CN101270933B - 地源热泵空调/制冷复合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地源热泵空调/制冷复合系统。它包括地埋管换热器系统、空调热泵系统、空调末端系统、制冷系统和换热介质循环系统五个子系统。地埋管换热器系统为地源热泵空调系统的主要冷热源，制冷系统采用水冷的方式冷却，其排出的废热成为热负荷占优的地源热泵空调系统的全年辅助热源，从而构成一种独特的地源热泵复合系统，满足空调用户和制冷用户全年的需要，并保证系统长期运行的性能。其中，地埋管换热器系统通过换热介质循环系统的管路分别与空调热泵系统和制冷系统连接，空调热泵系统通过换热介质循环系统的管路与空调末端系统连接；通过换热介质循环系统的调整，实现冷热量传递控制。本发明节能性高，系统初投资少，运行可靠高效。

Description

地源热泵空调/制冷复合系统

技术领域：

本发明涉及的是一种以地埋管地源热泵为冷热源的地源热泵空调/制冷复合系统，属于建筑环境与设备工程及制冷工程技术领域。

背景技术：

地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源(包括地下水、地下岩土或地表水等)，既可供热又可制冷的高效节能装置。其中地埋管地源热泵系统较少受环境条件的限制，因而正日益受到重视。它利用地下土壤温度相对稳定的特性，在投入少量高位能的基础上，通过埋在地下的地埋管换热器与大地进行冷热交换，实现夏季制冷、冬季供暖，还可以提供生活用热水。

在地源热泵空调系统全年运行过程中，冬季通过热泵从地下吸收热量后对建筑供热，同时地下埋管周围的温度降低；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时地下埋管周围的温度升高。如果在一年中冬季从地埋管换热器中抽取的热量与夏季向地埋管换热器输入的热量平衡，则地埋管换热器在数年的长时间运行后，地下的年平均温度没有变化，对地埋管换热器的长期性能没有影响。但是，在很多情况下地埋管换热器全年的冷热负荷是不平衡的。例如在北方建筑物冬季的供暖负荷和供暖时间远大于夏季的空调负荷和空调时间，而在南方情况则相反。在这种情况下，地埋管换热器的吸热和放热不平衡，多余的热量(或冷量)就会在地下积累，引起地下年平均温度的变化，进而影响地埋管换热器的出力。

冷负荷占优的地源热泵复合系统是在普通的地源热泵系统中加入辅助散热装置构成。开式冷却塔和闭式冷却塔是冷负荷占优地区复合式地源热泵系统中最常见的辅助散热装置，技术上较容易实现。

热负荷占优的地源热泵复合系统由于从地下的吸热大于向地下的排热，需要寻求辅助热源。一种设想是采用太阳能作为辅助热源，但地源热泵+太阳能集热器复合系统的经济性较差，而且存在设置太阳能集热器需占空间的限制。另一种可用的办法是地源热泵+锅炉辅助加热，它的缺点是需要消耗较多的常规化石燃料。本专利是针对以上背景提出的一种适合热负荷占优的地源热泵系统的新的解决方案。

在超市，尤其在一些大型超市中，已广泛采用空气调节系统，同时还有大量冷藏柜、冷藏货架等制冷设备。在餐饮业，包括快餐店，也常常有制冰机、冷藏柜等制冷设备。冷藏库和冷冻食品加工更是使用大规模的制冷设备。这些制冷设备都会产生大量的热量。在这些需要制冷的场合中，中小型的制冰机和冷柜常常采用风冷的冷却方式，而且制冷系统常常通过冷凝器将热量直接排入室内空调空间，增加了室内空调负荷。大型的制冷设备通常通过风冷或水冷(冷却塔)将热量排到室外大气中，排放的热量不能进行有效利用。在这种情况下，提出一种将空调系统与制冷系统相结合，并且利用地源热泵作为冷热源的复合系统，即地源热泵空调/制冷复合系统。它的最主要的特点是把各种制冷设备的冷凝器都采用水冷方式，并在夏季向地源热泵系统的地埋管换热器排放制冷的废热，增加向大地的排热量；冬季将制冷排放的废热回收利用为空调用热泵机组供热，提高空调热泵的热效率，以实现或改善热负荷占优的地源热泵空调系统的全年的冷热负荷平衡。

在已有空调制冷技术专利中，如02271552《带冷藏柜的柜式空调器》、200520104609《空调、冷冻、冷藏、保鲜一体机》等诸多的空调冷藏一体机，仅能够在夏季使用。在冬季空调需要供热，而冷冻、冷藏、保鲜需要的仍然是制冷时，该一体机就无法进行工作。在90104316《电冰箱空调器》中，空调器制冷系统和电冰箱制冷系统间断交替工作。另外，已有的这些专利都是小型装置，不是大型的系统装置，而且都不涉及地埋管换热器。而在已有的地源热泵技术中，多为地源热泵空调技术，或将地源与太阳能相结合的技术，没有将地源热泵空调技术与制冷系统联合应用。

发明内容：

本发明的目的就是为了克服已有技术的不足，提供一种能满足可持续发展对制冷空调行业在节能和环保上的要求，且具有结构简单，使用方便等优点的地源热泵空调/制冷复合系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地源热泵空调/制冷复合系统，它包括地埋管换热器系统、空调热泵系统、空调末端系统、制冷系统和换热介质循环系统五个子系统，所述地埋管换热器系统为地埋管地源热泵的主要冷热源，并使热负荷占优的地源热泵系统能够在复合系统内有辅助热源提供，从而满足全年的空调用户和制冷用户需要；其中，地埋管换热器系统通过换热介质循环系统的管路分别与空调热泵系统和制冷系统连接，空调热泵系统通过换热介质循环系统的管路与空调末端系统连接；通过换热介质循环系统的调整，实现冷热量传递的控制。

所述地埋管换热器系统由多个换热管以串联和/或并联方式连接，各换热管与换热介质循环系统连接。

所述空调热泵系统包括至少一对换热器I、换热器II、至少一个压缩机I、一个四通阀和至少一个节流装置I；其中，换热器I的出入口与换热介质循环系统的管路相连，并在换热器I入口处的三通和换热器I出口处三通将地埋管换热器系统和制冷系统连接起来；换热器II的出入口分别与空调末端和循环泵I相连；节流装置和四通阀分别安装在换热器I、换热器II间的管路上，其中四通阀通过管路与压缩机I连接。

所述空调末端系统为各空调用户的空调末端，它与空调热泵系统中的循环泵I连接，循环水在循环泵I作用下将空调热泵系统提供的冷/热量传递给各空调末端。

所述换热介质循环系统包括循环泵II和循环泵III、阀门组以及与各系统连接的全部管路，其中阀门组由阀门I、阀门II、阀门III和阀门IV组成桥式连接。

所述制冷系统为单个制冷系统或多个制冷系统同时存在，而且多个制冷系统可以串联连接也可以并联连接；每个制冷系统包括冷凝器，它的一端与节流装置II、蒸发器和压缩机II依次连接，压缩机II则与冷凝器的另一端连接，同时冷凝器两端还与换热介质循环系统中的阀门组和循环泵III连接。

所述阀门组中阀门I、阀门IV的动作相同，阀门II、阀门III的动作相同；阀门I与阀门II的动作相反，阀门III与阀门IV的动作相反，阀门动作的切换与空调热泵系统中制冷剂的流向相关，当换热器I作为冷凝器时，阀门I、阀门IV开，阀门II、阀门III关；当换热器I作为蒸发器时，阀门II、阀门III开，阀门I、阀门IV关，各阀门动作的转换可通过自控来完成。

所述阀门组中各阀门在夏季时，阀门I、阀门IV开通，阀门II、阀门III关闭，在循环泵II的作用下，使经过地埋管换热器系统的换热介质在换热器I入口的三通分流：一部分介质直接进入换热器，使其作为空调热泵系统的冷凝器；一部分介质在循环泵II作用下通过阀门I进入制冷系统，吸收各制冷系统冷凝器排出的热量后温度升高，通过阀门IV流向换热器I出口的三通，与通过换热器I的介质合流，再流经地埋管换热器系统与大地换热。

所述阀门组中各阀门在冬季时，阀门II与阀门III开通，阀门I与阀门IV关闭，流过地埋管换热器系统和制冷系统的介质在换热器I入口的三通合流进入换热器I，共同为空调热泵系统供热，而在换热器I出口的三通分流，一部分介质流向地埋管换热器系统与大地换热，一部分介质在循环泵III作用下通过阀门II，吸收制冷系统的热量，升温后通过阀门III流向换热器I入口的三通。

本发明地源热泵空调/制冷复合系统主要由五部分组成：地埋管换热器系统、空调热泵系统、空调末端系统、制冷系统和换热介质循环系统。地埋管换热器系统由可以是竖直U型埋管、水平埋管、桩埋管或连续螺旋埋管等地下换热管组成，实现管内换热介质与土壤的热交换。空调热泵系统包含2个换热器、压缩机、节流装置和四通换向阀，四通换向阀实现热泵系统冬夏季制冷剂工质流向的转变，从而使2个换热器实现相反的冬夏季蒸发器与冷凝器的作用。空调热泵系统中冬夏工况的转换也可以采用循环介质机外转换的形式。空调末端系统由换热器、循环水泵和空调末端用户组成，通过循环水泵将冷量(夏)或热量(冬)带到各空调末端用户。制冷系统可以是为满足冷冻、冷藏用户或制冰用户等的需要而设置的常年制冷系统，由蒸发器、冷凝器、压缩机和节流装置组成。各制冷系统可以并联连接，也可以串联连接，由需要而定。换热介质循环系统通过管路将地埋管换热器系统与制冷系统相连，由循环泵、管路和阀门组成。联系换热介质循环系统和空调热泵系统的换热器在夏季为冷凝器，冬季为空调热泵系统的蒸发器。

夏季，地下换热管中的介质将空调热泵系统和制冷系统排出的热量排入大地，热量扩散出去后介质温度降低，又由循环泵泵入换热器中吸热。这两部分热量都将储存在地埋管换热器周围的地下岩土中，供冬季供热之用。冬季，地下换热管中的介质吸收大地中的热量，通过循环泵在换热器中为空调热泵系统供热。同时，换热介质将制冷系统冷凝器排出的热量回收，增加了可供给空调热泵系统的热量，并且提高了空调热泵系统的效率。

这种地源热泵空调/制冷复合系统的优点为：(1)以清洁、可再生的地下浅层地热资源为能源的地源热泵来提供大部分能量，既可供热又可制冷，具有地源热泵系统所具有的高效、节能、环保等优点。(2)夏季可直接将制冷系统排放的热量由循环液带走，储存于地下岩土中，增加向大地的排热量；同时，由于室内的冷藏冷冻或制冰等装置采用水冷冷却，无热风直吹人体，并且可以减少室内的空调冷负荷，实现空调节能。(3)冬季可回收利用冷冻冷藏制冰等制冷系统排出的热量，并因蒸发器温度的提高而增加了空调用热泵机组的效率，具有更高的节能性，且更有利于地源热泵系统的全年冷热负荷平衡。(4)水冷式制冷装置的效率高于风冷式的制冷装置，且价格较低，因此利用地源热泵空调系统已有的地埋管换热器作为制冷装置的散热设备，采用水冷的制冷设备可以降低制冷装置的初投资，并提高制冷系统的效率，实现节能的目的。

附图说明：

图1是地源热泵空调/制冷复合系统原理示意图。

图中，1.地埋管换热器，2.循环泵I，21.循环泵II，22.循环泵III，3.换热器I，31.换热器II，4.压缩机I，41.压缩机II，5.四通阀，6.节流装置I，61.节流装置II，7.空调末端，8.阀门I，81.阀门II，82.阀门III，83.阀门IV，9.冷凝器，10.蒸发器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的描述：

图1包括地埋管换热器系统、空调热泵系统、空调末端系统、制冷系统和换热介质循环系统五个子系统。所述地埋管换热器系统连接空调热泵系统和制冷系统两个不同特性的负荷，组成独特的地源热泵复合系统，使热负荷占优的地源热泵空调系统能够在系统内有辅助热源提供，从而满足全年的空调用户和制冷用户需要。其中，地埋管换热器系统通过换热介质循环系统的管路分别与空调热泵系统和制冷系统连接，空调热泵系统通过换热介质循环系统的管路与空调末端系统连接；通过换热介质循环系统的调整，实现冷热量传递控制。

所述地埋管换热器系统由多个地下换热管1以串联和/或并联方式连接，各换热管与换热介质循环系统连接。

空调热泵系统包括一对换热器I 3、换热器II 31、一个压缩机I 4、一个四通阀5和一个节流装置I 6；其中，换热器I 3的出入口与换热介质循环系统的管路相连，并在换热器I 3入口处的三通和换热器I 3出口处三通将地埋管换热器系统和制冷系统连接起来；换热器II 31的出入口分别与空调末端和循环泵I 2相连；节流装置I 6和四通阀5分别安装在换热器I 3、换热器II 31间的管路上，其中四通阀5通过管路与压缩机I 4连接。

空调末端系统为各空调用户的空调末端7，它与空调热泵系统中的循环泵I 2连接，循环水在循环泵I 2作用下将空调热泵系统提供的冷量或热量传递给各空调末端7。

换热介质循环系统包括循环泵II 21和循环泵III 22、阀门组以及与各系统连接的全部管路，其中阀门组由阀门I 8、阀门II 81、阀门III 82和阀门IV 83组成桥式连接。

制冷系统为单个制冷系统或多个制冷系统同时存在，而且多个制冷系统可以串联连接也可以并联连接；每个制冷系统包括冷凝器9，它的一端与节流装置II 61、蒸发器10和压缩机II41依次连接，压缩机II41则与冷凝器9的另一端连接，同时冷凝器9两端还与换热介质循环系统中的阀门组和循环泵III22连接。

阀门组中阀门I8、阀门IV83的动作相同，阀门II81、阀门III82的动作相同；阀门I8与阀门II81的动作相反，阀门III82与阀门IV83的动作相反，阀门动作的切换与空调热泵系统中制冷剂的流向相关，当换热器I3作为冷凝器时，阀门I8、阀门IV83开，阀门II81、阀门III82关；当换热器I3作为蒸发器时，阀门II81、阀门III82开，阀门I8、阀门IV83关，各阀门动作的转换可通过自控来完成。

夏季：阀门II81与阀门IV83开通，阀门II81与阀门III82关闭。换热介质循环系统中降温后的换热介质在循环泵II21的作用下流向换热器I3方向，在换热器I3入口的三通处分流，一部分换热介质直接流向换热器I3，其它介质在循环泵II21的作用下通过阀门I8，流向制冷系统的冷凝器9，吸收冷凝器9排出的热量后升高温度，再通过阀门IV83流向换热器I3出口的三通，与直接流过换热器I3的介质汇合，将热量通过地下换热管1排向大地。散热后温度降低的地下换热介质通过循环泵II21作用再进行循环。换热器I3的出入口分别与空调热泵系统的节流装置I6和四通阀5相连，换热器II31的出入口分别与四通阀5和节流装置I6相连，四通阀5连接压缩机I 4，通过四通阀5实现冬夏季压缩机I 4内制冷剂流向的转变。

冬季：阀门II81与阀门III82开通，阀门I8与阀门IV83关闭。换热介质循环系统中升温后的换热介质在循环泵II21的作用下流向换热器I3方向，在换热器I3入口的三通处与吸收制冷系统冷凝器9排出热量后升温后的换热介质合流。合流的换热介质经过的行程为换热器I3出口的三通分支、阀门II81、循环泵III22、冷凝器9，阀门III82，换热器I3入口的三通，从而回收了冷凝器9的热量，增加了换热器I3中可提供给空调热泵系统的能量。在换热器I3中换热后温度降低的介质通过其出口的三通一部分流向地下换热管1，另外一部分介质进行制冷系统的行程循环。换热器I3的出入口分别与地源热泵系统的四通阀5和节流装置I6相连，换热器II31的出入口分别与节流装置I6和四通阀5相连，四通阀5连接压缩机I4。

Claims (9)

1.一种地源热泵空调/制冷复合系统，它包括地埋管换热器系统、空调热泵系统、空调末端系统、制冷系统和换热介质循环系统五个子系统，其特征是，所述地埋管换热器系统为空调热泵系统的主要冷热源，制冷系统排出的废热成为热负荷占优的空调热泵系统的辅助热源，构成一种新型的地源热泵复合系统，从而满足全年的空调用户和制冷用户需要；其中，地埋管换热器系统通过换热介质循环系统的管路分别与空调热泵系统和制冷系统连接；空调热泵系统通过换热介质循环系统的管路与空调末端系统连接；通过换热介质循环系统的调整，实现冷热量传递控制。

2.根据权利要求1所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述地埋管换热器系统由竖直U型埋管或水平埋管或桩埋管或连续螺旋埋管形式的多个换热管以串联和/或并联方式连接，各换热管与换热介质循环系统连接。

3.根据权利要求1所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述空调热泵系统包括换热器I、换热器II、至少一个压缩机I、一个四通阀和至少一个节流装置I；其中，换热器I的出入口与换热介质循环系统的管路相连，并在换热器I入口处的三通和换热器I出口处三通将地埋管换热器系统和制冷系统连接起来；换热器II的出入口分别与空调末端系统和循环泵I相连；节流装置I和四通阀分别安装在换热器I、换热器II间的管路上，其中四通阀通过管路与压缩机I连接。

4.根据权利要求1所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述空调末端系统为各空调用户的空调末端，它与空调热泵系统中的循环泵I连接，循环水在循环泵I作用下将空调热泵系统提供的冷量传递给各空调末端。

5.根据权利要求1所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述换热介质循环系统包括循环泵II和循环泵III、阀门组以及与各系统连接的全部管路，其中阀门组由阀门I、阀门II、阀门III和阀门IV组成桥式连接。

6.根据权利要求1或5所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述制冷系统为单个制冷系统或多个制冷系统同时存在，都采用水冷的方式冷却；每个制冷系统包括冷凝器，它的一端与节流装置II、蒸发器和压缩机II依次连接，压缩机II则与冷凝器的另一端连接，同时冷凝器两端还与换热介质循环系统中的阀门组和循环泵III连接。

7.根据权利要求6所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述阀门组中阀门I、阀门IV的动作相同，阀门II、阀门III的动作相同；阀门I与阀门II的动作相反，阀门III与阀门IV的动作相反，阀门动作的切换与空调热泵系统中制冷剂的流向相关，当换热器I作为冷凝器时，阀门I、阀门IV开，阀门II、阀门III关；当换热器I作为蒸发器时，阀门II、阀门III开，阀门I、阀门IV关，各阀门动作的转换通过自控来完成。

8.根据权利要求7所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述阀门组中各阀门在夏季时，阀门I、阀门IV开通，阀门II、阀门III关闭，在循环泵II的作用下，使经过地埋管换热器系统的换热介质在换热器I入口的三通分流，一部分介质直接进入换热器I使其作为空调热泵系统的冷凝器，另一部分介质在循环泵II作用下，通过阀门I进入制冷系统，吸收各制冷系统冷凝器排出的热量后温度升高，通过阀门IV流向换热器I出口的三通，与通过换热器I的介质合流，再流经地埋管换热器系统与大地换热。

9.根据权利要求7所述的地源热泵空调/制冷复合系统，其特征是，所述阀门组中各阀门在冬季时，阀门II与阀门III开通，阀门I与阀门IV关闭，流过地埋管换热器系统和制冷系统的介质在换热器I入口的三通合流进入换热器I，共同为空调热泵系统供热，而在换热器I出口的三通分流，一部分介质流向地埋管换热器系统与大地换热，一部分介质在循环泵III作用下通过阀门II，吸收制冷系统的热量，升温后通过阀门III流向换热器I入口的三通。

Images