CN103109142A - 利用地热的热泵系统 - Google Patents

Abstract

在本系统中，第1热交换部、第2热交换部借助热交换机构互相热交换，从而提高整体的热泵系统的效率，并且第1热交换部、第2热交换部淹没在位于地下的水槽，以此利用地热。

Description

利用地热的热泵系统

技术领域

本发明涉及一种利用地热的热泵系统。

背景技术

作为一般使用的能源，大多数情况下利用如煤、石油、天然气等的化石燃料，或者利用核燃料。但是，化石燃料由于在燃烧过程中产生的各种污染物而污染环境，核燃料存在产生如水质污染及放射能的有害物质的缺点，同时这些能源在储量上具有局限性。

因此，近年来，对可以代替这些的代替能源的开发非常活跃。在这种代替能源中，关于如风力、太阳热、地热等的自然能源的研究从很久之前便开始进行，实质上利用这些的制冷制热装置已被设置使用，这些自然能源具有几乎不影响环境污染和气候变化，同时可以获得无限的能源的优点，然而由于其能源密度相当低的缺点，所以提高其密度变换为可利用的形态是自然能源技术开发的核心关键。

作为这种自然能源技术之一而受到瞩目的，就是利用地热作为热源来进行制冷制热的热泵系统。利用地热的热泵系统是设置热交换器来作为热泵的热源使用的技术，热交换器回收温度为10℃～20℃的地中的热或者向地中排出热。

一般作为热泵的热源，使用如空调那样在大气中获得热或者排出热的空气热源方式，通过冷却塔排出热的水热源方式等。与空气热源相比，利用地热源具有能源效率非常高的优点。

尤其，四季变化明显的地域的全年大气温度为－20℃～40℃，以很大幅度变化，相反，就地中温度而言，地下5m以下的全年温度为10℃～20℃，几乎维持一定温度。

因此，在夏季制冷的情况下，空气热源的温度为30℃以上，从而为了排出制冷热需要消耗很多电力，而地热源的温度为10℃～20℃，顺畅地排出热，从而表现出高效率。相反，在冬季制热的情况下，空气热源的温度为最低－20℃，从而难以供应制热所需的热，而地中热源的温度高达10℃～20℃，从而可以稳定地向热泵供应制热的热。

利用这样的地热的热泵系统，在所有制冷制热技术中能源效率最高。因此，在能源资源不足且能源费用高的状况下可以说是非常必要的技术。

现有的利用地热源的热泵系统，为了对室内进行制冷或者制热，使室外侧热交换器不是在大气热与制冷剂之间进行热交换，而是在地热源与制冷剂之间进行热交换。

图1是基于现有技术的利用地热的热泵制冷制热装置的系统结构图。上述图1所示的现有的一般的地热源热泵制冷制热装置包括：压缩机21，压缩低温低压的制冷剂气体来变换为高温高压；室内热交换器23，设在室内侧，借助制冷剂对室内进行制冷或者制热；室外热交换器25，设在室外侧，将制冷剂的热交换为在地中获得的热；膨胀阀24，设在室内热交换器23与室外热交换器25之间，将已冷凝的制冷剂节流成低压；四通阀22，用于变更制冷剂的循环路径；以及控制部10，控制上述各结构来进行制冷运行或者制热运行。

此时，上述室外热交换器25与埋设在地中的地中热交换管40进行配管来形成水制冷剂的循环路径，借助由循环阀41循环的水制冷剂可以与制冷剂进行热交换。即，借助上述室外热交换器25与制冷剂热交换的水制冷剂向上述地中热交换管40移送，并由地中的热进行热交换，重新向上述室外热交换器25移送。最近，上述地中热交换管40形成为从海水或者湖水进行热交换，也形成为直接循环地下水。

首先，在制冷运行时，观察制冷剂的循环路径，将四通阀22控制成上述图1的由虚线表示的路径，从而向室外热交换器25移送由压缩机21压缩的制冷剂气体。然后，将压缩的制冷剂气体在室外热交换器25利用地热进行热交换来冷凝，利用膨胀阀24使冷凝的制冷剂膨胀（节流）来变换为低温的制冷剂之后，向室内热交换器23移送。那么，室内热交换器23使低温的制冷剂蒸发，从而在蒸发过程中可以对室内进行制冷，此时，借助在制冷过程中获得的室内的热变换为中温的制冷剂气体，经由四通阀向压缩机21移送。

接着，对于制热运行时的制冷剂的循环路径，将四通阀22控制成上述图1的由实线表示的路径控制，使得与制冷运行时的循环路径相反，制冷剂按照压缩机21、室内热交换器23、膨胀阀24及室外热交换器25的顺序循环。此时，室内热交换器23起到冷凝器的作用，利用冷凝过程中的热可以对室内进行制热，室外热交换器25起到蒸发器的作用，在蒸发过程中可以从地热吸收热。

并且，观察上述图1的现有技术可以知道，由压缩机21压缩的高温高压的制冷剂气体，是经由制热热交换器30向四通阀22移送的。即，上述制热热交换器30与当做制热或者供水用途使用的蓄热槽连接，利用从高温高压的制冷剂气体获得的热而积累在蓄热槽。

基于如此形成的现有技术的利用地热的热泵制冷制热装置具有以下优点，即，由于不是利用大气热，而是利用地中热，来在室外热交换器25对制冷剂进行热交换，所以与使用大气热时相比，可以更加节约在运行热泵系统时所需要的电力，并且利用一个热泵系统不仅可以进行制热，还可以进行制冷。

上述中，室外热交换器25和地中热交换管40可以统称为地中热交换部，室内热交换器23可以称为负载端热交换部。

如此，热泵装置一般包括地中热交换部和负载端热交换部而构成。

如上所述的现有的技术，一般将地中热交换管40埋设在地中，由于埋设方式的地中热交换管与地中的热交换接触面积小，从而不能有效地利用地热。

发明内容

本发明是为了解决如上所述的现有技术的问题而提出的，提供用于吸收地热或者向地中放热的地中热交换部，可以更加有效地利用地热的利用地热的热泵系统。

为了解决上述问题的本发明为利用地热的热泵系统，其特征在于，包括：压缩机130，其压缩制冷剂；第1热交换部140；热交换机构，其与上述第1热交换部140进行热交换；第2热交换部150，其通过与上述热交换机构的热交换来与上述第1热交换部140进行热交换；负载端热交换部160，其设在负载端；贮液器170，其储存已液化的制冷剂；第1制冷剂配管210，其连接上述第1热交换部140的第1端部与上述贮液器170；第1止回阀211，其设在上述第1制冷剂配管210，仅允许从上述第1热交换部140向上述贮液器170的流动；第2制冷剂配管220，其将设在上述第1止回阀211的两端部的配管相互连接；第2开关阀221，其设在上述第2制冷剂配管220；第2膨胀阀222，其设在上述第2制冷剂配管220；第3制冷剂配管230，其将上述负载端热交换部160的第1端部与上述贮液器170相互连接；第3止回阀231，其设在上述第3制冷剂配管230，仅允许从上述负载端热交换部160向上述贮液器170的流动；第3开关阀232，其设在上述第3制冷剂配管230，并且设在上述负载端热交换部160与上述第3止回阀231之间；第4制冷剂配管240，其将设在上述第3止回阀232的两端部的配管相互连接；第4开关阀241，其设在上述第4制冷剂配管240；第4膨胀阀242，其设在上述第4制冷剂配管240；第5制冷剂配管250，其将上述第2热交换部150的第1端部与上述第3制冷剂配管230相互连接，并且被连接于上述第3制冷剂配管230的部位处于上述第3止回阀231与上述第3开关阀232之间；第5开关阀251，其设在上述第5制冷剂配管250；第6制冷剂配管260，其将上述第2热交换部150的第2端部与上述第3制冷剂配管230相互连接，并且被连接于上述第3制冷剂配管230的部位处于上述第3开关阀232与上述第2热交换部150之间；第6开关阀261，其设在上述第6制冷剂配管260；第7制冷剂配管270，其将上述压缩机130的入口与上述第5制冷剂配管250相互连接，并且被连接于上述第5制冷剂配管250的部位处于上述第5开关阀251与上述第2热交换部150之间；第7开关阀271，其设在上述第7制冷剂配管270；第8制冷剂配管280，其将上述第7制冷剂配管270与上述第6制冷剂配管260相互连接，并且被连接于上述第7制冷剂配管270的部位处于上述第7开关阀271与上述压缩机130之间，被连接于上述第6制冷剂配管260的部位处于上述第6开关阀261与上述第2热交换部150之间；第8－1开关阀281，其设在上述第8制冷剂配管280；第8－2开关阀282，其设在上述第8制冷剂配管280；四通阀180，其在制冷模式下连接上述压缩机130的出口与上述第1热交换部140的第2端部，并且连接上述负载端热交换部160的第2端部、与上述第8－1开关阀281和第8－2开关阀282之间的第8制冷剂配管280，在制热模式下连接上述压缩机130的出口与上述负载端热交换部160的第2端部，并且连接上述第1热交换部140的第2端部、与上述第8－1开关阀281和第8－2开关阀282之间的第8制冷剂配管280。

就上述而言，上述热交换机构可以是位于地下且存储水的水槽，此时，上述第1热交换部140及上述第2热交换部150设在上述水槽中，介由水来互相进行热交换。并且，位于地下的水槽具有由于地热而要维持一定温度范围的恒温性。

就上述而言，上述水槽可以被划分为第1水槽110和第2水槽120，所述第1水槽110位于地下且储存水，所述第2水槽120位于地下且储存水，上述第1热交换部140设在上述第1水槽110中，上述第2热交换部150设在上述第2水槽120中，使上述第1水槽110的水与上述第2水槽120的水互相进行热交换，从而上述第1热交换部140与上述第2热交换部150也可以互相进行热交换。

就上述而言，上述第1水槽110及上述第2水槽120可以将一个水槽由形成有多个孔的分隔壁115划分而形成。

如上所述的本发明提供用于吸收地热或者向地中放热的地中热交换部可以更加有效地利用地热的利用地热的热泵系统。

附图说明

图1是基于现有技术的利用地热的热泵系统的系统结构图。

图2是适用本发明一实施例的利用地热的热泵系统的系统图。

图3是本发明一实施例的夏季工作图。

图4是本发明一实施例的冬季工作图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明，以使本发明所属技术领域的普通技术人员可以容易实施。但是，本发明可以体现为多种相异的形态，并不局限于在这里说明的实施例。而且，为了在附图中明确说明本发明，而省略了与说明无关的部分，在说明书全文中对类似的部分赋予了类似的附图标记。

在说明书全文中，某部分“包括”某结构部件时，只要没有相反的记载，意味着并非将其他结构部件排除在外，而是还可以包括其他结构部件。

图2是适用本发明一实施例的利用地热的热泵系统的系统图，图3是本发明一实施例的夏季工作图，图4是本发明一实施例的冬季工作图。

首先参照图2对本实施例的主要结构进行说明后，参照图3及图4对其工作进行说明。

首先，对本实施例的主要设备进行说明。

具有：第1水槽110，位于地下，用于储存水；以及第2水槽120，位于地下，用于储存水。

根据实施例，第1水槽110和第2水槽120可以是互相相同的水槽。

只是在本实施例中，一个水槽由形成有多个孔的分隔壁115而形成第1水槽110及上述第2水槽120。

因此是第1水槽110的水和第2水槽120的水互相稍微流动的同时可以进行热交换的状态。

此外，第1水槽110及第2水槽120的水处于总是受到地热的状态，从而受到地热的恒温性的影响。

在第1水槽110设有第1热交换部140，并且在第2水槽120设有第2热交换部150。

因此，第1热交换部140和第2热交换部150，可以认为处于介由第1水槽110的水和第2水槽120的水而互相进行热交换的状态。

由于第1地中热交换部140、第2地中热交换部150可以介由水来吸收/释放地热，从而其热传递效率非常优秀。

压缩机130压缩气体状态的制冷剂。

在负载端设有负载端热交换部160。通常室内热交换器可以是负载端热交换部。

设有用于储存已液化的制冷剂的贮液器170。

并且设有四通阀180。

设有用于连接第1热交换部140的第1端部与贮液器170的第1制冷剂配管210。

在第1制冷剂配管210设有仅允许从第1热交换部140向上述贮液器170的流动的第1止回阀211。

设有用于互相连接设在第1止回阀211的两端部的配管的第2制冷剂配管220。

在第2制冷剂配管220设有第2开关阀221及第2膨胀阀222。

设有用于连接负载端热交换部160的第1端部与贮液器170的第3制冷剂配管230。

在第3制冷剂配管230设有用于仅允许从负载端热交换部160向贮液器170的流动的第3止回阀231。

并且，在第3制冷剂配管230的负载端热交换部160与第3止回阀231之间设有第3开关阀232。

设有用于连接设在第3止回阀232的两端部的配管的第4制冷剂配管240。

在上述第4制冷剂配管240设有第4开关阀241及第4膨胀阀242。

设有用于互相连接第2热交换部150的第1端部与上述第3制冷剂配管230的第5制冷剂配管250。

第5制冷剂配管250被连接于第3制冷剂配管230的部位，处于第3止回阀231与上述第3开关阀232之间。

在第5制冷剂配管250设有第5开关阀251。

设有用于互相连接第2热交换部150的第2端部与第3制冷剂配管230的第6制冷剂配管260。

第6制冷剂配管260被连接于第3制冷剂配管230的部位，处于第3开关阀232与第2热交换部150之间。

在第6制冷剂配管260设有第6开关阀261。

设有用于互相连接压缩机130的入口与第5制冷剂配管250的第7制冷剂配管270。

第7制冷剂配管270被连接于第5制冷剂配管250的部位，处于第5开关阀251与第2热交换部150之间。

在第7制冷剂配管270设有第7开关阀271。

设有用于互相连接第7制冷剂配管270与第6制冷剂配管260的第8制冷剂配管280。

第8制冷剂配管280被连接于第7制冷剂配管270的部位，处于第7开关阀271与压缩机130之间。

并且，第8制冷剂配管28被连接于第6制冷剂配管260的部位，处于第6开关阀261与第2热交换部150之间。

在第8制冷剂配管280设有第8－1开关阀281和第8－2开关阀282。

对如上所述的制冷剂配管，四通阀180借助控制部的控制根据制冷模式（夏季）和制热模式（冬季）来连通互相不同的制冷剂配管。

即，四通阀180在制冷模式下将压缩机130的出口与第1热交换部140的第2端部相互连接，并且将负载端热交换部160的第2端部、与第8－1开关阀281与第8－2开关阀282之间的第8制冷剂配管280相互连接。

并且，四通阀180在制热模式下将压缩机130的出口与负载端热交换部160的第2端部相互连接，并且将第1热交换部140的第2端部、与第8－1开关阀281与第8－2开关阀282之间的第8制冷剂配管280相互连接。

并且，设有将第2水槽120的水作为热源媒介供应给各种负载端之后，向上述第1水槽110回收的热水供应配管310、320。

通过第1热水供应配管310供应的水，吸收冷库的底部冷能和前室出入口的底部冷能之后，向第1水槽110回收。

通过第2热水供应配管320供应的水，为了对负载端热交换部160进行除霜而供应，吸收冷能之后向第1水槽110回收。

并且，在第1水槽110设有电加热器340，以防止第1水槽110的水异常冷却，并且在第1水槽110设有冷却塔用配管330，以防止第1水槽110的水异常过热。

冷却塔用配管330将第1水槽110的水供应给冷却塔331进行冷却之后，向第2水槽120回收。

对如上所述的本热泵系统的动作进行说明。

在夏季，本热泵系统执行制冷。即，负载端热交换部160向室内供应冷能。

此时，本热泵系统的制冷剂的变化形成压缩->冷凝->膨胀->第1次蒸发->第2次蒸发->压缩的循环系统。

在压缩机130被压缩的高温高压的制冷剂气体，经过四通阀180向第1热交换部140的第2端部流入，在第1热交换部140被冷凝。

此时，由于第1热交换部140维持比较低的温度，从而可以维持较低的冷凝温度，因此，因制冷系数（C.O.P=冷冻效果/压缩载荷）非常高，从而可以进行非常经济的运行。

在第1热交换部140被冷凝的制冷剂经过第1制冷剂配管210储存于贮液器170。

储存于贮液器170的制冷剂，经过第4制冷剂配管240的同时，借助第4膨胀阀242膨胀之后经过第3制冷剂配管230，在负载端热交换部160进行第1次蒸发。

经过负载端热交换部160的制冷剂，经过四通阀180通过第8制冷剂配管280及第6制冷剂配管260向第2热交换部150的第2端部流入。

制冷剂在第2热交换部150进行第2次蒸发。

此时，第2热交换部150起到使向压缩机130流入的制冷剂完全蒸发以使液状的制冷剂不存在的作用，由此第2水槽120的水可以维持更低的温度，与此联动，第1水槽110的水也可以维持更低的温度，结果可以降低在第1水槽110的第1热交换部140冷凝的制冷剂的冷凝温度，从而提高整体系统的效率。

经过第2热交换部150的制冷剂，通过第7制冷剂配管270向压缩机130流入，之后的过程就是反复之前说明的循环。

另一方面，第1热水供应配管310、第2热水供应配管320，使水经过各种负载端，接收冷能而被冷却之后，向第1水槽110回收，从而使第1水槽110的水能够维持更低的温度。

并且，在第1水槽110的水异常过热的情况下，启动冷却塔用配管330而使第1水槽110的水在冷却塔331冷却之后向第2水槽120回收。

在冬季，本热泵系统执行制热。即，负载端热交换部160向室内供应热能。

此时，本热泵系统的制冷剂的变化形成压缩->第1冷凝->第2冷凝->膨胀->蒸发->压缩的循环系统。

在压缩机130被压缩的高温高压的制冷剂气体，经过四通阀180向负载端热交换部160的第2端部流入，在负载端热交换部160首先进行冷凝。

即，负载端热交换部160起到冷凝器的作用的同时向室内供应热能。

经过负载端热交换部160的制冷剂，经由第6制冷剂配管260通过第2热交换部150的第2端部向第2热交换部150流入。

此时，第2热交换部150使未在负载端热交换部160冷凝的剩余制冷剂完全冷凝。

经过第2热交换部150的制冷剂，经由第5制冷剂配管250及第3制冷剂配管230储存于贮液器170。

贮液器170的制冷剂在第2制冷剂配管220的第2膨胀阀222膨胀之后，通过第1制冷剂配管210向第1热交换部140流入。

向第1热交换部140流入的制冷剂，蒸发的同时从第1水槽110吸收热，之后经由四通阀180及第8制冷剂配管280、第7制冷剂配管270向压缩机130流入。

之后反复如上所述的循环。

另一方面，第1热水供应配管310、第2热水供应配管320，使第2水槽120的水经由各种负载端的同时接受冷能进行冷却之后，向第1水槽110回收。由此，第1水槽110的水可以被更加冷却。

在由于这样的结构而造成第1水槽110的水被异常冷却的情况下，可以驱动电加热器340而防止第1水槽110的水被过冷却。

如上所述，第1热交换部140及第2热交换部150，不仅通过第1水槽110、第2水槽120互相进行热交换，而且由于第1水槽110、第2水槽120位于地下，受地热而具有一定程度的恒温性，因此可以将第1热交换部140、第2热交换部150视为与地热进行热交换的地中热交换部，地中热交换部通过与液体（水槽的水）的接触来使其热交换效率增大。

如上所述的本系统，第1热交换部、第2热交换部借助热交换机构互相进行热交换，从而提高整体热泵系统的效率，并且第1热交换部、第2热交换部淹没在位于地下的水槽，以此来利用地热。

上述的本发明的说明是用于例示的，本发明所属技术领域的普通技术人员可以理解，在不对本发明的技术思想或必要的特征进行变更的情况下可以容易变形为其他具体形态。因此，应理解以上所述的多个实施例在所有方面仅是例示性的，并不局限于此。例如，以单一型说明的各结构部件可以分散实施，同样，说明为分散的结构部件能够以结合的形态实施。

本发明的范围，应借助以下权利要求书来呈现而非上述详细的说明，应解释为从专利权利要求书的意思、范围及其等同概念导出的所有变更或者变形的形态都包括在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种利用地热的热泵系统，其特征在于，包括：

压缩机（130），其压缩制冷剂；

第1热交换部（140）；

热交换机构，其与上述第1热交换部（140）进行热交换；

第2热交换部（150），其通过与上述热交换机构的热交换来与上述第1热交换部（140）进行热交换；

负载端热交换部（160），其设在负载端；

贮液器（170），其储存已液化的制冷剂；

第1制冷剂配管（210），其连接上述第1热交换部（140）的第1端部与上述贮液器（170）；

第1止回阀（211），其设在上述第1制冷剂配管（210），仅允许从上述第1热交换部（140）向上述贮液器（170）的流动；

第2制冷剂配管（220），其将设在上述第1止回阀（211）的两端部的配管相互连接；

第2开关阀（221），其设在上述第2制冷剂配管（220）；

第2膨胀阀（222），其设在上述第2制冷剂配管（220）；

第3制冷剂配管（230），其将上述负载端热交换部（160）的第1端部与上述贮液器（170）相互连接；

第3止回阀（231），其设在上述第3制冷剂配管（230），仅允许从上述负载端热交换部（160）向上述贮液器（170）的流动；

第3开关阀（232），其设在上述第3制冷剂配管（230），并且设在上述负载端热交换部（160）与上述第3止回阀（231）之间；

第4制冷剂配管（240），其将设在上述第3止回阀（232）的两端部的配管相互连接；

第4开关阀（241），其设在上述第4制冷剂配管（240）；

第4膨胀阀（242），其设在上述第4制冷剂配管（240）；

第5制冷剂配管（250），其将上述第2热交换部（150）的第1端部与上述第3制冷剂配管（230）相互连接，并且被连接于上述第3制冷剂配管（230）的部位处于上述第3止回阀（231）与上述第3开关阀（232）之间；

第5开关阀（251），其设在上述第5制冷剂配管（250）；

第6制冷剂配管（260），其将上述第2热交换部（150）的第2端部与上述第3制冷剂配管（230）相互连接，并且被连接于上述第3制冷剂配管（230）的部位处于上述第3开关阀（232）与上述第2热交换部（150）之间；

第6开关阀（261），其设在上述第6制冷剂配管（260）；

第7制冷剂配管（270），其将上述压缩机（130）的入口与上述第5制冷剂配管（250）相互连接，并且被连接于上述第5制冷剂配管（250）的部位处于上述第5开关阀（251）与上述第2热交换部（150）之间；

第7开关阀（271），其设在上述第7制冷剂配管（270）；

第8制冷剂配管（280），其将上述第7制冷剂配管（270）与上述第6制冷剂配管（260）相互连接，并且被连接于上述第7制冷剂配管（270）的部位处于上述第7开关阀（271）与上述压缩机（130）之间，被连接于上述第6制冷剂配管（260）的部位处于上述第6开关阀（261）与上述第2热交换部（150）之间；

第8－1开关阀（281），其设在上述第8制冷剂配管（280）；

第8－2开关阀（282），其设在上述第8制冷剂配管（280）；以及

四通阀（180），其在制冷模式下连接上述压缩机（130）的出口与上述第1热交换部（140）的第2端部，并且连接上述负载端热交换部（160）的第2端部、与上述第8－1开关阀（281）和第8－2开关阀（282）之间的第8制冷剂配管（280），在制热模式下连接上述压缩机（130）

的出口与上述负载端热交换部（160）的第2端部，并且连接上述第1热交换部（140）的第2端部、与上述第8－1开关阀（281）和第8－2开关阀（282）之间的第8制冷剂配管（280）。

2.根据权利要求1所述的利用地热的热泵系统，其特征在于，

上述热交换机构为位于地下且储存水的水槽，

上述第1热交换部（140）及上述第2热交换部（150）设在上述水槽中。

3.根据权利要求2所述的利用地热的热泵系统，其特征在于，

上述水槽被划分为位于地下且储存水的第1水槽（110）、和位于地下且储存水的第2水槽（120），

上述第1热交换部（140）设在上述第1水槽（110）中，

上述第2热交换部（150）设在上述第2水槽（120）中，

上述第1水槽（110）的水与上述第2水槽（120）的水互相进行热交换。

4.根据权利要求3所述的利用地热的热泵系统，其特征在于，

上述第1水槽（110）及上述第2水槽（120）是将一个水槽由形成有多个孔的分隔壁（115）划分而成。

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