CN104534734B - 一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统 - Google Patents

一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，包括二氧化碳地源热泵系统、室内风机盘管系统、地源换热系统、太阳能集热系统和空气冷却系统。其中二氧化碳地源热泵系统包括依次连接并形成回路的压缩机、气冷器、节流阀和蒸发器；空气冷却系统通过第一阀与气冷器并联；太阳能集热系统通过第二阀与室内风机盘管系统相连，太阳能集热系统还通过第三阀和第七阀与蒸发器相连并形成回路；室内风机盘管系统还通过第四阀和第五阀与蒸发器相连并形成回路，室内风机盘管系统还通过第六阀和第八阀与气冷器相连并形成回路；地源换热系统通过第九阀和第十阀与气冷器相连并形成回路，地源换热系统还通过第十一阀和第十二阀与蒸发器相连并形成回路。

Description

一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳地源热泵系统，尤其涉及一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，具体来说是一种太阳能、地源、空气源耦合制冷和供热的二氧化碳地源热泵系统，属于地源热泵技术领域。
背景技术
我国常用的地源热泵单纯依赖土壤作为热源和冷源。对于全年冷负荷与热负荷不平衡的地区，这种系统从土壤获得的热量与冷量不平衡，导致土壤温度因为长期热量传递的不平衡发生变化，影响热泵运行效率。因此，地源热源系统迫切需要解决地源能量不平衡的问题。
经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN102705984A的中国专利提出了一种空气能和太阳能叠加给水源热泵供热的装置，能够满足供暖需求，但是不能供冷。该装置能够实现寒冷地区的供要求，但是对于夏季高温地区，不能达到地源的能量平衡。公开号为CN102506518A的中国专利提出了一种太阳能地源热泵集成供暖空调控制机构，然而对于夏季高温地区无法满足制冷的需求，且无法满足地源能量的平衡性。公开号为CN201488394U的中国专利提出了一种太阳能-地源热泵自平衡综合应用系统，考虑了土壤的热平衡，但是不适用于寒冷地区，并且采用的是普通制冷剂，制冷剂处于亚临界循环，当环境温度非常高的情况下，气冷器的性能下降，导致制冷热泵系统性能下降。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种地源热泵系统，能够同时满足全年供暖和供冷的需求，保证地源能量的平衡性，并且使用适当制冷剂以保证当环境温度较高时依然有良好的制冷效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，该系统包括地源热泵系统、室内风机盘管系统、地源换热系统、太阳能集热系统和空气冷却系统，所述地源热泵系统包括依次连接并形成回路的压缩机、气冷器、节流阀和蒸发器；所述空气冷却系统通过第一阀与所述气冷器并联；所述太阳能集热系统通过第二阀与所述室内风机盘管系统相连，所述太阳能集热系统还通过第三阀和第七阀与所述蒸发器相连并形成回路；所述室内风机盘管系统还通过第四阀和第五阀与所述蒸发器相连并形成回路，所述室内风机盘管系统还通过第六阀和第八阀与所述气冷器相连并形成回路；所述地源换热系统通过第九阀和第十阀与所述气冷器相连并形成回路，所述地源换热系统还通过第十一阀和第十二阀与所述蒸发器相连并形成回路。
进一步地，所述太阳能集热系统能够通过第三阀和第七阀的控制与所述蒸发器中的二氧化碳进行换热，从而作为所述蒸发器的热源。
进一步地，根据不同的控制模式选择开启不同的阀门，所述不同的控制模式包括制冷和制热。
进一步地，打开第四阀、第五阀、第九阀和第十阀，而保持第一阀、第二阀、第三阀、第六阀、第七阀、第八阀、第十一阀和第十二阀关闭时，所述压缩机出口的高温高压二氧化碳流向所述气冷器，通过第九阀和第十阀的控制，所述地源换热系统能够与所述气冷器相连换热，所述蒸发器能够通过第四阀和第五阀与所述室内风机盘管系统连通向室内供冷；然后打开第一阀，一部分所述高温高压二氧化碳被引入所述空气冷却系统与空气进行换热，从而降低所述气冷器的负荷。
进一步地，所述第一阀为根据室外温度和室内负荷的变化，并通过可编辑的控制模块进行控制的电磁阀；所述可编辑的控制模块为可编程的逻辑控制器。
进一步地，所述第二阀、第三阀、第七阀、第十一阀和第十二阀均为根据所述太阳能集热系统中的太阳能集热水箱的出口温度的变化，并通过可编辑的控制模块进行控制的电磁阀，所述可编辑的控制模块为可编程的逻辑控制器。
进一步地，当所述出口温度高于45℃时，打开第二阀、第六阀、第八阀、第十一阀和第十二阀，而保持第一阀、第三阀、第四阀、第五阀、第七阀、第九阀和第十阀关闭，所述太阳能集热水箱的热量直接传递到所述室内风机盘管系统为室内加热，并保持所述地源热泵系统的运行，以防止所述出口温度下降而导致所述压缩机频繁开闭。
进一步地，当所述出口温度在20℃～45℃，打开第三阀、第七阀、第六阀和第八阀，而保持第一阀、第二阀、第四阀、第五阀、第九阀、第十阀、第十一阀和第十二阀关闭，所述太阳能集热水箱中的热量与所述蒸发器进行换热，所述室内风机盘管系统与所述气冷器相连获得热量。
进一步地，当所述出口温度在18℃～20℃时，打开第三阀、第七阀、第六阀、第八阀、第十一阀和第十二阀，而保持第一阀、第二阀、第四阀、第五阀、第九阀和第十阀关闭，太阳能和地下热能同时被利用为所述蒸发器的热源，所述室内风机盘管系统与所述气冷器相连获得热量。
进一步地，当所述出口温度低于土壤平均温度18℃，打开第六阀、第八阀、第十一阀和第十二阀，而保持第一阀、第二阀、第三阀、第四阀、第五阀、第七阀、第九阀和第十阀关闭，所述蒸发器与土壤换热，所述室内风机盘管系统与所述气冷器相连获得热量。
本发明的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统具体来说是一种太阳能、地源、空气源耦合制冷和供热的二氧化碳地源热泵系统，该系统在二氧化碳地源热泵系统的基础上结合了太阳能集热系统辅助供热和空气冷却系统辅助制冷，其结构简单、操作便捷，充分利用了地源、太阳能和空气源的优势，发挥了二氧化碳跨临界循环的特性，保证了当环境温度比较高时，仍然能满足比较高的制冷效果，扩大了二氧化碳地源热泵系统的应用范围，能够适应不同气候地区供热和制冷的需求，且能效比高，具有广泛的适用性。
与现有技术相比，本发明的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统还具有以下优点：
1、能够在冬季利用多个模式控制太阳能集热系统辅助二氧化碳地源热泵系统供热，在夏季利用室内风机盘管系统与地源换热系统耦合，从而降低二氧化碳地源热泵系统负荷，有效平衡土壤换热，降低能耗。
2、采用可编程的逻辑控制器控制各阀门，即利用可编程的逻辑控制器对各阀门进行开闭操作，操作简单。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统的结构示意图；
图2是图1中的局部结构的示意图；
图3是图1中的局部结构的另一示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例中的室内风机盘管系统的结构示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例中的地源换热系统的结构示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例中的太阳能集热系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1～3所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，该系统包括地源热泵系统、室内风机盘管系统200、地源换热系统300、太阳能集热系统400和空气冷却系统500。其中，地源热泵系统包括依次连接并形成回路的压缩机101、气冷器102、节流阀103和蒸发器104。室内风机盘管系统200通过第六阀6和第八阀8与气冷器102相连并形成回路，室内风机盘管系统200还通过第四阀4和第五阀5与蒸发器104相连并形成回路。地源换热系统300通过第九阀9和第十阀10与气冷器102相连并形成回路，地源换热系统300还通过第十一阀11和第十二阀12与蒸发器104相连并形成回路。太阳能集热系统400通过第二阀2与室内风机盘管系统相连，太阳能集热系统400还通过第三阀3和第七阀7与蒸发器104相连并形成回路。空气冷却系统500通过第一阀1与气冷器102并联。
如图4～6所示，本实施例的室内风机盘管系统200包括依次连接的风机盘管201、控制阀202和水泵203。地源换热系统300包括依次连接的控制阀302、地下埋管301和地源水泵303。太阳能集热系统400包括依次连接的循环水泵404、和控制阀403，其中太阳能集热水箱402与太阳能集热器401和太阳能水泵405相接并形成回路。另外，本实施例的空气冷却系统500包括依次连接的空气冷却器、水泵和控制阀(未示出)。
本实施例的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统可以根据不同的控制模式选择开启不同的阀门，具体如下：
夏季工况下，当制冷负荷不太重时，打开第四阀4、第五阀5、第九阀9和第十阀10，而保持第一阀1、第二阀2、第三阀3、第六阀6、第七阀7、第八阀8、第十一阀11和第十二阀12关闭时，压缩机101出口的高温高压二氧化碳流向气冷器102，通过第九阀9和第十阀10的控制，地源换热系统300能够与气冷器102相连换热，蒸发器104能够通过第四阀4和第五阀5与室内风机盘管系统200连通并向室内供冷。当制冷负荷继续增大，打开第一阀1，一部分高温高压二氧化碳被引入空气冷却系统500与空气进行换热，从而降低气冷器102的负荷。
本实施例的第一阀1为根据室外温度和室内负荷的变化，并通过可编辑的控制模块进行控制的电磁阀，第二阀2、第三阀3、第七阀7、第十一阀11和第十二阀12均为根据太阳能集热系统400中的太阳能集热水箱402的出口温度的变化，并通过可编辑的控制模块进行控制的电磁阀，其中可编辑的控制模块为可编程的逻辑控制器。
冬季工况下，当太阳能集热系统400中的太阳能集热水箱402的出口温度高于45℃时，打开第二阀2，而保持第一阀1、第三阀3、第四阀4、第五阀5、第七阀7、第九阀9和第十阀10关闭，太阳能集热水箱402的热量直接通过第二阀2传递到室内风机盘管系统200为室内加热，同时为了保证压缩机101不因频繁开启关闭而损坏，开启第六阀6、第八阀8、第十一阀11和第十二阀12，并保持地源热泵系统的运行。
冬季工况下，当太阳能集热系统400中的太阳能集热水箱402的述出口温度在20℃～45℃，打开第三阀3、第七阀7、第六阀6和第八阀8，而保持第一阀1、第二阀2、第四阀4、第五阀5、第九阀9、第十阀10、第十一阀11和第十二阀12关闭，太阳能集热水箱中402的热量与蒸发器104中的二氧化碳进行换热，作为蒸发器104的热源。室内风机盘管系统200与气冷器102相连获得热量。
冬季工况下，当太阳能集热系统400中的太阳能集热水箱402的出口温度在18℃～20℃时，打开第三阀3、第七阀7、第六阀6、第八阀8、第十一阀11和第十二阀12，而保持第一阀1、第二阀2、第四阀4、第五阀5、第九阀9和第十阀10关闭，太阳能和地下热能同时被利用为蒸发器104的热源，室内风机盘管系统200与气冷器102相连获得热量。
冬季工况下，当太阳能集热系统400中的太阳能集热水箱402的出口温度低于土壤平均温度18℃，打开第六阀6、第八阀8、第十一阀11和第十二阀12，而保持第一阀1、第二阀2、第三阀3、第四阀4、第五阀5、第七阀7、第九阀9和第十阀10关闭，蒸发器104与土壤换热，由地源充当热源。室内风机盘管系统200与气冷器102相连获得热量。
本实施例的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统冬季利用太阳能和地热能对室内进行供热，夏季利用空气和地热能冷却压缩机出口的高温高压的制冷剂。上述将太阳能和空气源结合的二氧化碳地源热泵系统，结构简单、合理，控制系统明晰，安装使用方便，保证在任何天气条件下，利用太阳能和空气源平衡输入和输出土壤的热量，保证土壤热平衡，维持地源热泵系统的稳定可靠，降低运行和维护成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，包括地源热泵系统、室内风机盘管系统、地源换热系统、太阳能集热系统和空气冷却系统，所述地源热泵系统包括依次连接并形成回路的压缩机、气冷器、节流阀和蒸发器；所述空气冷却系统通过第一阀与所述气冷器并联；所述太阳能集热系统包括依次连接的循环水泵、太阳能集热水箱和太阳能集热控制阀，并通过第二阀与所述室内风机盘管系统相连，所述太阳能集热系统还通过第三阀和第七阀与所述蒸发器相连并形成回路；所述室内风机盘管系统包括依次连接的风机盘管、室内风机盘管控制阀和水泵，并通过第四阀和第五阀与所述蒸发器相连并形成回路，所述室内风机盘管系统还通过第六阀和第八阀与所述气冷器相连并形成回路；所述地源换热系统通过第九阀和第十阀与所述气冷器相连并形成回路，所述地源换热系统包括依次连接的地源换热控制阀、地下埋管和地源水泵，并通过第十一阀和第十二阀与所述蒸发器相连并形成回路；所述太阳能集热系统能够通过第三阀和第七阀的控制与所述蒸发器中的二氧化碳进行换热，从而作为所述蒸发器的热源。
2.如权利要求1所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，根据不同的控制模式选择开启不同的阀门，所述不同的控制模式包括制冷和制热。
3.如权利要求1所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，打开第四阀、第五阀、第九阀和第十阀，而保持第一阀、第二阀、第三阀、第六阀、第七阀、第八阀、第十一阀和第十二阀关闭时，所述压缩机出口的高温高压二氧化碳流向所述气冷器，通过第九阀和第十阀的控制，所述地源换热系统能够与所述气冷器相连换热，所述蒸发器能够通过第四阀和第五阀与所述室内风机盘管系统连通向室内供冷；然后打开第一阀，一部分所述高温高压二氧化碳被引入所述空气冷却系统与空气进行换热，从而降低所述气冷器的负荷。
4.如权利要求1所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，所述第一阀为根据室外温度和室内负荷的变化，并通过可编辑的控制模块进行控制的电磁阀；所述可编辑的控制模块为可编程的逻辑控制器。
5.如权利要求1所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，所述第二阀、第三阀、第七阀、第十一阀和第十二阀均为根据所述太阳能集热系统中的太阳能集热水箱的出口温度的变化，并通过可编辑的控制模块进行控制的电磁阀，所述可编辑的控制模块为可编程的逻辑控制器。
6.如权利要求5所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，当所述出口温度高于45℃时，打开第二阀、第六阀、第八阀、第十一阀和第十二阀，而保持第一阀、第三阀、第四阀、第五阀、第七阀、第九阀和第十阀关闭，所述太阳能集热水箱的热量直接传递到所述室内风机盘管系统为室内加热，并保持所述地源热泵系统的运行。
7.如权利要求5所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，当所述出口温度在20℃～45℃，打开第三阀、第七阀、第六阀和第八阀，而保持第一阀、第二阀、第四阀、第五阀、第九阀、第十阀、第十一阀和第十二阀关闭，所述太阳能集热水箱中的热量与所述蒸发器进行换热，所述室内风机盘管系统与所述气冷器相连获得热量。
8.如权利要求5所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，当所述出口温度在18℃～20℃时，打开第三阀、第七阀、第六阀、第八阀、第十一阀和第十二阀，而保持第一阀、第二阀、第四阀、第五阀、第九阀和第十阀关闭，太阳能和地下热能同时被利用为所述蒸发器的热源，所述室内风机盘管系统与所述气冷器相连获得热量。
9.如权利要求5所述的多源耦合的二氧化碳地源热泵系统，其特征在于，当所述出口温度低于土壤平均温度18℃，打开第六阀、第八阀、第十一阀和第十二阀，而保持第一阀、第二阀、第三阀、第四阀、第五阀、第七阀、第九阀和第十阀关闭，所述蒸发器与土壤换热，所述室内风机盘管系统与所述气冷器相连获得热量。
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