀阀，在所述循环回路中具有换热介质，所述第一热泵中的第一蒸发器与换热器热泵侧的放热盘管相耦合，第一蒸发器的出液端与第二压缩机、蒸冷器的第二冷凝器、第二膨胀阀和第一蒸发器的回液端依次连接成循环回路，蒸冷器的第二蒸发器的出液端与第一压缩机、第一冷凝器、第一膨胀阀及蒸冷器的第二蒸发器的回液端依次连接成另一循环回路，所述第一冷凝器与采暖用户的换热盘管相耦合。
本发明使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，其中在所述蒸冷装置中，第二压缩机的进液端与蒸冷器的第二蒸发器的出液端之间并联第一阀门，在蒸冷器的第二蒸发器的出液端与第一压缩机和第一阀门的连接端之间串联第二阀门，第二膨胀阀的出液端与蒸冷器的第二蒸发器的回液端之间并联第三阀门，在第二膨胀阀的出液端与第三阀门和第一蒸发器的回液端的连接点之间串联第四阀门，当第一阀门和第三阀门在开启位置，第二阀门和第四阀门在关闭位置时，蒸冷装置不工作，只有第一热泵工作；当第一阀门和第三阀门在关闭位置，第二阀门和第四阀门在开启位置时，蒸冷装置与第一热泵共同工作。
本发明使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，其中所述低位能量输入侧的放热盘管的回液端串联第五阀门，用户侧的换热盘管的回液端串联第八阀门，在第五阀门的进液端与第八阀门的出液端之间并联第六阀门，在第五阀门的出液端与第八阀门的进液端之间并联第七阀门，在输入侧的放热盘管的出液端串联第十二阀门，在输出侧的换热盘管的出液端串联第九阀门，在第十二阀门的出液端与第九阀门的进液端并联第十一阀门，在第十二阀门的进液端与第九阀门的出液端之间并联第十阀门。
本发明使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，其中所述第一压缩机和第一冷凝器的回液之间串联热水器加热管。
本发明使用热泵以大地作为热源的空气调节系统的优点和积极效果在于在传统的热泵系统中，并联一个热泵，使低位能量经过两次提升，从而使5℃以下的低位能源广泛用于采暖成为可能。而且扩大了低位能源的使用范围。在不同地质结构的情况下，利用本热泵可以从土壤中提取更多的热量，提取热量大将意味着生产成本的降低和占地面积的减小。对广泛使用各种土壤取热成为可能。
本发明使用热泵以大地作为热源的空气调节系统的其他细节和特点可通过阅读下文结合附图详加描述的实施例即可清楚明了。
附图说明
图1是以大地作为热源的空气调节系统第一实施例的示意图；
图2是以大地作为热源的空气调节系统第二实施例的示意图。
具体实施方式
图1是以大地作为热源的空气调节系统第一实施例的示意图，其中上部热泵部分可根据需要增减阀门，以增减本热泵的工作状况。其中第一热泵1，如图中双直线所包含的装置，但不包括其中点划线部分所包含的装置，包括第一蒸发器16、第一压缩机12、第一冷凝器17和第一膨胀阀14，它们通过管道连接形成制热循环回路，其中在第一蒸发器16、膨胀阀14和压缩机12之间的回路中并联一个蒸冷装置2，图中点划线包围的部分，蒸冷装置2包括第二压缩机21、蒸冷器22和第二膨胀阀23。所述蒸冷器22由第二蒸发器25和第二冷凝器24相互耦合而成。第一热泵1中的蒸发器16与集热井5的放热回路的放热盘管15相耦合。第一蒸发器16的出液端与第二压缩机21、蒸冷器22的第二冷凝器24、第二膨胀阀23和第一蒸发器16的回液端依次连接成循环回路，蒸冷器22的第二蒸发器25的出液端与第一压缩机12、第一冷凝器17、第一膨胀阀14及蒸冷器22的第二蒸发器25的回液端依次连接成循环回路，能量输出侧的换热盘管18与第一冷凝器17耦合并与采暖用户连接。至此在低位能源和采暖用户之间建立了一个实际上由两个热泵串联使用，共同完成二次温度的提升，使低位能源能够用于采暖的系统。
如图1所示，还包括集热井5，在集热井5中设置一供水管51和回水管52，在供水管51的上部设有均流器53，在供水管51的下部设有集流器54，均流器53和集流器54均为多孔板，井壁和供水管51之间填充卵石55，供水管51和回水管52通过泵56分别与和热泵的第一蒸发器16耦合的放热盘管15连接。
当泵56将通过与第一蒸发器16耦合的放热盘管15的水降温后输送到均流器53中时，均流器53中的水将均匀地通过井中的卵石55层吸热后到达集流器54，然后通过井中央的供水管51返回到放热盘管15，并释放热量给第一蒸发器16，如此反复不断把热量输送给第一蒸发器16，热泵的第一蒸发器16得到热量后经热泵提升温度，再通过第一冷凝器17把热力量释放给采暖末端，达到采暖的目的，不断提取热量，卵石55层的温度会下降，温度的补充靠土壤64的热传导。由于本发明的热泵的出现，可以使卵石55层的温度下降到-30℃左右，仍可达到采暖目的，卵石55层温度很低将加大了局部和整体的温差，也就是加大的传热速度，这样就可以从土壤64中提取更多的热量，提取热量增大就意味着输出成本降低和占地面积的减小。使广泛利用土壤取热成为可能。
图2是本发明以大地作为热源的空气调节系统第二实施例的示意图。本实施例主要利用沙质土壤提取热量。该系统包括上述的热泵，还包括集热井5’，在集热井5’的侧壁位于砂层63的部位上，密布有通水孔(图中未示出)。所述相邻两个砂层63之间隔有粘土层62。所述集热井5’中设置一井管51’，井管51’下部的壁上开有滤水网眼58，井管51’上部设有均流器53，集热井5’和井管51’之间填充卵石55，井管51’内设有带潜水泵57的供水管51和回水管52，供水管51和回水管52与换热器6中的水侧盘管59相连接形成回路，所述回路中的水侧盘管59在换热器6中与热交换盘管61耦合，换热器6的热交换盘管61的出入口分别通过管道与放热盘管15相连接。
在分层的沙土地中，由于含水层是上下不通分层流动的，如果要通过水的流动获取土壤64的热量，就必须制造上下相通的人造卵石层结构，使其上下相通，如图2所示。当潜水泵57工作时，井水被送到换热器6释放热量，之后，通过均流器53均匀地穿过卵石55层吸收热量，吸收完热量的水又一次被潜水泵送入换热器释放热量…。如此反复循环。被提取热量的卵石55层通过和沿砂土层流动的地下水进行热交换不断补充热量，最后在某一温度下达到平衡。
在上述系统中，还可在蒸冷装置2中设置多个阀门，使整个系统即能够在所利用的能源高于5℃时，使用第一热泵就能够达到采暖目的，又能够在所利用的能源低于5℃时使用本发明流体蒸冷热泵达到采暖目的的两种情况下工作。其中所述阀门是这样设置的：在蒸冷装置2中，第二压缩机21的进液端与蒸冷器22的第二蒸发器25的出液端并联第一阀门31，在蒸冷器22的第二蒸发器25的出液端与第一压缩机12和第一阀门31的连接端之间串联第二阀门32，第二膨胀阀23的出液端与蒸冷器22的第二蒸发器25的回液端之间并联第三阀门33，在第二膨胀阀23的出液端与第三阀门33和第一蒸发器16的回液端的连接点之间串联第四阀门34。
其工作情况为：当所利用的能源高于5℃时，主要由第一热泵1工作，开启第一阀门31、第三阀门33，关闭第二阀门32、第四阀门34。当第一压缩机12启动时，第一蒸发器16内的工质吸收流过低位能量输入侧的放热盘管15的低位能量蒸发成气体，气体通过第一阀门31进入第一压缩机12压缩升温，通过冷凝器17释放热量给与冷凝器17相耦合的换热盘管18再输送给用户达到采暖目的，冷凝后的液态工质通过膨胀阀14减压，经过第三阀门33再次进入第一蒸发器16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1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1和蒸冷装置2共同工作，关闭第一阀门31、第三阀门33，开启第二阀门32、第四阀门34。同时启动第一和第二压缩机12和21，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输入侧的放热盘管15时，蒸发器16内的工质吸收放热盘管15的低位能量蒸发成气体，所述气体被第二压缩机21压缩升温(15℃左右)进入蒸冷器22的第二冷凝器24，工质在冷凝器24中冷凝释放热量给蒸冷器22的第二蒸发器25中的工质，工质吸收热量蒸发成气体，经过第一压缩机12压缩升温后进入第一冷凝器17中冷凝(50℃左右)释放热量，将其热量释放给用户侧的换热盘管18的工质，再输送给用户进行采暖。蒸冷器22中的第二冷凝器24中的工质在冷凝器24中释放热量后经第二膨胀阀23减压后进入第一蒸发器16吸热蒸发，如此反复循环。
在上述系统中，在低位能量输入侧的放热盘管15的回液端与输出侧的换热盘管18的回液端之间设有4个阀门40、41、42、43，即第五至第八阀门，在低位能量输入侧的放热盘管15的出液端与输出侧的换热盘管18的出液端之间也设有4个阀门44、45、46、47，即第九至第十二阀门，通过切换这些阀门实现第一热泵或和蒸冷器共同工作用于采暖或者制冷。
具体的连接方式为：低位能量输入侧的放热盘管15的回液端串联第五阀门40，输出或用户侧的换热盘管18的回液端串联第八阀门43，在阀门40的进液端与阀门43的出液端并联第六阀门41，在阀门40的出液端与阀门43的进液端并联第七阀门42；在输入侧的放热盘管15的出液端串联第十二阀门47，在输出侧的换热盘管18的出液端串联第九阀门44，在阀门47的出液端与阀门44的进液端并联第十一阀门46，在阀门47的进液端与阀门44的出液端之间并联第十阀门45。
在这种情况下，热泵循环回路中工质的工作情况与原始无阀门时一样，这里不再赘述。下面说明设置上述多个阀门后，在所利用的能源高于5℃和低于5℃时，以及制冷和制热转换时的工作情况；
当所利用的能源高于5℃进行采暖时，只有第一热泵1工作，此时开启第一阀门31、第三阀门33，关闭第二阀门32、第四阀门34，同时关闭第六阀门41、第七阀门42、第十阀门45、第十一阀门46，且开启第五阀门40、第八阀门43、第十二阀门47、第九阀门44。启动第一压缩机12，进行采暖。
当所利用的能源低于5℃进行采暖时，第一热泵1和蒸冷装置2共同工作，此时关闭第一阀门31、第三阀门33，开启第二阀门32、第四阀门34。同时关闭第六阀门41、第七阀门42、第十阀门45、第十一阀门46，且开启第五阀门40、第八阀门43、第十二阀门47、第九阀门44。启动第一和第二压缩机12和21，进行采暖。
当夏天需要制冷时，只要关闭阀门40、阀门43、阀门47、阀门44，开启阀门41、阀门42、阀门45、阀门46，利用第一热泵1运行即可，此时使用户侧与输入侧的放热盘管15相连，同时使用户侧的换热盘管18与输入侧的进出液管相连。
由运行过程可以看出，流体蒸冷热泵系统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。
在上述系统中，在第一压缩机12和冷凝器17的回液端之间串联一个热水器3的加热管，经第一压缩机12压缩升温的工质通过热水器3的加热管加热生活热水，这样即达到采暖的目的又加热了生活用水，供人们洗漱。
由于地层结构的不同，地下水的流速也是不同的，也就是说补充给卵石55层的热量是不同的。由于本发明空调系统卵石55层的温度只要能平衡到0℃就能实现整个系统夏天制冷、冬天供暖、并提供日常生活用热水。
人造卵石55层除了卵石填充外，也可以使用其它体积热容量大的材料，如铁矿石块等，会得到更佳状态。

Claims (8)

1.一种使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，包括集热井，热泵和用户的换热盘管，其特征在于在所述集热井(5)中设置一供水管(51)和回水管(52)，在所述集热井(5)的上部设有均流器(53)、下部设有集流器(54)，在所述均流器(53)的上方设有回水室，在所述集流器(54)的下方设有集水室，在所述均流器(53)和集流器(54)之间填充卵石(55)；所述热泵包括由第一蒸发器(16)、第一压缩机(12)、第一冷凝器(17)和第一膨胀阀(14)通过管道连接形成循环回路的第一热泵，在所述第一蒸发器(16)、第一压缩机(12)和第一膨胀阀(14)之间的回路中并联一个蒸冷装置(2)，所述蒸冷装置(2)包括第二压缩机(21)、由相互耦合在一起的第二蒸发器(25)和第二冷凝器(24)构成的蒸冷器(22)和第二膨胀阀(23)，在所述循环回路中具有换热介质，所述第一热泵(1)中的第一蒸发器(16)与集热井(5)的供水管(51)和回水管(52)连成的回路中的放热盘管(15)相耦合，第一蒸发器(16)的出液端与第二压缩机(21)、蒸冷器(22)的第二冷凝器(24)、第二膨胀阀(23)和第一蒸发器(16)的回液端依次连接成循环回路，蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的出液端与第一压缩机(12)、第一冷凝器(17)、第一膨胀阀(14)及蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的回液端依次连接成另一循环回路，所述第一冷凝器(17)与采暖用户的换热盘管(18)相耦合。
2.根据权利要求1所述的空气调节系统，其特征在于在所述蒸冷装置(2)中，第二压缩机(21)的进液端与蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的出液端之间并联第一阀门(31)，在蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的出液端与第一压缩机(12)和第一阀门(31)的连接端之间串联第二阀门(32)，第二膨胀阀(23)的出液端与蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的回液端之间并联第三阀门(33)，在第二膨胀阀(23)的出液端与第三阀门(33)和第一蒸发器(16)的回液端的连接点之间串联第四阀门(34)，当第一阀门(31)和第三阀门(33)在开启位置，第二阀门(32)和第四阀门(34)在关闭位置时，蒸冷装置(2)不工作，只有第一热泵工作；当第一阀门(31)和第三阀门(33)在关闭位置，第二阀门(32)和第四阀门(34)在开启位置时，蒸冷装置(2)与第一热泵(1)共同工作。
3.根据权利要求2所述的空气调节系统，其特征在于在所述低位能量输入侧的放热盘管(15)的回液端串联第五阀门(40)，用户侧的换热盘管(18)的回液端串联第八阀门(43)，在第五阀门(40)的进液端与第八阀门(43)的出液端之间并联第六阀门(41)，在第五阀门(40)的出液端与第八阀门(43)的进液端之间并联第七阀门(42)，在输入侧的放热盘管(15)的出液端串联第十二阀门(47)，在输出侧的换热盘管(18)的出液端串联第九阀门(44)，在第十二阀门(47)的出液端与第九阀门(44)的进液端并联第十一阀门(46)，在第十二阀门(47)的进液端与第九阀门(44)的出液端之间并联第十阀门(45)。
4.根据权利要求3所述的空气调节系统，其特征在于在所述第一压缩机(12)和第一冷凝器(17)的回液端之间串连热水器加热管。
5.一种使用热泵以大地作为热源的空气调节系统，包括集热井，热泵和用户的换热盘管，其特征在于所述集热井(5’)中设置一井管(51’)，井管(51’)下部的壁上开有滤水网眼(58)，集热井(5’)上部设有均流器(53)，在均流器(53)的上方设有回水室，集热井(5’)和井管(51’)之间填充卵石(55)，井管(51’)内设有带潜水泵(57)的供水管(51)，集热井(5’)的上部设有回水管(52)，所述供水管(51)和回水管(52)及换热器(6)中的水侧盘管(59)连成回路，所述换热器(6)的水侧盘管(59)与热交换盘管(61)耦合，所述换热器(6)的热交换盘管(61)通过管道及回水泵和与第一蒸发器(16)相耦合的放热盘管(15)相连接，在所述集热井(5’)的侧壁位于砂土层的部位上密布有通孔，所述热泵包括由第一蒸发器(16)、第一压缩机(12)、第一冷凝器(17)和第一膨胀阀(14)通过管道连接形成循环回路的第一热泵，在所述第一蒸发器(16)、第一压缩机(12)和第一膨胀阀(14)之间的回路中并联一个蒸冷装置(2)，所述蒸冷装置(2)包括第二压缩机(21)、由相互耦合在一起的第二蒸发器(25)和第二冷凝器(24)构成的蒸冷器(22)和第二膨胀阀(23)，在所述循环回路中具有换热介质，所述第一热泵(1)中的第一蒸发器(16)与换热器(6)热泵侧的放热盘管(15)相耦合，第一蒸发器(16)的出液端与第二压缩机(21)、蒸冷器(22)的第二冷凝器(24)、第二膨胀阀(23)和第一蒸发器(16)的回液端依次连接成循环回路，蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的出液端与第一压缩机(12)、第一冷凝器(17)、第一膨胀阀(14)及蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的回液端依次连接成另一循环回路，所述第一冷凝器(17)与采暖用户的换热盘管(18)相耦合。
6.根据权利要求5所述的空气调节系统，其特征在于在所述蒸冷装置(2)中，第二压缩机(21)的进液端与蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的出液端之间并联第一阀门(31)，在蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的出液端与第一压缩机(12)和第一阀门(31)的连接端之间串联第二阀门(32)，第二膨胀阀(23)的出液端与蒸冷器(22)的第二蒸发器(25)的回液端之间并联第三阀门(33)，在第二膨胀阀(23)的出液端与第三阀门(33)和第一蒸发器(16)的回液端的连接点之间串联第四阀门(34)，当第一阀门(31)和第三阀门(33)在开启位置，第二阀门(32)和第四阀门(34)在关闭位置时，蒸冷装置(2)不工作，只有第一热泵工作；当第一阀门(31)和第三阀门(33)在关闭位置，第二阀门(32)和第四阀门(34)在开启位置时，蒸冷装置(2)与第一热泵(1)共同工作。
7.根据权利要求6所述的空气调节系统，其特征在于在所述低位能量输入侧的放热盘管(15)的回液端串联第五阀门(40)，用户侧的换热盘管(18)的回液端串联第八阀门(43)，在第五阀门(40)的进液端与第八阀门(43)的出液端之间并联第六阀门(41)，在第五阀门(40)的出液端与第八阀门(43)的进液端之间并联第七阀门(42)，在输入侧的放热盘管(15)的出液端串联第十二阀门(47)，在输出侧的换热盘管(18)的出液端串联第九阀门(44)，在第十二阀门(47)的出液端与第九阀门(44)的进液端并联第十一阀门(46)，在第十二阀门(47)的进液端与第九阀门(44)的出液端之间并联第十阀门(45)。
8.根据权利要求7所述的空气调节系统，其特征在于在所述第一压缩机(12)和第一冷凝器(17)的回液端之间串连热水器加热管。
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