CN103836777B - 混合式地源热泵用管路控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了混合式地源热泵用管路控制结构，主要由热泵机组、水泵、土壤源换热器、冷却塔、换热器、管路、电动阀门及自动控制模块等组成；其既能进行独立的土壤耦合地源热泵运行方案，又可根据室内外温湿度情况，由上位机控制系统，通过电磁阀的开关，进行独立运行冷却塔(包含闭式、开式)运行方案、土壤源换热器及冷却塔(包含闭式、开式)系统共同换热（串联、并联）运行方案、土壤源换热器与冷却塔相互间换热运行方案等；本发明对一台冷热源机组，采用不同的冷却或取热方式，多种运行方案的组合，以提高其气候、地域的适用性，提高运行效率。本混合式地源热泵用管路系统能实现多种运行方案，以提高热泵机组的运行效率，扩展了地源热泵系统使用地域。

Description

混合式地源热泵用管路控制结构

技术领域

本发明涉及一种制冷、制热用的管路控制结构，尤其是混合式地源热泵用管路控制结构，属于可再生能源利用领域。

背景技术

现有技术中，从节约能源的角度考虑，采用地源热泵系统（土壤源热泵系统）来提供冷热水，以便在夏天向用户提供温度较低的冷空气，在冬天向用户提供温度较高的热空气，以满足建筑物等对温度调节的需要。由于土壤源热泵系统的自身特点而有其适用的最佳地域范围，即冬夏冷热负荷相当的地区。在寒冷地区由于冬季供热负荷大于夏季供冷负荷，造成热泵从地下土壤的吸热量大于夏季向土壤的排热量，致使土壤温度有可能逐渐降低，从而冬季使用时，地源热泵机组的蒸汽温度降低，系统供热量下降，效率降低；同理，对于南方地区，由于夏季空调制冷负荷大于冬季供暖负荷，可能造成地下土壤的温度越来越高，从而使得机组的冷凝温度提高，致使制冷量减少，耗功率上升。因此，维持地源热泵地下埋管换热器的吸、排热平衡，是地源热泵系统正常、高效运行的可靠保证。另一方面，为了满足负荷的需要，势必要加大土壤换热器的配置，将导致土壤源热泵系统的初投资增加，也增大了埋管的占地面积，较高的一次性投资限制了地源热泵的应用和发展。为了克服这一不足，同时达到减小初投资费用的目的，目前广泛采用的是混合式地源热泵系统。混合式地源热泵是在地埋管循环管路的基础上并联或串联一个辅助的散热或加热设备，按照一定的控制策略运行，以承担冷热负荷的差额部分，从而解决取放热量不平衡的问题。辅助设备会消耗额外的电能，并增加维护费用，需要通过建立合理的控制策略，使这部分费用远小于其所节省的初投资和运行费用。目前国内可见的带有冷却塔辅助散热系统的冷却塔一地源热泵系统，带有太阳能集热器辅助加热的太阳能一地源热泵系统；此外，地表水源热泵与土壤源耦合热泵集成系统也已经受到了广泛地关注。因此，基于地源热泵技术发展的现状，结合工程实际，现有技术中还没有效果令人满意的混合式地源热泵用管路控制系统，能方便地实现混合式地源热泵系统的多种运行模式。

发明内容

本发明专利针对目前地源热泵技术发展现状及存在的问题，提供了一种对混合式地源热泵的运行方式进行控制的管路结构；通过管路结构的控制，可实现混合式地源热泵多种运行方案，通过不同方案的比较，可进一步探索混合式地源热泵系统最佳运行控制方式及设备容量配置，以确定混合热泵源技术在我不同地区应用的有效性及最佳配置，提高地源热泵系统的能量利用率和经济性。

本发明专利的技术方案：混合式地源热泵用管路控制结构，主要包括热泵机组、换热器、水泵、土壤源换热器、冷却塔、管路、电动阀门及自动控制模块等组成；在热泵机组背离用户空调设备一侧的热泵第一管路上设置地埋管侧水泵；在地埋管侧水泵前端的管路上，设置第八电磁阀，在第八电磁阀的前面与后面的管路上，分别并联设置第一并联管路和第二并联管路；第一并联管路上设置第九电磁阀，并与土壤源换热第一管路联通；第二并联管路上设置第七电磁阀，并与土壤源换热第二管路联通；地埋管侧水泵后端所在管路，同时与土壤源换热第一管路、土壤源换热第二管路联通，其与土壤源换热第一管路之间设置第二电磁阀后相联通，在土壤源换热第二管路上，设置第一电磁阀和第四电磁阀，地埋管侧水泵后端所在管路连接在第一电磁阀和第四电磁阀中间的管路上；在土壤源换热第二管路上，设置第六电磁阀，第二并联管路连接在第六电磁阀与第四电磁阀中间的管路上；土壤源换热第一管路上设置第三电磁阀和第五电磁阀，热泵第二管路上设置第十电磁阀，热泵第二管路连接在土壤源换热第一管路的第三电磁阀和第五电磁阀中间的管路上；

换热器的一端分别与土壤源换热第一管路和土壤源换热第二管路连接，形成回路；换热器的另一端与辅助换热设备相连接，形成回路；辅助换热设备侧水泵设置在换热器与辅助换热设备之间的辅助换热设备侧管路上。

本发明的混合式地源热泵用管路系统既能进行独立的土壤耦合地源热泵运行方案，又可根据室内外温湿度情况，由上位机控制系统，通过电磁阀的开关，进行独立运行冷却塔(包含闭式、开式)运行方案、地埋管及冷却塔(包含闭式、开式)系统共同换热（串联、并联）运行方案、土壤源换热器与冷却塔相互间换热运行方案（土壤直接与室外空气换热）等多种运行方案的组合，且相互间不产生干扰。

相对于现有技术，本发明专利具有如下特点：

1、综合性强：混合式地源热泵用管路系统可根据室内外气象参数及节能控制要求，由上位机控制系统，通过电动阀门的开关，可实现地源热泵多种运行模式。

2、控制灵活：采用电动阀门进行管路控制，通过上位机，对不同的地源热泵运行方式进行组合。

3、实效性强：本发明针对混合地源热泵系统的特点，从提高系统整体运行效率为出发点，有针对性地构建混合式地源热泵系统多种运行控制方式，以扩展混合冷热源技术在我不同地区应用的有效性。

4、本发明对一台冷热源机组，采用不同的冷却或取热方式，以提高其气候、地域的适用性，提高运行效率。

附图说明

图1是本发明混合式地源热泵用管路控制结构实施例简图；

图中：1—热泵机组，2—辅助换热设备侧水泵，3—冷冻水泵，4—地埋管侧水泵，5—换热器，6—第一电磁阀，7—第二电磁阀，8—第三电磁阀，9—第四电磁阀，10—第五电磁阀，11—第六电磁阀，12—第七电磁阀，13—第八电磁阀，14—第九电磁阀，15—第十电磁阀，21—用户空调设备，22—用户空调设备侧管路，23—土壤源换热设备，25—辅助换热设备，26—辅助换热设备侧管路；30—热泵第一管路，31—热泵第二管路，32—第一并联管路，33—第二并联管路，34—土壤源换热第一管路，35—土壤源换热第二管路。

具体实施方式

如图1中，本发明的混合式地源热泵用管路控制结构实施例。

本发明管路控制结构，包括热泵机组1、换热器5、用户空调设备21、土壤源换热设备23、辅助换热设备25以及连接管路，在连接管路上设置有若干个（多个）水泵和电磁阀（电磁控制阀），辅助换热设备侧水泵2设置在辅助换热设备25的连接管路上，向辅助换热设备25与换热器5之间的管路提供动力，使管路内的流体流动；冷冻水泵3设置在热泵机组1与用户空调设备21之间的连接管路上，向热泵机组1与用户空调设备21之间的管路提供动力，使管路内的流体流动；地埋管侧水泵4设置在热泵机组1与土壤源换热设备23的管路上（土壤源换热器管路），向管路提供动力，使管路内的流体流动。若干个电磁阀分别设置在相应的管路上，控制该这一段管路的通断；根据需要，可以设置一个上位机（微电脑或微处理器、单片机等）来统一控制每个泵和电磁阀的开关或关闭，即通过线路将每个泵和电磁阀相连接，在程序控制下，分别向每个泵或电磁阀发出控制信号，泵和电磁阀相应打开或关闭，使相应管路和设备产生动作，实现流体在管道内的受控流动。

在热泵机组1背离用户空调设备21的一侧的两条连接管路上，即热泵第一管路30和热泵第二管路31之中的一条管路上，图中是热泵第一管路30上，设置地埋管侧水泵4，在地埋管侧水泵4前端的管路上，设置第八电磁阀13，在第八电磁阀13所在管路的前面与后面（第八电磁阀13的前、后），分别并联设置第一并联管路32和第二并联管路33，即其相互之间并联，连接在第八电磁阀13的前后，且与地埋管侧水泵4所在管路并联；在第一并联管路32上设置第九电磁阀14，并与土壤源换热第一管路34联通；第二并联管路33上设置第七电磁阀12，并与土壤源换热第二管路35联通；地埋管侧水泵4后端所在管路，同时与土壤源换热第一管路34、土壤源换热第二管路35联通，其与土壤源换热第一管路34之间设置第二电磁阀7后相联通，在土壤源换热第二管路35上，设置第一电磁阀6和第四电磁阀9，地埋管侧水泵4后端所在管路连接在第一电磁阀6和第四电磁阀9中间的管路上；在土壤源换热第二管路35上，设置第六电磁阀11，第二并联管路33连接在六电磁阀11与第四电磁阀9中间的管路上；土壤源换热第一管路34上设置第三电磁阀8和第五电磁阀10，热泵第二管路31上设置第十电磁阀15，热泵第二管路31连接在土壤源换热第一管路34的第三电磁阀8和第五电磁阀10中间的管路上。

图中，第一电磁阀6、第二电磁阀7、第四电磁阀9及相应机组间的连接管路之间，可以采用四通阀相连接。

本发明的热泵机组1、用户空调设备21、土壤源换热设备23和辅助换热设备25都是现有技术，采用现有技术中的相关装置或设备，满足本发明的需要；换热器5也是一个现有技术的热交换装置，通过其使两组不同温度的流体进行热交换，相应降低（升高）流体的温度；热泵机组1为制冷（制热）的设备，夏天制冷产生冷空气，冬天制热产生热空气，其与用户空调设备21一侧的连接管路上设置冷冻水泵3，即用户空调设备侧管路22上设置冷冻水泵3，通过冷冻水泵3的开启或关闭，向若干个用户空调设备21输送温度较低的水（或温度较高的水），使用户空调设备21产生冷风（或热风），形成制冷作用（或制热作用）；其背离用户空调设备21的一侧的管路上设置有地埋管侧水泵4，经地埋管侧水泵4所在管路，分别与土壤源换热设备23和换热器5连接。土壤源换热设备23及其部分管路埋入地面以下的土壤内，与土壤进行冷热交换，使连接管路内的流体温度相应升高或降低。

辅助换热设备25也是现有技术中的相关装置或设备，如现有技术中的冷却塔换热系统，将换热器5中的温度较高的流体与其他流体（或空气）进行热交换，使换热器5内的流体温度降低，向大气中散热。

管路中的换热器5，其一端分别与土壤源换热第一管路34和土壤源换热第二管路35连接，形成回路；具体设置在土壤源换热第一管路34的第五电磁阀10、土壤源换热第二管路35的第六电磁阀11的后端；换热器5的另一端与辅助换热设备25相连接，形成回路；管路中的流体先与换热器5中的流体热交换，换热器5中的流体温度升高后流入辅助换热设备25后散热，经辅助换热设备25散热温度降低后，再循环进入换热器5中进行热交换。辅助换热设备侧水泵2设置在换热器5与辅助换热设备25之间的辅助换热设备侧管路26上，使流体在换热器5与辅助换热设备25之间形成循环流动。

本发明专利的工作过程：混合式地源热泵用管路系统既能进行独立的土壤耦合地源热泵运行方案，又可根据室内外温湿度情况，由上位机控制系统，通过电磁阀的开关，进行独立运行冷却塔(包含闭式、开式)运行方案、地埋管及冷却塔(包含闭式、开式)系统共同换热（串联、并联）运行方案、土壤源换热器与冷却塔换热运行方案（土壤直接与室外空气换热）。

本发明管路具体的控制如下：

1.土壤耦合地源热泵运行方案时：开启冷冻水泵3、地埋管侧水泵4及热泵机组1，第一电磁阀6、第三电磁阀8、第八电磁阀13、第十电磁阀15的控制阀同时打开，其余阀门全关；此时，热泵机组1与用户空调设备21之间通过冷冻水泵3的动力作用，形成回路，流体在热泵机组1与用户空调设备21之间循环流动；热泵机组1后端的热泵第一管路30，经第八电磁阀13、地埋管侧水泵4、第一电磁阀6与土壤源换热第二管路35联通；经土壤源换热设备23换热处理后，经土壤源换热第一管路34、第三电磁阀8、第十电磁阀15流入热泵第二管路31，再回流入热泵机组1的后端，形成回路。

2.独立辅助换热设备(包含闭式、开式冷却塔)运行方案时：热泵机组1的热量只通过换热器5进行热交换，换热器5的热量再通过辅助换热设备25向大气散发。开启辅助换热设备侧水泵2、冷冻水泵3和地埋管侧水泵4，开启热泵机组1，第四电磁阀9、第五电磁阀10、第六电磁阀11、第八电磁阀13、第十电磁阀15的控制阀同时打开，其余阀门全关；此时，流体在热泵机组1后端与换热器5及辅助换热设备25与换热器5之间循环流动；流体进入热泵机组1的热泵第一管路30，经第八电磁阀13、地埋管侧水泵4、第四电磁阀9、第六电磁阀11进入换热器5，与辅助换热设备内流体换热后，经第五电磁阀10、第十电磁阀15流入热泵第二管路31，再回流入热泵机组1的后端，形成回路。

3.土壤源换热器及辅助换热设备（冷却塔换热系统）并联运行时：热泵机组1的热量同时通过土壤源换热设备23与土壤热交换、通过换热器5进行热交换，换热器5再通过辅助换热设备25向大气散发，而且土壤源换热设备23、换热器5之间的管路是并联的；开启辅助换热设备侧水泵2、冷冻水泵3和地埋管侧水泵4，开启热泵机组1，第一电磁阀6、第三电磁阀8、第四电磁阀9、第五电磁阀10、第六电磁阀11、第八电磁阀13、第十电磁阀15的控制阀同时打开，第二电磁阀7、第七电磁阀12、第九电磁阀14号阀门关；此时，流体同时在热泵机组1后端与辅助换热设备25之间通过换热器5，以及热泵机组1后端与土壤源换热设备23之间并联式循环流动，并联节点之一为地埋管侧水泵4、第一电磁阀6、第二电磁阀7、第四电磁阀9间的管路连接处，并联节点之二为第三电磁阀8、第五电磁阀10、第十电磁阀15间的管路连接处；流体由热泵机组1的热泵第一管路30，经第八电磁阀13、地埋管侧水泵4，通入土壤源换热第二管路35，经第一电磁阀6通入土壤源换热设备23，经土壤源换热设备23热交换后，经土壤源换热第一管路34、第三电磁阀8、第十电磁阀15流入热泵第二管路31，再回流入热泵机组1，形成回路。另一并联回路为流体经第四电磁阀9、第六电磁阀11、通入换热器5，与辅助换热设备侧管路26进入换热器5的流体换热后，再经第五电磁阀10、第十电磁阀15流入热泵第二管路31，再回流入热泵机组1，形成回路。

4.土壤源换热器及辅助换热设备（冷却塔换热系统）串连运行时(包含闭式、开式)：热泵机组1的热量同时通过土壤源换热设备23与土壤进行热交换、通过换热器5进行热交换，换热器5再通过辅助换热设备25向大气散发，而且土壤源换热设备23、换热器5之间的管路是串联的；开启辅助换热设备侧水泵2、冷冻水泵3和地埋管侧水泵4，开启热泵机组1，第一电磁阀6、第五电磁阀10、第六电磁阀11、第七电磁阀12、第九电磁阀14、第十电磁阀15的控制阀同时打开，第二电磁阀7、第三电磁阀8、第四电磁阀9、第八电磁阀13号阀门关闭；此时，流体同时流经热泵机组1后端与土壤源换热设备23，热泵机组1后端与辅助换热设备25之间通过换热器5换热后，串联式循环流动；热泵机组1的热泵第一管路30，经第九电磁阀14所在的第一并联管路32与土壤源换热第一管路34联通，由于第三电磁阀8关闭，只能进入土壤源换热设备23，经土壤源换热设备23热交换后，进入土壤源换热第二管路35，经第一电磁阀6进入地埋管侧水泵4（由于第二电磁阀7和第四电磁阀9都关闭），再经第七电磁阀12所在的第二并联管路33进入土壤源换热第二管路35，再经第六电磁阀11进入换热器5（由于第四电磁阀9关闭），与经辅助换热设备侧管路26进入换热器5的流体换热后，再经第五电磁阀10、第十电磁阀15（由于第三电磁阀8关闭）流入热泵第二管路31，再回流入热泵机组1，形成回路。

5.土壤源换热器与冷却塔相互间换热运行方案（土壤直接与室外空气换热），以便对土壤进行散热（夏季制冷工况），即将土壤的热量通过换热器5（辅助换热设备25）向大气散发：此时流体在土壤源换热器设备与辅助换热设备之间通过换热器5进行循环换热；开启辅助换热设备侧水泵2和地埋管侧水泵4，开启辅助换热设备25和土壤源换热设备23，第一电磁阀6、第三电磁阀8、第五电磁阀10、第六电磁阀11、第七电磁阀12的控制阀同时打开，其余阀门全关；此时，流体经地埋管侧水泵4进入土壤源换热第二管路35，经第一电磁阀6进入土壤源换热设备23，经土壤源换热设备23换热处理后，经土壤源换热第一管路34、第三电磁阀8、第五电磁阀10进入换热器5，与经辅助换热设备侧管路26进入换热器5的流体换热后，经第六电磁阀11、第七电磁阀12进入地埋管侧水泵4，形成回路。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行的修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.混合式地源热泵用管路控制结构，包括热泵机组（1）、换热器（5）、用户空调设备（21）、土壤源换热设备（23）、辅助换热设备（25）以及连接管路；热泵机组（1）与用户空调设备（21）相连接一侧的连接管路上设置冷冻水泵（3），热泵机组（1）背离用户空调设备（21）一侧的管路上设置有地埋管侧水泵（4），热泵机组（1）经地埋管侧水泵（4）所在管路，分别与土壤源换热设备（23）和换热器（5）连接；其特征在于：

在热泵机组（1）背离用户空调设备（21）一侧的热泵第一管路（30）上设置地埋管侧水泵（4）；在地埋管侧水泵（4）前端的管路上，设置第八电磁阀（13），在第八电磁阀（13）所在管路的前面与后面，分别并联设置第一并联管路（32）和第二并联管路（33）；第一并联管路（32）上设置第九电磁阀（14），并与土壤源换热第一管路（34）联通；第二并联管路（33）上设置第七电磁阀（12），并与土壤源换热第二管路（35）联通；地埋管侧水泵（4）后端所在管路，同时与土壤源换热第一管路（34）、土壤源换热第二管路（35）联通，其与土壤源换热第一管路（34）之间设置第二电磁阀（7）后相联通；在土壤源换热第二管路（35）上，设置第一电磁阀（6）和第四电磁阀（9），地埋管侧水泵（4）后端所在管路连接在第一电磁阀（6）和第四电磁阀（9）中间的管路上；在土壤源换热第二管路（35）上，设置第六电磁阀（11），第二并联管路（33）连接在第六电磁阀（11）与第四电磁阀（9）中间的管路上；土壤源换热第一管路（34）上设置第三电磁阀（8）和第五电磁阀（10），热泵第二管路（31）上设置第十电磁阀（15），并连接在土壤源换热第一管路（34）的第三电磁阀（8）和第五电磁阀（10）中间的管路上；

换热器（5）的一端分别与土壤源换热第一管路（34）和土壤源换热第二管路（35）连接，形成回路；换热器（5）的另一端与辅助换热设备（25）相连接，形成回路；辅助换热设备侧水泵（2）设置在换热器（5）与辅助换热设备（25）之间的辅助换热设备侧管路（26）上。