CN103776199A - 具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，包括水源燃气热泵机组，其特征在于：所述水源燃气热泵机组分别通过热泵机组地源水电动阀、热泵机组电动阀和热回收检修关断阀连接有地埋管换热器、风机盘管和生活热水换热水箱，所述风机盘管连接有新风机组，所述生活热水换热水箱连接有太阳能集热器。本发明的有益效果为：本发明利用地埋管换热系统作为燃气热泵的冷热源，可提高系统运行效率，节约系统能耗；可利用新风机组进行地埋管换热器的热平衡主动恢复，可消除地埋管换热器冷热积聚,延长地埋管换热器高效运行的寿命周期；本发明设有系统控制器，可科学合理控制系统制取生活热水和进行热平衡恢复。

Description

具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，尤其涉及一种具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统。

背景技术

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的高效节能环保的新型空调技术。地源热泵是利用地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，通过深埋于建筑物周围或底板下的管路系统，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移，使地下岩土体与建筑物完成热交换的一种技术。地源热泵空调系统主要分为三个部分：室外地埋管换热系统、热泵机组系统和室内采暖空调末端系统。通过室外地埋管换热系统，冬季，热泵机组从地下岩土体中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地地下岩土体中，实现建筑物空调制冷。由于地埋管换热系统为热泵机组提供的冷源水和热源水的温度接近地下温度，在夏季低于室外空气温度，在冬季高于室外空气温度，所以地源热泵相较传统的风冷热泵空调系统，能效比更高，能够显著节约能源。 

地埋管换热器的热平衡和温度恢复问题，对于整个地源热泵空调系统的节能效果和经济效益，有着关键性的影响。现有的地源热泵地埋管换热器，在运行当中极易出现向地下排热或取热的不平衡问题，导致地下土壤出现热积聚或冷积聚，地下温度无法恢复合理的范围，地埋管换热器的供回水温度在供冷季偏高、在供暖季偏低，从而严重降低现有地源热泵系统的运行效率，甚至导致系统失效。在当前有关地源热泵的研究和实践中，如何使地源热泵地埋管换热器排热和取热平衡，恢复所在地下土壤的温度场是亟待解决的关键问题。

燃气水源热泵:燃气水源热泵采用燃气发动机驱动压缩机，采用地下水、地表水、污水等作为冷热源，具有较高的节能效果，其优点为：①燃气发动机驱动的热泵机组相对于传统热泵机组，能更充分利用燃料，具有较高的一次能源利用率。②燃气发动机驱动的压缩机可以连续改变转速，实现制冷量的连续调节，而且制冷压缩机的性能系数保持不变，因此燃气-—水源热泵的变负荷调节能力很强。③由于天然气是清洁燃料，在燃烧过程中不产生灰渣，燃烧后的排放物较少，能够减少温室气体及大气污染物的排放量。④发展燃气空调，可以弥补城市在夏季燃气用量的低谷，起到调峰作用。⑤冬季运行时，利用燃气发动机废热除霜，可以减少甚至免除制冷剂逆向流动融霜，提高了热泵机组供热质量及运行可靠性，提高了热泵机组的制热性能系数。能够在更低的环境温度下运行，适用于我国绝大部分地区。⑥比空气源热泵具有更高的能效比。

电驱动水源热泵与地埋管换热器组合形成的土壤源热泵系统已得到广泛应用，土壤源热泵系统中水源热泵机组使用的水源为经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水。

水源燃气热泵的缺点：1、地下水源燃气热泵不易通过政府审批，极易破坏、污染地下水资源，地下水量、水质不易达标，回灌难度大；2、地表水源燃气热泵在建筑项目附近不易找到全年稳定、丰富、水质温度适宜的地表水资源，且地表水的温度一般与室外空气温度比较接近，机组运行效率不高。

太阳能热水集热器：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到水以制取热水的装置。常用的有平板型集热器和真空管集热器。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，以解决现有的地源热泵地埋管换热器，在运行当中极易出现向地下排热或取热的不平衡，导致地下土壤出现热积聚或冷积聚，地下温度无法恢复合理的范围的问题，进而提高地源热泵系统的运行效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，包括水源燃气热泵机组，所述水源燃气热泵机组分别通过热泵机组地源水电动阀、热泵机组电动阀和热回收检修关断阀连接有地埋管换热器、风机盘管和生活热水换热水箱，水源燃气热泵机组上设有排烟管，所述水源燃气热泵机组与地埋管换热器之间设有地埋管循环泵，水源燃气热泵机组与风机盘管之间设有空调水循环泵，所述空调水循环泵连接有风机盘管和新风机组，新风机组通过新风机组地源水电动阀与地源水连接，所述风机盘管和新风机组处分别设有风盘系统总电动阀和新风机组空调水电动阀，所述生活热水换热水箱连接有太阳能集热器，生活热水换热水箱和太阳能集热器之间设有太阳能检修关断阀和太阳能集热循环泵，生活热水换热水箱通过空调水制热水电动阀与所述风机盘管和新风机组连接；所述地埋管换热器、生活热水换热水箱、太阳能集热器上分别安装有地埋管换热器温度传感器、生活热水箱温度传感器和太阳辐射传感器；所述空调水制热水电动阀、热泵机组电动阀、风盘系统总电动阀、新风机组空调水电动阀、新风机组地源水电动阀、热泵机组地源水电动阀、热回收检修关断阀、太阳能检修关断阀、生活热水箱温度传感器、地埋管换热器温度传感器、太阳辐射传感器均与系统控制器连接并由所述系统控制器控制，所述系统控制器连接有室外温度传感器。

进一步的，所述生活热水换热水箱内置有热回收盘管换热器、太阳能盘管换热器和空调热水盘管换热器。

进一步的，所述空调水制热水电动阀、热泵机组电动阀均为电动调节阀。

进一步的，所述排烟管内设置有有毒有害气体报警器。

进一步的，所述系统控制器为基于通用PLC的智能控制器。

本发明的有益效果为：

1、运行效率高，节约能耗。相较现有燃气热泵系统,本发明使用经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水作为水源，将燃气热泵的系统和土壤源热泵系统的优点结合起来，在直接使用燃气、提高一次能源利用效率的同时，节约能源。由于地下土壤冬暖夏凉，使用地埋管换热器的循环水作为水源，可提升燃气热泵运行的效率，从而减少电力消耗。

2、不损害地下水资源。相较现有水源燃气热泵系统,本发明使用经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水作为水源，不开采地下水，不使用地表水，不损害地下水资源，避免了常用水源热泵系统破坏地下水和地表水资源的通病，在节能的同时保护了水环境。 

3、适用性广。相较现有水源燃气热泵系统,本发明不需使用地下水、地表水，只要建筑周边有一定的空地就可采用。 

 4、自动化程度高。各传感器可对系统的各个组件进行智能控制，相较现有水源燃气热泵系统，热回收和制取生活热水的自动化程度高，控制科学、合理。

5、具有太阳能制热水功能，热水制备三重保险。相较现有技术，本发明可在过渡季机组停机时或机组余热不足时利用太阳能制取热水。当在冬季机组的回收热量也不足且太阳能受天气影响也集热不足时，本发明也可直接利用水源燃气热泵机组制取的空调循环水通过进入生活热水换热水箱制取热水。

6、具有地埋管换热器热平衡主动恢复功能。相较现有技术，本发明设有新风机组地源水电动阀及其相应管路、还设有地埋管换热器温度传感器，在系统控制器的控制下，可利用新风机组进行地埋管换热器的热平衡主动恢复，可消除地埋管换热器冷热积聚, 延长地埋管换热器高效运行的寿命周期。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统的结构示意图。

图中：

1、水源燃气热泵机组；2、地埋管换热器； 3、风机盘管；4、新风机组；5、生活热水换热水箱；6、太阳能集热器；7、地埋管循环泵；8、热回收循环泵；9、空调水循环泵；10、排烟管；11、有毒有害气体报警器；12、系统控制器；13、空调水制热水电动阀；14、热泵机组电动阀；15、风盘系统总电动阀；16、新风机组空调水电动阀；17、新风机组地源水电动阀；18、热泵机组地源水电动阀；19、热回收检修关断阀；20、太阳能检修关断阀；21、太阳能集热循环泵；22、生活热水箱温度传感器；23、地埋管换热器温度传感器；24、室外温度传感器；25、太阳辐射传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例所述的具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，包括水源燃气热泵机组1，所述水源燃气热泵机组1分别通过热泵机组地源水电动阀18、热泵机组电动阀14和热回收检修关断阀19连接有地埋管换热器2、风机盘管3和生活热水换热水箱5，水源燃气热泵机组1上设有排烟管10，排烟管10内设置有毒有害气体报警器11，所述水源燃气热泵机组1与地埋管换热器2之间设有地埋管循环泵7，水源燃气热泵机组1与风机盘管3之间设有空调水循环泵9，水源燃气热泵机组1与所述生活热水换热水箱5之间设有热回收循环泵8，所述空调水循环泵8连接有所述风机盘管3和新风机组4，新风机组4通过新风机组地源水电动阀17与地源水连接，所述风机盘管3和新风机组4处分别设有风盘系统总电动阀15和新风机组空调水电动阀16，所述生活热水换热水箱5连接有太阳能集热器6，生活热水换热水箱5和太阳能集热器6之间设有太阳能检修关断阀20和太阳能集热循环泵21，生活热水换热水箱5通过空调水制热水电动阀13与所述风机盘管3和新风机组4连接；所述地埋管换热器2、生活热水换热水箱5、太阳能集热器6上分别安装有地埋管换热器温度传感器23、生活热水箱温度传感器22和太阳辐射传感器25；所述空调水制热水电动阀13、热泵机组电动阀14、风盘系统总电动阀15、新风机组空调水电动阀16、新风机组地源水电动阀17、热泵机组地源水电动阀18、热回收检修关断阀19、太阳能检修关断阀20、生活热水箱温度传感器22、地埋管换热器温度传感器23、太阳辐射传感器25均与系统控制器12连接并由系统控制器12控制，系统控制器12连接有室外温度传感器24。

在本发明中，所述水源燃气热泵机组1将地埋管换热系统作为水源燃气热泵的冷热源，水源使用经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水。

在供冷和供热季，所述热泵机组电动阀14、风盘系统总电动阀15、新风机组空调水电动阀16打开，新风机组地源水电动阀17关闭，空调水循环泵9驱动所述水源燃气热泵机组1制取的空调循环水，流经风机盘管3和新风机组4，对建筑物室内空间进行采暖、制冷和送新风。

在春秋过渡季，所述水源燃气热泵机组1停机，热泵机组电动阀14、风盘系统总电动阀15、新风机组空调水电动阀16关闭，新风机组地源水电动阀17打开，地埋管循环泵7驱动地埋管换热器2内的循环水，流经新风机组4，对建筑物室内空间送新风。由于过渡季中，室外空气的温度与地埋管循环水的温度存在温差，新风机组4在送新风的同时，可利用这种温差排除地埋管换热器2所积聚的冷量和热量，从而恢复地下的热平衡状态。如在中国北方全年供冷累积负荷大于供热累积负荷的地区，地埋管换热器2在冬季的取热量大于在夏季的放热量，可能导致地埋管换热器2的冷积聚，地埋管的供水温度可能低至8~10°C，使系统的冬季供暖效率严重下降。在这种情况下，当在春季，室外温度超过28°C，但又未到开启水源燃气热泵机组1的时间时，或者秋季，室外温度超过28°C，但水源燃气热泵机组1已进入过渡季停机时，此时室外空气的温度与地埋管供水温度的温差超过18°C。此时，建筑物室内仍有送新风的需要，需关闭所述热泵机组电动阀14、风盘系统总电动阀15、新风机组空调水电动阀16，打开新风机组地源水电动阀17，地埋管循环泵7驱动地埋管换热器2内的循环水，流经新风机组4，开启新风机组4在送新风后，在对建筑物室内空间送新风的同时，流经新风机组的室外新鲜空气与地埋管换热器循环水在超过18°C的温差下进行换热，一方面送入室内的空气失热降温、为室内送进清凉的空气，另一方面地埋管循环水得热升温、为地下补充热量，从而逐步恢复地下的热平衡状态。在以上过程当中，地埋管换热器温度传感器23测量地埋管换热器循环水的温度，室外温度传感器24测量室外温度。测得的温度信号传输至系统控制器12。系统控制器12根据以上描述采用现有技术可编制热平衡主动恢复控制程序，在水源燃气热泵机组1停机时，根据地埋管换热器温度传感器23和室外温度传感器24的信号发出控制指令，科学控制本发明的地埋管换热器热平衡主动恢复过程。

生活热水换热水箱5内置三组浸没在热水中的盘管换热器，分别为热回收盘管换热器、太阳能盘管换热器和空调热水盘管换热器。该换热水箱可将水源燃气热泵机组1内燃气发动机的余热回收制取生活热水。在热回收循环泵8的驱动下，水源燃气热泵机组1内的发动机和烟气冷却水流经生活热水换热水箱5内的热回收盘管换热器与水箱内的水换热。在空调水循环泵9的驱动下，水源燃气热泵机组1制取的空调循环水，流经所述生活热水换热水箱5内的空调热水盘管换热器与水箱内的水换热。在太阳能集热循环泵21的驱动下，太阳能集热器6制取的热水，流经生活热水换热水箱5内太阳能盘管换热器与水箱内的水换热。所述生活热水换热水箱5可采用利用现有技术制成的不锈钢或镀锌钢板保温闭式储水箱。生活热水换热水箱5内的热回收盘管换热器、太阳能盘管换热器和空调热水盘管换热器可使用铜管制作，这些盘管换热器均浸没于水箱中，直接与水箱中的水进行换热。

太阳能集热器6可以采用现有产品。本发明设有太阳辐射传感器25，该传感器将测得的太阳辐射强度信号传送至系统控制器12，当该传感器测得太阳辐射强度达到设定值时（该设定值可根据各地情况的具体确定），系统控制器12发出控制指令启动所述系统控制器12，根据生活热水箱温度传感器22、室外温度传感器24、太阳辐射传感器25的参数，控制地埋管循环泵7、热回收循环泵8、空调水循环泵9、空调水制热水电动阀13、热泵机组电动阀14、太阳能集热循环泵21动作，科学合理控制系统制取生活热水。

具体制取生活热水控制策略为三种工况：

（a）在夏季、供冷季，机组处于供冷工况时，通过人工设定或接收楼控系统信号将本发明系统控制器12切换到机组供冷时对应工况。即本发明使用生活热水换热水箱5将水源燃气热泵机组1内燃气发动机的余热回收制取生活热水，空调水制热水电动阀13处于关断状态，所述热回收循环泵8根据生活热水箱温度传感器22的温度值运行，热水箱温度传感器温度值低于高限设定值（比如58度）时启动运行，热水箱温度传感器温度值高于高限设定值（比如58度）时停机。在此期间，太阳能热水系统根据太阳辐射传感器25的信号运行,具体控制参数值可根据太阳能集热器厂家的要求确定。同时，在供冷季，所述空调水制热水电动阀13关闭，热泵机组电动阀14保持开启不影响系统供冷。

 (b)在冬季或过渡季，机组处于供热工况时，通过人工设定或接收楼控系统信号将本发明系统控制器12切换到机组供热时对应工况。即本发明优先使用生活热水换热水箱5将水源燃气热泵机组1内燃气发动机的余热回收制取生活热水，所述热回收循环泵8根据生活热水箱温度传感器22的温度值运行，热水箱温度传感器温度值低于高限设定值（比如58度）时启动运行，热水箱温度传感器温度值高于高限设定值（比如58度）时停机。在此期间，太阳能热水系统根据太阳辐射传感器25的信号运行,具体控制参数值可根据太阳能集热器厂家的要求确定。当热水箱温度值继续下降低于低位设定值（比如45度）时，系统控制器12向空调水制热水电动阀13发出开启信号，以最小开度开启该阀，并确认水源燃气热泵机组1和空调水循环泵9的运行状态。在空调水循环泵9的驱动下，、水源燃气热泵机组1提供的空调热水一部分流向风机盘管3和新风机组4，另一部分旁通流经生活热水换热水箱5内的热回收盘管换热器与水箱内的水换热,制取生活热水。空调热水供水旁通后，空调热水的回水温度下降，所述水源燃气热泵机组1自带的机组控制系统可根据回水温度的变化自动增加机组的供热量，保证室内的空调效果和热水制取效果。如以最小开度开启空调水制热水电动阀13后，生活热水箱温度传感器19的温度值继续下降至设定下限值（比如42度），则系统控制器12向空调水制热水电动阀13发出控制指令，以设定的最大开度开启该阀。

（c）在过渡季，建筑物空调系统停机时，设定水源燃气热泵机组1为供热工况，并通过人工设定或接收楼控系统信号将本发明系统控制器12切换到空调系统停机时对应工况。即本发明使用水源燃气热泵机组1的热水供水和内燃气发动机的余热以及机组提供的空调供热水同时制取生活热水。所述水源燃气热泵机组1和热回收循环泵8、空调水循环泵9根据生活热水箱温度传感器22的温度值运行，热水箱温度传感器温度值低于高限设定值（比如58度）时热回收循环泵8、空调水循环泵9启动运行，热水箱温度传感器温度值高于高限设定值（比如58度）时停机。空调水制热水电动阀13保持最大开度开启。

本发明所述热回收换热器检修关断阀19可在检修换热器时关断。太阳能检修关断阀20，可在系统需检修时关断。

本发明所述地埋管循环泵7和空调水循环泵9在所述水源燃气热泵机组1开机时运行，且其启动应先于所述水源燃气热泵机组1。

本发明所述空调水制热水电动阀13、热泵机组电动阀14均为电动调节阀，可根据控制信号调节阀门开度，并可根据空调热水盘管换热器和空调末端、生活热水换热器与热回收换热器水力平衡的需要，预先调节，预先确定设定的最大开度。

所述水源燃气热泵机组1一般设有四通换向阀，并配有机组控制系统。在冬季和过渡季，由人工或建筑物楼控系统通过机组自带控制系统控制水源燃气热泵机组1，将其由供冷工况状态切换至供热工况状态。夏季机组处于供冷工况，无法通过生活热水换热水箱5内的空调热水盘管换热器为制取生活热水提供热量，但是夏季室外温度较高，自来水温较高，洗浴用水温度需求较低，且空调负荷大，燃气消耗量大，一般通过生活热水换热水箱5内的热回收盘管换热器回收的燃气热泵机组的发动机散热和烟气余热结合，以及太阳能盘管换热器提供的太阳能热量即可满足生活热水的热需求。

所述空调水制热水电动阀13以设定的最大开度开启，指的是以可保证空调热水盘管换热器和空调末端、空调热水盘管换热器与热回收盘管换热器水力平衡的需要为标准而设定的最大开度开启。这个开度可在建筑物具体应用时，根据建筑物空调系统和热水系统的具体情况，按现有技术进行水力计算后确定。

所述系统控制器12可使用现有技术制成，比如使用基于通用PLC的智能控制器制成，控制程序可使用PLC厂家配套的开发工具根据上述三种工况的控制策略编制。

所述生活热水箱温度传感器22可使用Pt100铂电阻、配套温度变送器制成，可向系统控制器12传送生活热水换热水箱5内的热水温度。

本发明在所述排烟管10出口设有有毒有害气体报警器11，当水源燃气热泵机组1由于燃烧不充分、燃烧机未及时清理等原因而造成烟气排防不达标时（如CO、NO_X、SO₂浓度超标），该报警器可向建筑物内消防系统发出报警信号。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，包括水源燃气热泵机组（1），其特征在于：所述水源燃气热泵机组（1）分别通过热泵机组地源水电动阀（18）、热泵机组电动阀（14）和热回收检修关断阀（19）连接有地埋管换热器（2）、风机盘管（3）和生活热水换热水箱（5），水源燃气热泵机组（1）上设有排烟管（10），所述水源燃气热泵机组（1）与地埋管换热器（2）之间设有地埋管循环泵（7），水源燃气热泵机组（1）与风机盘管（3）之间设有空调水循环泵（9），水源燃气热泵机组（1）与所述生活热水换热水箱（5）之间设有热回收循环泵（8），所述空调水循环泵（8）连接有所述风机盘管（3）和新风机组（4），新风机组（4）通过新风机组地源水电动阀（17）与地源水连接，所述风机盘管（3）和新风机组（4）处分别设有风盘系统总电动阀（15）和新风机组空调水电动阀（16），所述生活热水换热水箱（5）连接有太阳能集热器（6），生活热水换热水箱（5）和太阳能集热器（6）之间设有太阳能检修关断阀（20）和太阳能集热循环泵（21），生活热水换热水箱（5）通过空调水制热水电动阀（13）与所述风机盘管（3）和新风机组（4）连接；所述地埋管换热器（2）、生活热水换热水箱（5）、太阳能集热器（6）上分别安装有地埋管换热器温度传感器（23）、生活热水箱温度传感器（22）和太阳辐射传感器（25）；所述空调水制热水电动阀（13）、热泵机组电动阀（14）、风盘系统总电动阀（15）、新风机组空调水电动阀（16）、新风机组地源水电动阀（17）、热泵机组地源水电动阀（18）、热回收检修关断阀（19）、太阳能检修关断阀（20）、生活热水箱温度传感器（22）、地埋管换热器温度传感器（23）、太阳辐射传感器（25）均与系统控制器（12）连接，系统控制器（12）连接有室外温度传感器（24）。

2.根据权利要求1所述的具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，其特征在于：所述生活热水换热水箱（5）内置有热回收盘管换热器、太阳能盘管换热器和空调热水盘管换热器。

3.根据权利要求2所述的具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，其特征在于：所述空调水制热水电动阀（13）、热泵机组电动阀（14）均为电动调节阀。

4.根据权利要求3所述的具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，其特征在于：所述排烟管（10）内设置有有毒有害气体报警器（11）。

5.根据权利要求4所述的具有热平衡主动恢复功能的土壤源燃气热泵系统，其特征在于：所述系统控制器（12）为基于通用PLC的智能控制器。

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