CN101603715B - 一种地源热泵空调系统及其空气处理方法 - Google Patents

一种地源热泵空调系统及其空气处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地源热泵空调系统及其空气处理方法，所述地源热泵空调系统包括热泵机组、空气处理机组、地源介质系统，所述热泵机组具有内、外换热器分别与空气处理机组和地源介质系统通过循环介质实现热交换，所述空气处理机组的风道中在送风方向上先后设有新风入口、回风入口、混合空气热质交换设备，混合空气热质交换设备与热泵机组的内换热器通过循环介质实现热交换；混合空气热质交换设备与热泵机组的内换热器通过相连管道中的循环介质实现热交换；所述空气处理机组的风道中于新风热质交换设备、混合空气热质交换设备之间设有与室内回风相通并供回风流入的混合室。本发明利用低品位地下水所储存的冷量/热能对新风预处理减少热泵处理新风负荷而提高能量利用效率，节能效果明显。

Description

一种地源热泵空调系统及其空气处理方法
技术领域
本发明涉及一种空调制冷技术领域，尤其涉及一种地源热泵空调系统及其空气处理方法。
背景技术
地源热泵兼有制冷与制热功能，是通过利用土壤、地下水或地表水所存储天热冷量/热量获得高能效比的热泵机组。土壤、地下水或地表水所储存能量是一种低品位的可再生能源，地源热泵正是通过回收这种低品位地下储能而获得高的能效比，节能效果十分显著。比如，商业建筑中，地源热泵的年均节能可达17％，而住宅建筑中，地源热泵的年均能耗可减少32％。地源热泵包括土壤源地源热泵、地表水地源热泵和地下水地源热泵三类。地下水地源热泵具有结构简单、技术成熟、施工方便及节能效果好等优点，因此，其得到更为广泛应用，尤其在夏热冬冷地区。
现有技术的地下水地源热泵大多是利用地下水来直接冷却热泵机组的冷凝器或加热热泵机组的蒸发器，这种地下水地源热泵的结构和工作原理在中国专利公开号CN1854645A中所公开的“一种地源热泵系统”中有详细描述。虽然现有地源热泵机组制冷效率或制热效率较空气源热泵机组或其他冷水机组(如采用冷却塔冷却方式)都有较大提高，然而，就现有技术的地下水地源热泵而言，特别是在大型建筑中的风管空调系统，空气处理机组需要补充大量的室外新风来携带热泵机组制造的冷量/热能来调节室内空气，地下水所储存天热冷量或热能并没有被直接用于冷却高温室外新风或加热低温室外新风，就造成原本可直接用于供冷或供热的地下水的冷量/热能损失；由于室外新风的全热负荷由热泵机组承担，当室内外温差较大时，热泵机组承担的负荷较大而导致能耗较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高地能利用而使地源热泵能耗减小的地源热泵空调系统，同时提供该地源热泵空调系统的空气处理方法。
为实现上述目的，本发明的地源热泵空调系统的技术方案是：地源热泵空调系统，包括具有内、外换热器的热泵机组、空气处理机组、用于摄取地能的地源介质系统，所述热泵机组的外换热器连接在地源介质系统的循环管路中，所述空气处理机组的风道中在送风方向上依次设有新风入口、回风入口、混合空气热质交换设备，混合空气热质交换设备与热泵机组的内换热器通过循环介质实现热交换，所述空气处理机组风道中在新风入口与回风入口之间设有新风热质交换设备，所述新风热质交换设备连接在地源介质系统的循环管路中。
所述空气处理机组的风道中于新风热质交换设备、混合空气热质交换设备之间设有与回风入口相通的混合室。
所述空气处理机组风道中在送风方向上的混合空气热质交换设备后方设有加湿器、风机。
所述地源介质系统包括循环管路及其上串接的地源换热器、循环泵，地源换热器上还设有一对供循环地下水进出的进、出水管。
所述新风热质交换设备、混合空气热质交换设备为直接接触式热质交换设备或间接接触式热质交换设备。
所述新风热质交换设备、热泵机组外换热器通过连接管先后串连在地源介质系统的循环管路中。
所述新风热质交换设备、热泵机组外换热器通过连接管并联在地源介质系统的循环管路中。
所述新风热质交换设备、热泵机组的外换热器分别连接在两套独立循环的地源介质系统的循环管路中。
本发明的空气处理方法的技术方案是：地源热泵空调系统的空气处理方法，在空气处理机组风道中的新风入口与回风入口之间设置与地源介质系统直接相连的新风热质交换设备，新风热质交换设备对室外新风进行预处理后再和室内回风混合进入后方的混合空气热质交换设备进一步处理，二次处理后的空气经风机加压送入空调房间内。
本发明的空调系统和空气处理方法与现有技术相比，其改进之处在于，先使用新风热质交换设备的地下储能直接对新风进行预处理后，再进入间接利用地能的热泵机组所主导的空气处理过程。由于地下水所储存天热冷量/热能直接用于承担室外新风的全部显热负荷及部分潜热负荷，热泵机组仅需承担室内负荷，从而节省热泵机组制冷量/制热量，热泵机组耗电量也相应减少，而从整体上通过有效利用低品位地下水储能而节省高品位电能。本发明具有利用低品位地下水所储存的冷量/热能的优点，高效节能，尤其新风量越大，节能效果越明显，当地下水温度为15℃且新风量占总风量20％时，本发明比现有技术的地源热泵节能达20％以上。本发明可高效利用低品位的可再生能源直接实现给新风供冷或供热，运行稳定可靠、安全卫生、无地下水污染，适用范围广，特别适用于冬冷夏热地区。
另外，本发明的空调系统中的新风热质交换设备和热泵机组的外换热器均由地下水提供冷/热源，新风热质交换设备和热泵外换热器可以先后串接在地源介质系统的循环管路中，携带地能的循环介质可以先对室外新风供冷或供热，然后再用于冷却或加热热泵机组的外换热器，使地能在一套循环管路中被充分利用。
另外，新风热质交换设备和热泵外换热器也可以并联在地源介质系统的循环管路中，并可通过加设阀组对循环介质按当地的温差情况合理分配，这种方式的节能效果较好但需要更多的地下水来提供冷/热量。
另外，新风热质交换设备和热泵外换热器也可以分别连接在两套独立的地源介质系统的循环管路中，使新风热质交换设备和热泵外换热器互不影响，这种方式的节能效果好但是需要布置两套循环系统而成本较高。
附图说明
图1是本发明提供的地源热泵空调系统的实施例1的原理图；
图2是本发明提供的地源热泵空调系统的供冷工况空气处理过程在焓湿图上表示(h-d图)。
图3是本发明提供的地源热泵空调系统的供热工况空气处理过程在焓湿图上表示(h-d图)。
图4是本发明提供的地源热泵空调系统的实施例2的原理图；
图5是本发明提供的地源热泵空调系统的实施例3的原理图。
图1中，1、地源换热器，2、第一循环泵，3、新风热质交换设备，4、热泵外换热器，5、热泵机组，6、热泵内换热器，7、混合空气热质交换设备，8、加湿器，9、风机，10、第二循环泵，11、混合室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明的地源热泵空调系统，包括热泵机组5、空气处理机组、用于摄取地能的地源介质系统，所述热泵机组具有内、外换热器6、4，空气处理机组包括自新风入口至送风口延伸的风道及其中沿送风方向依次设置的新风热质交换设备3、混合室11、混合空气热质交换设备7、加湿器8、风机9，所述混合室11与室内回风的回风入口相通。所述地源介质系统包括循环管路及串接在循环管路上的第一循环泵2和地源换热器1，地源换热器1上还设有一对供循环地下水进出的进、出水管，所述新风热质交换设备3、热泵机组5先后串接在地源介质系统的循环管路中，该循环管路的循环介质被定义为第一介质。热泵机组5的内换热器6、第二循环泵10、混合空气热质交换设备7通过循环管路依次串接，该循环管路中的介质被定义为第二介质。所述新风热质交换设备3和混合空气热质交换设备7可以选择直接接触式热质交换设备，如喷水室；也可以选择间接接触式热质交换设备，如表面式冷却器。
本发明的空调系统在工作时，室外新风经新风热质交换设备3处理后，进入混合室11与室内回风混合，然后再经混合空气热质交换设备7处理后，通过加湿器8加湿，经风机9加压后送入空调房间内；供冷工况下，室外新风与新风热质交换设备3进行热质交换过程中新风被冷却除湿，新风与回风所组成的混合空气与混合空气热质交换设备7进行热质交换过程中混合空气也被冷却除湿，新风热质交换设备3承担室外新风全部显热负荷和部分潜热负荷，新风热质交换设备3所需要冷量由地下深井水提供，混合空气热质交换设备7承担室外新风部分潜热负荷及室内总负荷，混合空气热质交换设备7所需要冷量由热泵机组5提供；供热工况下，室外新风与新风热质交换设备3进行热质交换过程中新风被等湿加热或加湿加热，新风与回风所组成的混合空气与混合空气热质交换设备7进行热质交换过程中等湿加热或加湿加热，新风热质交换设备3承担室外新风部分热负荷，新风热质交换设备3所需要加热量由地下深井水提供，混合空气热质交换设备7承担室外新风部分热负荷及室内总热负荷，混合空气热质交换设备7所需要加热量由热泵机组5提供；加湿器8加湿方法采用等温加湿或等焓加湿。
新风热质交换设备3内的第一介质与新风进行热质交换后进入热泵机组5的热泵外换热器4换热后，再流入地源换热器1与经除污处理后地下井水进行换热，然后经第一循环泵2重新送至新风热质交换设备3；供冷工况下，较高温度的第一介质在地源换热器1内向低温井水放热后变为较低温度的第一介质，流入新风热质交换设备3的第一介质温度低于新风的露点温度从而实现新风冷却除湿，第一介质经新风热质交换设备3吸收热量后进入热泵机组5的热泵外换热器4继续吸收热量温度继续升高，在热泵机组5的热泵外换热器4出口变成温度较高第一介质；供热工况下，较低温度的第一介质在地源换热器1内从低温热井水吸热后变为较高温度的第一介质，流入新风热质交换设备3的第一介质温度高于新风温度从而实现新风加热，第一介质经新风热质交换设备3放出热量后进入热泵机组5的热泵外换热器4继续放出热量温度继续降低，在热泵机组5热泵外换热器4出口变成温度较低第一介质。
混合空气热质交换设备7内的第二介质与新风回风所组成的混合空气进行热质交换后进入热泵机组5的热泵内换热器6换热后，再经第二循环泵10重新送至混合空气热质交换设备7；供冷工况下，在混合空气热质交换设备7中的第二介质温度远低于混合空气露点温度从而实现混合空气的冷却除湿，第二介质经混合空气热质交换设备7吸收热量后温度升高，进入热泵机组5的热泵内换热器6放出热量后温度下降并被冷却为低温的第二介质；供热工况下，在混合空气热质交换设备7中的第二介质温度远高于混合空气温度，从而实现混合空气的加热，第二介质经混合空气热质交换设备7放出热量后温度降低，进入热泵机组5的热泵内换热器6吸收热量后温度升高并被加热为高温的第二介质。
这里以新风热质交换设备3和混合空气热质交换设备7均为间接接触式热质交换设备为例，说明空气处理过程为：供冷工况下，室外新风先经新风热质交换设备3冷却除湿至机械露点(如图2中所示新风状态点O到状态点L1过程)，新风与回风在混合室11内混合(如图2中所示的室内空气状态点R与新风机械露点L1混合至空气状态点M过程)，混合空气在混合空气热质交换设备7冷却除湿至机械露点(如图2中所示状态点M到状态点L2过程)，处理后空气经风机送入室内消除房间余热余湿(如图2中所示空气状态点L2到状态点R过程)，从而维持房间温度和湿度稳定(如图2中所示空气状态点R)；
供热工况下，室外新风先经新风热质交换设备3等湿加热(如图3中所示新风状态点O′到状态点O”过程)，新风与回风在混合室11内混合(如图3中所示的室内空气状态点R与新风状态点O”混合至空气状态点M′过程)，混合空气在混合空气热质交换设备7等湿加热(如图3中所示状态点M′到状态点M”过程)，然后混合空气经加湿器8等温加湿(如图3中所示混合空气状态点M”到送风状态点s过程)，加湿处理后空气经风机送入室内以维持房间温度和湿度稳定(如图3中所示送风状态点s到室内空气状态点R过程)。
图4是本发明提供的地源热泵空调系统的实施例2的原理图，与实施例1的不同之处在于：新风热质交换设备3和热泵外换热器4是并联在地源介质系统的循环管路上，可以通过阀门实现流量分配。
图5是本发明提供的地源热泵空调系统的实施例3的原理图，与实施例1的不同之处在于：新风热质交换设备3和热泵外换热器4是分别连接在两套独立循环的地源介质系统的循环管路A、B上。
上述实施例中的地源介质系统中的循环介质均是通过地源换热器与引入的地下水实现换热的。当然也可以直接使用地下水作为地源介质系统中的循环介质，同时需要增加过滤和净化设备回收地下水。

Claims (8)

1.地源热泵空调系统，包括具有内、外换热器的热泵机组、空气处理机组、用于摄取地能的地源介质系统，所述地源介质系统是直接使用地下水作为循环介质、或者是串接循环泵和地源换热器通过地源换热器引入地下水与循环介质换热的循环管路，所述热泵机组的外换热器连接在地源介质系统的循环管路中，所述空气处理机组的风道中在送风方向上先后设有新风入口、回风入口、混合空气热质交换设备，混合空气热质交换设备与热泵机组的内换热器通过循环介质实现热交换，其特征在于：所述空气处理机组风道中在新风入口与回风入口之间设有新风热质交换设备，所述新风热质交换设备连接在地源介质系统的循环管路中。
2.根据权利要求1所述的地源热泵空调系统，其特征在于：所述空气处理机组的风道中于新风热质交换设备、混合空气热质交换设备之间设有与回风入口相通的混合室。
3.根据权利要求1所述的地源热泵空调系统，其特征在于：所述空气处理机组风道中在送风方向上的混合空气热质交换设备后方设有加湿器、风机。
4.根据权利要求1所述的地源热泵空调系统，其特征在于：所述新风热质交换设备、混合空气热质交换设备为直接接触式热质交换设备或间接接触式热质交换设备。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的地源热泵空调系统，其特征在于：所述新风热质交换设备、热泵机组外换热器通过连接管先后串连在地源介质系统的循环管路中。
6.根据权利要求1～4中任意一项所述的地源热泵空调系统，其特征在于：所述新风热质交换设备、热泵机组外换热器通过连接管并联在地源介质系统的循环管路中。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的地源热泵空调系统，其特征在于：所述新风热质交换设备、热泵机组的外换热器分别连接在两套独立循环的地源介质系统的循环管路中。
8.如权利要求1所述的地源热泵空调系统的空气处理方法，其特征在于：在空气处理机组风道中的新风入口与回风入口之间设置与地源介质系统直接相连的新风热质交换设备，新风热质交换设备对室外新风进行预处理后再和室内回风混合进入后方的混合空气热质交换设备进一步处理，二次处理后的空气经风机加压送入空调房间内。 
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