CN104006478A - 一种新型地源热泵系统与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型地源热泵系统，包括机井、热泵机组、室内末端三部分，这三部分由相应的管道和阀门连接起来，从机井中抽取地下水至热泵机组或室内末端进行换热并回灌，通过控制相应阀门的开、关实现该系统的冬季采暖和夏季制冷。本发明采用了地源热泵系统，冬季采暖时，利用13-16℃机井水，经热泵提升能质采暖用水温度达到60℃后供给住户采暖。这种热泵供暖的能效比可达到3.5以上，节能效果显著。机井水经热泵提取热量降低温度后送到回灌井进行回灌，达到为夏季蓄冷的目的。夏季制冷时，可利用温度较低的回灌井水直接制冷或者启动机组间接冷却。

Description

一种新型地源热泵系统与应用
技术领域
本发明属于资源与环境技术领域，特别涉及一种新型地源热泵系统与应用。
背景技术
由于化石能源日益减少和其带来的严重的环境污染，清洁的可再生能源日益成为化石能源最理想的替代品，发展可再生的清洁能源将是人类可持续发展的关键所在。
目前农村冬季依靠传统的燃煤炉或者炉灶进行采暖，每年消耗大量煤炭，同时也造成了严重的环境污染，加剧了PM2.5的排放；另一方面，农村的自来水改造工程取代了之前的吃水用机井，造成了大量机井闲置。这些机井的深度约为70m-100m，地下水来源充足。
地源热泵系统是以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供冷/热空调系统。根据地热能交换系统形式的不同，地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统。
目前，地源热泵系统大部分应用于住宅、商业场所等城市建筑，并没有在农村地区推广应用，相反，农村地区闲置的机井和地下水资源却很丰富。采用地源热泵系统进行冬季采暖和夏季制冷实现了资源的有效合理配置，并为地源热泵更广泛推广应用奠定了基础。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型地源热泵系统与应用，克服现有技术中资源利用率低，化石能源的使用对环境污染严重的问题。
本发明的技术方案是：一种新型地源热泵系统，包括机井、热泵机组、室内末端三部分，这三部分由相应的管道和阀门连接起来，从机井中抽取地下水至热泵机组或室内末端进行换热并回灌，通过控制相应阀门的开、关实现该系统的冬季采暖和夏季制冷。
所述机井有单井或双井两种。
一种新型地源热泵系统的应用，夏季采用地下水直接冷却方式或间接冷却方式，所述直接冷却方式就是将机井中抽取的低温地下水直接送入室内空调末端设备中，与室内空气进行换热，换热后温度升高的水送入机井中进行冷却；所述间接冷却就是将机井中抽取的地下水作为冷却水经过热泵机组的冷凝器，冷却水升温后回灌到机井中，备用于冬季使用，流经地源热泵机组蒸发器产生的空调水送入室内的末端设备中；冬季时，从机井中抽取上来的水进入热泵机组，经热泵机组提取热量温度降低后回到机井中，备用于夏季使用，由热泵机组制得的热水进入室内末端，经换热后回到机组继续吸热，供房间采暖。
所述机井为单井或双井。所述单井是指在热泵机组或者在室内末端设备换热后的地下水进行原井回灌，即该系统采用一口井进行抽水和回灌。所述双井是指两口井分别作为运行井和贮能井，在季节变化后，两井的工作状态也应同时对换。
本发明的有益效果是：本发明采用了地源热泵系统，冬季采暖时，利用13-16℃机井水，经热泵提升能质采暖用水温度达到60℃后供给住户采暖。这种热泵供暖的能效比可达到3.5以上，节能效果显著。机井水经热泵提取热量降低温度后送到回灌井进行回灌，达到为夏季蓄冷的目的。夏季制冷时，可利用温度较低的回灌井水直接制冷或者启动机组间接冷却，并使井水升温后置放于贮能井中，达到为冬季蓄热的目的。
附图说明
图1为本发明新型地源热泵系统单井系统示意图；
图2为本发明新型地源热泵系统双井系统示意图；
图3为单井系统机井供水、回水管布置示意图；
图4为双井系统机井供水、回水管布置示意图；
其中，1-室内末端设备；2-热泵机组；3-机井；3a-运行井(贮能井)；3b-贮能井(运行井)；4-用户房间；5-12、阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的新型地源热泵系统，包括机井3、热泵机组2、室内末端1三部分，这三部分由相应的管道和阀门连接起来，从机井中抽取地下水至热泵机组或室内末端进行换热并回灌，通过控制相应阀门的开、关实现该系统的冬季采暖和夏季制冷。
夏季采用地下水直接冷却方式，如果井水温度不能满足要求，则启动地源热泵机组进行间接冷却。所谓直接冷却方式就是将低温地下水直接送入室内空调末端设备中，与室内空气进行换热，换热后温度升高的水送入井中进行冷却；间接冷却就是将抽取的地下水作为冷却水经过热泵机组的冷凝器，并利用流经地源热泵机组蒸发器产生的空调水送入室内的末端设备中。冬季时，从机井中抽取上来的水进入热泵机组，经热泵机组提取热量温度降低后回到机井中，另一方面，由热泵机组制得的热水进入室内末端，经换热后回到机组继续吸热，供房间采暖。
所谓单井系统就是将在热泵机组或者在室内末端设备换热后的地下水进行原井回灌，即该系统采用一口井进行抽水和回灌，具体如图1所示。
单井系统的具体运行方法如下所述：
冬季时，打开阀门7、8、9、10、11，关闭阀门5、6、12。从机井中抽取上来的15℃的水进入热泵机组2，经机组提取热量温度降低到10℃后回到机井中；另一方面，由机组制得的60℃的热水进入室内末端，经换热后回到机组继续吸热，供房间采暖。
夏季间接冷却时，打开阀门7、8、9、10、11，关闭阀门5、6、12。从机井抽取的地下水进入机组作为冷却水吸收热量后排入机井，同时机组会制得冷冻水进入室内末端，进行夏季空调，换热后继续回到机组，完成循环。
夏季直接冷却时，打开阀门5、6、12，关闭阀门7、8、9、10、11。从机井中抽取的10℃左右的低温水直接进入室内末端设备进行夏季空调，换热完成温度升高后再排入机井中。
单井系统在冬季运行时，井水被提出地面取热后，温度明显降低，然后回灌到该井中，致使该井水的温度逐渐下降，将冬季的冷量贮存于该井中，为夏季的运行提供了较多的冷量；在夏季运行时将该井水提取出来，对直接冷却式空调系统的运行极为有利。同时提取出的井水经室内空调末端吸热后，又回到该井中，致使井水的温度逐渐上升，将夏季的热量贮存于该井中，为冬季的运行提供了较多的热量。如此周而复始使用该井，可使季节的能量贮存于地下，同时地下水得到全部的回灌，不会造成地下水位的变化。这是该地源热泵系统的新型运行模式和节能的核心技术。
所谓双井系统，即两口井分别作为抽水井和回灌井。如果周围几户人家进行联合供暖制冷，则可以联合运用周围几家闲置下来的机井作为地下水的来源和回灌所用，这样会取得更好的回灌效果，如图2所示。
双井系统的具体运行方式如下所述：
冬季时，打开阀门5、6、8、9、10，关闭阀门7、11。以机井3b作为供水井，抽取的15℃的地下水经热泵机组2降低温度后回灌到机井3a中；另一方面，由机组制得的60℃的热水进入室内末端，经换热后回到机组继续吸热，供房间采暖。
夏季间接冷却时，同样打开阀门5、6、8、9、10，关闭阀门7、11。由于冬季时已经在3a井中进行了蓄冷，故此时把机井3a作为抽水井，抽取的地下水进入机组作为冷却水吸收热量后排入机井3b，使井3b贮存热能备冬季使用；同时机组会制得冷冻水进入室内末端，进行夏季空调，换热后继续回到机组，完成循环。
夏季直接冷却时，打开阀门7、8、9、11，关闭阀门5、6、10。此时把机井3a作为抽水井，抽取的地下水直接进入室内末端设备进行夏季空调，换热完成温度升高后再排入机井3b中，同时完成为冬季蓄热的工作。
双井系统在冬季运行时，运行井水被提出地面取热后，温度明显降低，然后排放到贮蓄井中，致使贮蓄井的温度逐渐下降，将冬季的冷量贮存于该井中，为夏季的运行提供了较多的冷量；在夏季运行时将贮蓄井作为运行井，原运行井变为贮蓄井，则运行井的温度明显低于常规的地源井，对直接冷却式空调系统的运行极为有利。同时提取出的运行井水经室内空调末端吸热后，回到贮蓄井中，致使贮蓄井水的温度逐渐上升，将夏季的热量贮存于该井中，为冬季的运行提供了较多的热量。如此周而复始的重复倒置使用两井，可使季节的能量贮存于地下，同时地下水得到全部的回灌，不会造成地下水位的变化。这是该地源热泵系统的新型运行模式和节能的核心技术。
本发明是将地源热泵技术与农村闲置的机井相结合，冬季时，提取机井水热量并提升其能量品位，供给用户采暖，替代原有锅炉或者采暖用炉子，达到冬季供暖和为夏季蓄冷的双重效果。夏季时，按照机组运行费用较高即启动机组进行间接制冷进行计算。
本实施案例中，农村用户的采暖面积为200m2，采暖热指标为60W/m2，空调面积冷指标为50W/m2，热泵制热性能系数取为3.5，制冷系数取为3，电价为0.52元/度，燃煤价格为800元/吨、热值为6500kcal/kg。则该用户的冬季采暖热负荷为12kW，夏季冷负荷为10kW，考虑到实际运行时，房屋不会全时和满面积运行，故冬夏两季的负荷都乘以系数0.5。这样，便可得到采用地源热泵方案时冬季采暖和夏季制冷时的运行费用分别为
冬季12kW÷3.5×24h/天×120天×0.52元/度×0.5＝2567元
夏季10kW÷3×24h/天×120天×0.52元/度×0.5＝2496元
则全年机组运行总费用为2567+2496＝5063元
当按现有燃煤锅炉采暖时，按采暖热负荷和标煤热值以及农村用户的生活和使用燃煤土暖气系统习惯，折合的采暖季标煤消耗量为4.6t，这样燃煤锅炉采暖每年的花费为
4.6×800＝3680元
在传统情况下，夏季空调如果按照每户每天运行6小时，耗电功率为1kW的空调来计算，则夏季空调费用为
1×6×120×0.52＝374.40元
通过对比可以发现，冬季时，与燃煤锅炉相比，采用地源热泵进行采暖的运行费用具有明显优势，并且可明显减少污染物排放，保护环境；由于传统农村用户的生活习惯，使得夏季相应的传统空调费用较采用地源热泵形式低，若几家农户公用一套机组，则其在降低初投资、运行费用和保护环境方面的效果更加明显。夏季时，可以取代传统的电风扇和空调，使用户感觉更舒适。

Claims (6)

1.一种新型地源热泵系统，其特征在于，包括机井、热泵机组、室内末端三部分，这三部分由相应的管道和阀门连接起来，从机井中抽取地下水至热泵机组或室内末端进行换热并回灌，通过控制相应阀门的开、关实现该系统的冬季采暖和夏季制冷。
2.根据权利要求1所述新型地源热泵系统，其特征在于，所述机井为单井或双井。
3.一种新型地源热泵系统的应用，其特征在于，夏季采用地下水直接冷却方式或间接冷却方式，所述直接冷却方式就是将机井中抽取的低温地下水直接送入室内空调末端设备中，与室内空气进行换热，换热后温度升高的水送入机井中进行冷却；所述间接冷却就是将机井中抽取的地下水作为冷却水经过热泵机组的冷凝器，冷却水升温后回灌到机井中，备用于冬季使用，流经地源热泵机组蒸发器产生的空调水送入室内的末端设备中；冬季时，从机井中抽取上来的水进入热泵机组，经热泵机组提取热量温度降低后回到机井中，备用于夏季使用，由热泵机组制得的热水进入室内末端，经换热后回到机组继续吸热，供房间采暖。
4.根据权利要求3所述新型地源热泵系统的应用，其特征在于，所述机井为单井或双井。
5.根据权利要求4所述新型地源热泵系统的应用，其特征在于，所述单井是指在热泵机组或者在室内末端设备换热后的地下水进行原井回灌，即该系统采用一口井进行抽水和回灌。
6.根据权利要求4所述新型地源热泵系统的应用，其特征在于，所述双井是指两口井分别作为运行井和贮能井，在季节变化后，两井的工作状态也应同时对换。
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