CN104566728B - 一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统 - Google Patents

一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，包括负载单元、热泵单元、集热单元、地埋管换热单元，热泵单元设有压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器，负载单元的输出端和输入端通过第一管路和阀门V1、阀门V2构成第一循环回路，负载单元的输出端和输入端通过第二管路和阀门V5、阀门V6构成第二循环回路；地埋管换热单元的输出端和输入端通过第三管路和阀门V3、阀门V4构成第三循环回路，地埋管换热单元的输出端和输入端通过第四管路和阀门V7、阀门V8构成第四循环回路；集热单元的输入端和输出端通过第五管路分别与地埋管换热单元的输出端和输入端连通构成第五循环回路。本发明具有实施方便、安全可靠、运行稳定、能效比高的优点。

Description

一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统
技术领域
本发明涉及地源热泵式空调领域，尤其是涉及一种竖孔式地下蓄能与地埋管地源热泵集成应用系统。
背景技术
近年来，基于节约能源与避免环境污染的迫切要求，地源热泵式空调技术得以快速发展并在建筑领域广泛应用。目前在我国民用建筑中地源热泵式空调系统的使用面积已超过1.4亿平方米，且每年以20％～25％的速度递增，地源热泵空调系统应用规模也已由中小单体建筑向大型建筑群住宅小区发展。
地源热泵空调系统主要以浅层岩土层作为系统的低位热源或热汇，通过热泵单元进行热交换，并最终将冷热能量传递到用户。夏季，浅层岩土层温度比建筑物房间内的空气温度低，地源热泵空调系统以浅层岩土层作为热汇(或冷源)，热泵单元进行制冷，并通过热交换最终将房间内的热量释放到浅层岩土层中，使房间制冷降温；冬季，浅层岩土层作为低位热源，热泵单元进行制热，并通过热交换最终将热能量提供给用户端，进行冬季供暖。在我国寒冷地区，在地源热泵空调系统的长期运行过程中，由于空调系统夏季制冷时向浅层岩土层排放的冷凝热少于冬季供暖时从浅层岩土层中提取的热量，致使浅层岩土层的温度会逐年降低，从而导致地源热泵式空调系统的COP值(能效比)也会一年比一年低，甚至会引起低温停机现象。且实验结果表明，浅层岩土层的温度大幅降低后，其土壤热环境的恢复需要很长时间，地源热泵式空调系统规模越大，其热环境恢复越困难。如附图1表示，为分别设有100米深的单埋管和6根100米深、间距7.5米的地埋管管群的地源热泵空调系统连续运行30年的时间，距离埋管0.1米、50米深处的土壤温度相对于初始温度的变化情况。由图可以看出：单埋管和管群周围的土壤温度具有相同的下降和恢复特征，开始时土壤温度下降很快，之后逐渐慢下来；恢复时，开始阶段土壤温度升温快，随着时间的延长其变化也变得相对平缓。但地埋管管群周围土壤温度的恢复时间要比单埋管周围土壤温度的恢复时间长得多，单埋管周围土壤的热恢复时间大约为24年，而管群周围土壤的热恢复时间则需要70年左右。
由此可见，在地源热泵式空调系统的设计应用中，如果避免或抑制地埋管周围土壤温度逐年降低，保证地源热泵式空调系统长期、安全、可靠、稳定运行是该领域需要解决的重要技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，其具有实施方便、安全可靠、运行稳定、能效比高的优点。
为解决现有技术中地源热泵式空调系统长期运行后致使地埋管周围土壤温度逐年变低，从而导致空调系统整体能效比逐年降低甚至出现因低温停机现象的技术问题，本发明一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，包括负载单元、热泵单元、集热单元、地埋管换热单元，热泵单元设有压缩机、蒸发器、节流阀、冷凝器，负载单元的输出端和输入端通过第一管路和阀门V1、阀门V2构成第一循环回路，负载单元的输出端和输入端通过第二管路和阀门V5、阀门V6构成第二循环回路，负载单元的输出管路上设有循环泵P1；地埋管换热单元的输出端和输入端通过第三管路和阀门V3、阀门V4构成第三循环回路，地埋管换热单元的输出端和输入端通过第四管路和阀门V7、阀门V8构成第四循环回路，地埋管换热单元的输出管路上设有循环泵P2；第一循环回路和第四循环回路在冷凝器处设有第一共用管路，第一共用管路与冷凝器耦合并进行热交换，阀门V1和阀门V2与V7和阀门V8均分别设在第一共用管路的两端外侧，第二循环回路与第三循环回路在蒸发器处设有第二共用管路，第二共用管路与蒸发器耦合并进行热交换，阀门V5和阀门V6与V3和阀门V4均分别设在第二共用管路的两端外侧；集热单元的输入端和输出端通过第五管路分别与地埋管换热单元的输出端和输入端连通构成第五循环回路，连接集热单元输入端和输出端的管路上分别设有阀门V10和阀门V9。
可选地，集热单元为空气热能采集装置，空气热能采集装置包括水气换热器和水循环回路，水气换热器设在水循环回路中，水循环回路与第五循环回路连通或耦合，空气热能采集装置用于夏季热空气与第五循环回路进行热交换实现地下蓄热。
可选地，集热单元为太阳能装置，太阳能装置包括集热器和水循环回路，水循环回路与第五循环回路连通或耦合，太阳能装置用于夏季太阳能与第五循环回路进行热交换实现地下蓄热。
可选地，集热单元为工业废热集热器，工业废热集热器处在工业废热或余热循环管路上，工业废热集热器与第五循环回路耦合，工业废热集热器用于夏季工业废热或余热与第五循环回路进行热交换实现地下蓄热。
优选地，地埋管换热单元设有多组地埋管，且地埋管竖向设置。
优选地，地埋管深度为50～150米，相邻组地埋管之间的距离为3～6米。
采用本发明一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，通过蓄能技术将夏季热能转移到浅层岩土中储存起来，如热泵冷凝热、太阳能、室外大气热能、工业废热或余热等，冬季再将浅层岩土层中的热能取出向用户供暖。在此过程中，使浅层岩土层中的热能保持动态平衡是保证地源热泵系统长期、安全、有效运行的重要技术手段，即在第一年里若冬季地埋管换热单元从土壤中提取的热量大于夏季储存在土壤中的热量时，则土壤温度降低，在第2年夏季要适当向浅层岩土层中多储存些热量，在第3年冬季从土壤中提取的热量小于储存的热量时，多余的热量会暂时储存在浅层岩土层中，则土壤温度升高，那么第4年就可少储存些，按照此种方式运行，以年度为时间步长，地埋管周围浅层岩土层的热环境就会围绕其原始温度保持动态平衡。
本发明提高了整体系统运行的能效比，经济性能高，保证了系统运行的可持续性和冬季运行的可靠性、安全性，使本系统的应用范围更广。本发明针对传统地埋管地源热泵式空调系统长期运行后其周围土壤温度难以恢复的问题，以浅层岩土层季节性储能技术使地源热泵空调系统的性能得到提高，即通过地埋管将浅层岩土层跨季节储能系统同地源热泵系统集成构成了新的供暖系统，实现了太阳能、室外大气热能、工业废热或余热等的转季节使用，使系统效能不受气候的季节性、昼夜变化等因素的影响，提高了系统运行的稳定性。另外，本发明以浅层岩土层作为储能介质，克服了人工蓄能技术复杂和投资大的问题。
下面结合附图所示具体实施方式对本发明一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统作进一步详细说明：
附图说明
图1为现有技术中地源热泵空调系统连续运行30年的时间，地埋管周围土壤温度相对于初始温度的变化情况示意图。
图2为本发明一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示的本发明一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统的具体实施方式，包括负载单元1、热泵单元2、集热单元3、地埋管换热单元4，热泵单元2设有压缩机201、蒸发器202、节流阀203、冷凝器204，热泵单元2运行过程中在蒸发器202处吸热，在冷凝器204处放热。负载单元1的输出端101和输入端102通过第一管路和阀门V1、阀门V2构成第一循环回路，负载单元1的输出端101和输入端102通过第二管路和阀门V5、阀门V6构成第二循环回路，并在负载单元1的输出管路上设置循环泵P1为第一循环回路和第二循环回路提供循环驱动力。地埋管换热单元4的输出端401和输入端402通过第三管路和阀门V3、阀门V4构成第三循环回路，地埋管换热单元4的输出端401和输入端402通过第四管路和阀门V7、阀门V8构成第四循环回路，并在地埋管换热单元4的输出管路上设置循环泵P2为第三循环回路和第四循环回路提供循环驱动力。第一循环回路和第四循环回路在冷凝器204处设有第一共用管路5，第一共用管路5与冷凝器204耦合并进行热交换，并使阀门V1和阀门V2与V7和阀门V8均分别设置在第一共用管路5的两端外侧；第二循环回路与第三循环回路在蒸发器202处设有第二共用管路6，第二共用管路6与蒸发器202耦合并进行热交换，并使阀门V5和阀门V6与V3和阀门V4均分别设置在第二共用管路6的两端外侧。集热单元3的输入端和输出端通过第五管路分别与地埋管换热单元4的输出端401和输入端402连通构成第五循环回路，并在连接集热单元3输入端和输出端的管路上分别设置阀门V10和阀门V9。
本实施方式中，集热单元3采用空气热能采集装置，空气热能采集装置包括水气换热器和水循环回路，水气换热器设在水循环回路中，水循环回路与第五循环回路连通或耦合。此种结构设置，在盛夏制冷和蓄能工况下，通过水循环回路、第五循环回路和地埋管换热单元4进行热交换，能将大气热能转换到浅层岩土层储存起来供冬季制热供暖工况下使用。
需要说明的是，集热单元3不限于空气热能采集装置式的结构设置，也可以采用太阳能装置、工业废热或余热集热器等多种形式，太阳能装置可以设计成包括集热器和水循环回路，水循环回路与第五循环回路连通或耦合，太阳能装置将太阳能转换为热能，并通过水循环回路、第五循环回路和地埋管换热单元4与浅层岩土层进行热交换，将热能储存在浅层岩土层供冬季制热供暖工况下使用。工业废热或余热集热器是指与工业废热或余热源构成循环回路的装置，集热器从工业废热或余热源提取热量，并与第五循环回路耦合进行热交换，将热量传到浅层岩土层实现地下蓄能。另外，本发明中的地埋管换热单元4设有多组地埋管，并将地埋管竖向设置，地埋管的深度为50～150米，相邻组地埋管之间的距离为3～6米。
为帮助本领域技术人员更清楚地理解本发明，下面对本发明一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统的运行过程作进一步详细说明。本发明通过阀门的关闭可以方便快捷地实现初夏制冷工况、盛夏制冷和蓄能工况和冬季制热供暖工况三种运行模式的转换。
初夏制冷工况下，室外空气温度较低，此时V1、V2、V3、V4、V9、V10关闭，V5、V6、V7、V8开启，负载单元1、热泵单元2和地埋管换热单元4运行，集热单元3停止运行。热泵单元2制冷运行,在冷凝器处204处与第四循环回路进行热交换，并将热泵单元2产生的冷凝热传到地埋管换热单元4，向浅层岩土层释放热量，进行蓄能，热泵单元2在蒸发器202处与第二循环回路进行热交换，将冷量传递给负载单元1，为最终用户制冷降温；
盛夏制冷和蓄能工况下，室外空气温度较高，通常高于25℃，此时V1、V2、V3、V4关闭，V5、V6、V7、V8、V9、V10开启，负载单元1、热泵单元2、集热单元3、地埋管换热单元4均运行。一方面，热泵单元2制冷运行,在冷凝器处204处与第四循环回路进行热交换，并将热泵单元2产生的冷凝热传到地埋管换热单元4，向浅层岩土层释放热量，进行蓄能，热泵单元2在蒸发器202处与第二循环回路进行热交换，将冷量传递给负载单元1，为最终用户制冷降温；另一方面，集热单元3通过第五循环回路与地埋管换热单元4进行热交换，并通过地埋管换热单元4将热量释放到浅层岩土层，也进行蓄能。
冬季制热供暖工况下，浅层岩土层温度比地上空气温度高，浅层岩土层作为低温热源，此时V1、V2、V3、V4开启，V5、V6、V7、V8、V9、V10关闭，负载单元1、热泵单元2和地埋管换热单元4运行，集热单元3停止运行。地埋管换热单元4从浅层岩土层提取热源，通过第三循环回路在蒸发器202处与热泵单元2进行热交换，驱动热泵单元2制热，热泵单元2在冷凝器204处与第一循环回路进行热交换，通过第一循环回路将热能量传到负载单元1，为最终用户供暖。
以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行的限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域工程技术人员依据本发明的技术方案做出的各种形式的变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，包括负载单元(1)、热泵单元(2)、集热单元(3)、地埋管换热单元(4)，热泵单元(2)设有压缩机(201)、蒸发器(202)、节流阀(203)、冷凝器(204)，其特征在于：负载单元(1)的输出端(101)和输入端(102)通过第一管路和阀门V1、阀门V2构成第一循环回路，负载单元(1)的输出端(101)和输入端(102)通过第二管路和阀门V5、阀门V6构成第二循环回路，负载单元(1)的输出管路上设有循环泵P1，循环泵P1为第一循环回路和第二循环回路提供循环驱动力；地埋管换热单元(4)的输出端(401)和输入端(402)通过第三管路和阀门V3、阀门V4构成第三循环回路，地埋管换热单元(4)的输出端(401)和输入端(402)通过第四管路和阀门V7、阀门V8构成第四循环回路，地埋管换热单元(4)的输出管路上设有循环泵P2，循环泵P2为第三循环回路和第四循环回路提供循环驱动力；第一循环回路和第四循环回路在冷凝器(204)处设有第一共用管路(5)，第一共用管路(5)与冷凝器(204)耦合并进行热交换，阀门V1和阀门V2与V7和阀门V8均分别设在第一共用管路(5)的两端外侧，第二循环回路与第三循环回路在蒸发器(202)处设有第二共用管路(6)，第二共用管路(6)与蒸发器(202)耦合并进行热交换，阀门V5和阀门V6与V3和阀门V4均分别设在第二共用管路(6)的两端外侧；集热单元(3)的输入端和输出端通过第五管路分别与地埋管换热单元(4)的输出端(401)和输入端(402)连通构成第五循环回路，连接集热单元(3)输入端和输出端的管路上分别设有阀门V10和阀门V9，所述地埋管换热单元(4)设有多组地埋管，所述地埋管深度为50～150米，相邻组地埋管之间的距离为3～6米。
2.按照权利要求1所述的一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，其特征在于：所述集热单元(3)为空气热能采集装置，空气热能采集装置包括水气换热器和水循环回路，水气换热器设在水循环回路中，水循环回路与第五循环回路连通或耦合，空气热能采集装置用于夏季热空气与第五循环回路进行热交换实现地下蓄热。
3.按照权利要求1所述的一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，其特征在于：所述集热单元(3)为太阳能装置，太阳能装置包括集热器和水循环回路，水循环回路与第五循环回路连通或耦合，太阳能装置用于夏季太阳能与第五循环回路进行热交换实现地下蓄热。
4.按照权利要求1所述的一种地下蓄能与地源热泵式空调集成系统，其特征在于：所述集热单元(3)为工业废热集热器，工业废热集热器处在工业废热或余热循环管路上，工业废热集热器与第五循环回路耦合，工业废热集热器用于夏季工业废热或余热与第五循环回路进行热交换实现地下蓄热。
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