CN100427853C - 冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现冷气运转和暖气运转同时或者分别进行的冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统及其控制方法。在本发明中，在与热泵(100)的蒸发器(110)、冷凝器(120)分别连接的冷气管(130)和暖气管(140)中流动的冷暖气工作流体与热泵(100)的工作流体进行热交换，同时将其热分别传递给冷气用热交换器(152)和暖气用热交换器(154)，为所希望的空间提供冷气或者暖气。也可以选择性地进行由冷气管(130)中流动的冷暖气工作流体实现的冷气运转和由暖气管(140)中流动的冷暖气工作流体实现的暖气运转。

Description

冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及利用地热的冷暖气系统及其控制方法，更详细的说，涉及一种可实现冷气运转和暖气运转同时或者分别进行的冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统及其控制方法。

背景技术

通常，热泵由蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀阀构成循环，在使其工作流体反复液化和气化的同时通过由设置在需要提供冷暖气的空间的空调装置内部流动的另外的工作流体传递热量，以提供冷暖气。

在使用生活排水的废热作为热源的废热利用系统、或者使用埋设于地中的地热交换管提供冷暖气的地热利用系统，这种热泵作为主要的构成要素而使用。

通常，在废热利用系统中，使用从浴室等排出的生活排水的废热作为热泵的蒸发器的热源，利用该热量在热泵的冷凝器中产生温水。

而且，地热利用系统提供暖气时使用从地热交换管传递的地热作为热泵的蒸发器的热源，使用该热量在热泵的冷凝器中产生温水。提供冷气时通过地热交换管将在热泵中冷凝器产生的废热排出。

然而，在上述废热利用系统中，作为热源的生活排水存在温度低的情况，因此必须进一步设置另外的辅助锅炉，此外，在上述地热利用系统中，在提供冷气时因热泵的冷凝器中产生的排热过多，所以需要大量的地热交换管，或者需要进一步设置用于收集该排热的冷却塔。

为解决上述问题，在韩国实用新型专利第339349号中公开了一种利用价格低廉的深夜电力提供冷暖气的技术，其中，热泵分别安装在地热交换管与空调装置侧，各自分别进行冷气运转和暖气运转，另外的冷温水蓄热槽设置在热泵与空调装置之间。

然而，在上述现有技术中存在下述问题。

上述韩国实用新型专利第339349号不能同时提供冷气和暖气。也就是说，冷气运转或者暖气运转必须选择进行。因此，如滑冰场那样，在需要同时运转冷暖气的情况下，需要分别设置冷气系统和暖气系统。这样将导致冷暖气系统的设置成本提高的问题。

而且，在现有技术中，冷气运转时或者暖气运转时所产生的废热不能再利用，几乎白白浪费。因此，还存在冷暖气系统的能量使用效率相对较低的问题。

此外，在现有技术中，热泵运行所需的地热交换部按照使冷暖气系统的效率最高的方式设计，存在需要更大的地热交换部设置空间的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种冷暖气系统及其控制方法，其可以利用一个系统同时进行冷气运转和暖气运转。

此外，本发明的另一个目的是提供一种包括冰蓄热槽的冷暖气系统及其控制方法。

另外，本发明的又一个目的是提供一种可以使与热泵进行热交换的地热交换部小型化的冷暖气系统及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明的冷暖气系统包括：热泵，包括工作流体进行热交换的蒸发器和冷凝器；冷气管和暖气管，分别与所述热泵的蒸发器和冷凝器连接，其内部流动有与所述热泵的工作流体分别在所述蒸发器和冷凝器进行热交换的冷暖气工作流体；冷暖气用热交换部，包括：冷气用热交换器，其与所述冷气管连接，传递冷暖气工作流体，冷却预定的空间，以及暖气用热交换器，其与所述暖气管连接，传递冷暖气工作流体，加热预定的空间；地热管，与所述热泵的蒸发器和冷凝器分别连接，其内部流动有与所述热泵的工作流体分别在所述蒸发器和冷凝器进行热交换的地热工作流体；地热交换部，与所述地热管连接，传递地热工作流体，与地球进行热交换。

此外，在所述冷气管的一侧还设有冰蓄热槽，其具有与所述冷气管内部流动的冷暖气工作流体进行热交换并贮存热的介质。

此外，将冷暖气工作流体从所述热泵的蒸发器传递至冷气用热交换部的冷气管贯穿于所述冰蓄热槽设置，在所述冷气管上还设有旁通管，以使所述冷暖气工作流体绕过所述冰蓄热槽进行流动，在所述冷气管上设有第一和第二切换阀，根据冰蓄热槽有没有工作来控制冷暖气工作流体的流动。

此外，在连接于所述热泵与地热交换部之间的地热管上还设有辅助热交换部，用以将传递给所述地热交换部的地热工作流体的热量排出到外部。

此外，在所述冷气管、暖气管以及地热管上分别设有循环泵，所述循环泵可分别进行选择性地组合并动作，以使工作流体在所述管中流动。

此外，根据本发明的冷暖气系统，通过在热泵的蒸发器和冷凝器中流动的工作流体分别与冷暖气工作流体和地热工作流体进行的热交换来实现冷、暖气的运转，其中，所述冷暖气工作流体与所述热泵的工作流体分别在蒸发器和冷凝器进行热交换，并且在将冷暖气用热交换部与所述热泵的蒸发器和冷凝器连接的冷气管和暖气管内部流动，所述地热工作流体与所述热泵的工作流体分别在蒸发器和冷凝器进行热交换，并且在将地热交换部与所述热泵的蒸发器和冷凝器连接的地热管内部流动，其特征在于，同时进行暖气运转和冷气运转，其中在所述暖气运转中，所述暖气管中流动的冷暖气工作流体与热泵的工作流体在冷凝器进行热交换，在所述冷气运转中，所述冷气管中流动的冷暖气工作流体与热泵的工作流体在蒸发器进行热交换。

此外，在所述冷气管的一侧设有冰蓄热槽，在所述暖气运转进行的同时，所述冷气管内部流动的冷暖气工作流体的热量被传递给所述冰蓄热槽的介质并贮存。

此外，在利用所述冰蓄热槽中贮存的热量提供冷气时，连接在所述冷暖气用热交换部与热泵之间的冷气管的工作流体不进行热交换地通过所述热泵的内部。

根据具有上述结构的本发明冷暖气系统及其控制方法，可以同时或者分别进行冷气运转和暖气运转，可以与各种各样的冷暖气环境对应，尤其是可以使冷气运转所需的能量消耗最小，使地热交换部小型化并且使整个系统的设置空间最小。

根据本发明冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统及其控制方法，首先，在本发明中，可以利用一个系统选择性地或者同时进行冷气运转和暖气运转。因此，可以利用一个系统来对应各种各样的冷暖气环境。

而且，在本发明中，可以使用冰蓄热槽将暖气运转时的废热用于冷气运转，从而可以使冷气运转所需的能量消耗最小，并且可以更有效地满足暖气运转和冷气运转所需的容量不同的情况。

此外，在本发明中，使用辅助热交换部将热泵与地热交换部之间流动的工作流体的热量排出到外部，从而可以相对降低地热交换部的容量。

附图说明

图1为表示本发明的冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统的优选实施例的结构的系统图；

图2为表示本发明的另一实施例的结构的系统图；

图3为表示本发明的又一实施例的结构的系统图；

图4为表示图1所示的实施例动作的动作状态图；

图5为表示图2所示的实施例中的进行暖气运转状态的动作状态图；

图6为表示图2所示的实施例中的通过冰蓄热槽进行冷气运转状态的动作状态图。

附图标号说明

100热泵

110蒸发器

120冷凝器

130冷气管

132冷气循环泵

140暖气管

142暖气循环泵

150冷暖气用热交换部

152冷气用热交换器

154暖气用热交换器

160地热管

162地热循环泵

170地热交换部

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。

图1所示的是本发明冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统的优选实施例的系统图。如图所示，热泵100包括蒸发器110、压缩机(图中未示出)、冷凝器120、膨胀阀。工作流体根据由蒸发器110、压缩机、冷凝器120、膨胀阀所构成的循环进行流动。上述工作流体在热泵100的内部流动，反复气化和液化同时传递热量。例如，上述工作流体在蒸发器110处蒸发同时从外部获取热量，在冷凝器120处冷凝同时将热量散发到外部。顺便说明，虽然在本实施例中使用了三个热泵100，但是热泵的使用数量并不局限于此，而是根据冷暖气容量的不同而不同。

与上述热泵的工作流体进行热交换的其它的冷暖气工作流体通过蒸发器110和冷凝器120。顺便说明，作为在上述热泵中使用的工作流体的例子可以是HFC-404，作为上述冷暖气工作流体的例子可以是水。上述冷暖气工作流体通过与热泵100的蒸发器110侧连接的冷气管130和与冷凝器120侧连接的暖气管140流动。

为使冷暖气工作流体在冷气管130和暖气管140内部流畅地流动，分别设有冷气循环泵132和暖气循环泵142。冷气循环泵132和暖气循环泵142通过加压使冷暖气工作流体通过冷气管130和暖气管140流动。

冷气管130和暖气管140分别在冷暖气用热交换部150与热泵100之间使冷暖气工作流体流动。冷暖气用热交换部150实际设置在需要冷暖气的空间中。在冷暖气用热交换部150具有与冷气管130连接的冷气用交换器152，以及与暖气管140连接的暖气用交换器154。可以列举空调装置作为这些冷气用交换器152和暖气用交换器154的代表性的例子。

冷气用交换器152和暖气用交换器154分别设置在需要冷气或者暖气的空间中。因此，冷气用交换器152和暖气用交换器154既可以共同设置在相同的空间中，或者也可以各自设置在分别的空间中。例如，在需要选择冷气或者暖气的旅馆房间和滑冰场的观众席等空间中，需要同时设置冷气用交换器152和暖气用交换器154，此外，在滑冰场只需要设置冷气用交换器152。

按照与热泵100的蒸发器110和冷凝器120分别连接的方式设置地热管160。在地热管160的内部流有地热工作流体。上述地热工作流体与热泵100的工作流体之间的热交换在蒸发器110或者冷凝器120中进行。地热管160为在热泵100与后述的地热交换部170之间传递热量的地热工作流体流动的通路。可以使用水作为上述地热工作流体。在地热管160中设有地热循环泵162。地热循环泵162加压使上述地热工作流体通过地热管160流动。

地热交换部170埋设于地下。作为地热交换部170的例子可以是地热交换管。地热交换部170通过地热管160传递的地热工作流体与地球之间进行热交换。

下面的图2为本发明的另一实施例。在本实施例中，为了说明的方便，与图1所示的实施例相同的结构采用相同附图标号，省略其说明。

在本实施例中设有冰蓄热槽180，其内部贯穿有冷气管130，在该冷气管130中流动出至热泵100侧的冷暖气工作流体。冰蓄热槽180的内部装有蓄热介质(例如，水)。蓄热介质因为与在冷气管130中流动的冷暖气工作流体进行热交换有时会变为固体。即，在水的情况下，会变成冰而贮存热。

设置冰蓄热槽180的同时，通过在冷气管130中设置第一和第二切换阀181、182来对冷暖气工作流体在冷气管130中的流动进行控制。在第一切换阀181中连接有旁通管184。旁通管184不让冷暖气工作流体通过冰蓄热槽180，而使其从热泵100传递到冷暖气用热交换部150。即，通过第一切换阀181的控制，冷暖气工作流体选择性的通过冰蓄热槽180。

这样，设置冰蓄热槽180的原因在于，在交替使用冷气和暖气时，使提供冷气所需的能量达到最小。即，提供暖气时，将出至热泵的废热贮存在冰蓄热槽180中，使其在其后的提供冷气时使用。

图3为本发明的又一实施例。在本实施例中，为了说明的方便，与图2所示的实施例相同的结构采用相同附图标号，省略其说明。

在本实施例中，在地热管160和地热交换部170之间还设置辅助热交换部190。作为辅助热交换部190的例子可列举冷却塔。这样的辅助热交换部190通过向外部放出地热工作流体的热来相对减少地热交换部170的容量。即，可以通过小型地形成地热交换部170来降低所需的设置空间。

辅助热交换部190与地热交换部170单独地设置，一般设置在地上和建筑物的屋顶等。辅助热交换部190进行在地热交换部170中流动的地热工作流体和外部的热交换，使辅助热交换部190的容量变为最小。

下面，对具有上述结构的本发明的冷暖气同时运转的利用地热的冷暖气系统及其控制方法的作用进行详细说明。

参照图4，对图1所示的实施例的动作进行说明。首先，对暖气运转进行说明，在暖气运转中，热泵100进行驱动，相对地成为高温的冷暖气工作流体通过暖气管140传递到暖气热交换部154，提供暖气。

即，在地热交换部170中，将热从地球传递给地热工作流体。地热工作流体通过设置在与热泵100的蒸发器110侧连接的地热管160的地热循环泵162沿着地热管160移动，并且将热传递到热泵100。

在热泵100的蒸发器110中，进行地热工作流体和热泵100的工作流体之间进行热交换。因此，热泵100的工作流体通过蒸发器110中的热交换相对地变为高温。热泵100的工作流体在构成热泵100的循环路中循环，传递到冷凝器120。在冷凝器120中热泵100的工作流体被冷却的同时放出热，将该热提供给沿着暖气管140流动的冷暖气工作流体。

因此，冷暖气工作流体吸热而相对地变为高温，并且通过暖气循环泵142沿着暖气管140循环，并传递到暖气用热交换器154。在暖气运转时，在暖气用热交换器154和热泵100之间流动冷暖气工作流体，其流动方向如箭头所示。在暖气用热交换器154中冷暖气工作流体通过热交换给预定的空间提供暖气。

下面，对冷气运转的过程进行说明。在冷气运转时，热泵100也与暖气运转相同地进行动作。即，热泵100的动作流体在循环路中同样进行流动。

另外，在蒸发器110中进行热交换，相对低温的冷暖气工作流体通过冷气管130传递到冷暖气热交换部150。传递到冷暖气热交换部150的冷暖气工作流体在冷气用热交换器152中进行热交换，给所希望的空间提供冷气。

此时，在热泵100的冷凝器120中，热泵100的工作流体与地热工作流体进行热传递。即，热泵100的工作流体进行冷却的同时放出的热传递到地热工作流体。该地热工作流体通过设置在与冷凝器120侧连接的地热管160的地热循环泵162的动作沿着地热管160流动，传递到地热交换部170。在地热交换部170中，进行地热工作流体和地球之间的热交换。冷气运转时通过冷气管130冷暖气工作流体在流动，其流动方向如图4箭头所示。

下面，对冷暖气同时运转的过程进行说明。在冷暖气同时运转时，不使用地热交换部170。即，通过由热泵100的驱动而从冷凝器120传递到冷暖气工作流体的热提供暖气，通过从蒸发器110传递到冷暖气工作流体的热提供冷气。

即，热泵100的工作流体在冷凝器120中冷却的同时放出的热传递到在与暖气用热交换器154连接的暖气管140中流动的冷暖气工作流体，冷暖气工作流体通过暖气循环泵142流动，在暖气用热交换器154中，将热提供给所希望的空间，进行暖气供应。

另外，在蒸发器110中，热泵100的工作流体进行蒸发，同时吸热。即，从在冷气管130中流动的冷暖气工作流体获得热。这样，在冷气管130中流动的冷暖气工作流体相对地变为低温，通过冷气循环泵132进行流动，在冷气用热交换器152进行热交换，对所希望的空间提供冷气。

下面，对图2所示的实施例的动作进行说明。在图2所示的实施例中，不使用冰蓄热槽180时，冷气管130中流动的冷暖气工作流体不通过冰蓄热槽180，而通过旁通管184。显然此时，与图1描述相同地进行冷气运转和暖气运转。但是，在使用冰蓄热槽180或者固化冰蓄热槽180的介质时，不使用地热交换部170。

但是，在使用冰蓄热槽180时，也可以不使用地热交换部170。首先，如图5的箭头所示，在暖气运转时，在热泵100的蒸发器110中，在冷气管130中流动的冷暖气工作流体被夺取热量，相对地变成低温，该冷暖气工作流体对冰蓄热槽180的介质进行固化。这样，为了在冰蓄热槽180中蓄热，第一切换阀181使冷暖气工作流体不通过旁通管184流动。

即，对第一切换阀181和第二切换阀182分别进行控制，冷暖气工作流体从蒸发器110流出并经过冰蓄热槽180再次流入蒸发器110中。由此，可以在暖气运转时将热贮存在冰蓄热槽180中，在冷气运转时使用。

图6为利用冰蓄热槽180的热实施冷气运转的图。如图所示，在冷气管130的内部流动的工作流体通过冰蓄热槽180后传递到冷气用热交换器152，在通过冷气用热交换器152后流入热泵100的蒸发器110。这样，冷暖气工作流体的流动通过冷气循环泵132进行流动，冷暖气工作流体直接在热泵100的蒸发器110中通过。

通过这种方式冰蓄热槽180的热完全消耗时，为了运转冷气，如图4所示那样驱动系统。顺便说明一下，作为使用冰蓄热槽180进行冷气运转的方法之一，可利用深夜的电力。即，可以利用廉价的深夜电力，对冰蓄热槽180的介质进行冻结，在需要运转冷气时使用。

另一方面，在图3所示的实施例中，通过进一步设置辅助热交换部190，在地热工作流体传递到地热交换部170之前，使其相对地变为低温。由此，在地热交换部170中，可使应放出的热相对减少，使地热交换部170的大小变为最小。

如上所示，参照上述实施例对本发明进行了详细说明和图解，但是本发明并不限于此，在不脱离本发明的基本技术构思的范围内，本领域的普通技术人员可以进行其它各种变形。另外，很显然，本发明应该通过所附的权利要求书进行解释。

Claims (8)

1.一种冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统，其特征在于，包括：

热泵，包括进行工作流体热交换的蒸发器和冷凝器；

冷气管和暖气管，分别与所述热泵的蒸发器和冷凝器连接，其内部流动有与所述热泵的工作流体分别在所述蒸发器和冷凝器进行热交换的冷暖气工作流体；

冷暖气用热交换部，包括：冷气用热交换器，其与所述冷气管连接，传递冷暖气工作流体，冷却预定的空间；暖气用热交换器，其与所述暖气管连接，传递冷暖气工作流体，加热预定的空间；

地热管，与所述热泵的蒸发器和冷凝器分别连接，其内部流动有与所述热泵的工作流体分别在所述蒸发器和冷凝器进行热交换的地热工作流体；

地热交换部，与所述地热管连接，传递地热工作流体，与地球进行热交换。

2.根据权利要求1所述的冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统，其特征在于，在所述冷气管的一侧还设有冰蓄热槽，其具有与所述冷气管内部流动的冷暖气工作流体进行热交换并蓄热的介质。

3.根据权利要求2所述的冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统，其特征在于，用于将冷暖气工作流体从所述热泵的蒸发器传递至冷气用热交换部的冷气管贯穿所述冰蓄热槽，在所述冷气管上还设有旁通管，以使所述冷暖气工作流体绕过所述冰蓄热槽进行流动，在所述冷气管上设有第一和第二切换阀，根据冰蓄热槽是否进行动作来控制冷暖气工作流体的流动。

4.根据权利要求3所述的冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统，其特征在于，在连接于所述热泵与地热交换部之间的地热管上还设有辅助热交换部，用以将传递给所述地热交换部的地热工作流体的热量排出到外部。

5.根据权利要求1-4任一项所述的冷暖气可同时运转的利用地热的冷暖气系统，其特征在于，在所述冷气管、暖气管以及地热管上分别设有循环泵，所述循环泵可分别进行选择性的组合并动作，以使工作流体在所述管中流动。

6.一种冷暖气可同时运转的冷暖气系统的控制方法，在该冷暖气系统中，通过在热泵的蒸发器和冷凝器中流动的工作流体分别与冷暖气工作流体和地热工作流体进行的热交换来实现冷、暖气的运转，其中，所述冷暖气工作流体与所述热泵的工作流体分别在蒸发器和冷凝器进行热交换，并且在将冷暖气用热交换部与所述热泵的蒸发器和冷凝器连接的冷气管和暖气管内部流动，所述地热工作流体与所述热泵的工作流体分别在蒸发器和冷凝器进行热交换，并且在将地热交换部与所述热泵的蒸发器和冷凝器连接的地热管内部流动，其特征在于，

同时进行暖气运转和冷气运转，其中在所述暖气运转中，所述暖气管中流动的冷暖气工作流体与热泵的工作流体在冷凝器进行热交换，在所述冷气运转中，所述冷气管中流动的冷暖气工作流体与热泵的工作流体在蒸发器进行热交换。

7.根据权利要求6所述的冷暖气可同时运转的冷暖气系统的控制方法，其特征在于，在所述冷气管的一侧设有冰蓄热槽，在所述暖气运转进行的同时，所述冷气管内部流动的冷暖气工作流体的热量被传递给所述冰蓄热槽的介质并被贮存。

8.根据权利要求7所述的冷暖气可同时运转的冷暖气系统的控制方法，其特征在于，在利用所述冰蓄热槽中贮存的热量提供冷气时，连接在所述冷暖气用热交换部与热泵之间的冷气管的工作流体通过所述热泵的内部而不进行热交换。

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