CN104781611A - 考虑到在加热操作期间连接到热泵的热源侧的换热器的流动方向逆转来转换热泵的热流的阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阀装置，该阀装置包括转换阀，所述转换阀具有壳体(7)，所述壳体具有连接到热泵的至少四个连接管(8)并具有各有至少两个连接管被分别连接到热源和散热器的至少四个连接管(9)，所述壳体具有至少一个阀体(10)并具有用于使所述阀体在所述壳体中相对于不同的连接管移动的驱动元件，该阀装置进一步包括换热器(2)，所述换热器在加热操作期间被连接到所述热泵的所述热源侧，在该换热器中，当在加热操作和冷却操作之间进行转换时，可以产生热交换介质的流动方向逆转。

Description

考虑到在加热操作期间连接到热泵的热源侧的换热器的流动方向逆转来转换热泵的热流的阀
技术领域
本发明涉及一种根据装置权利要求1前序部分的用于借助使热流转换以不同的方式来操作热泵的阀装置，以及一种用于以不同的方式来操作热泵的方法。
背景技术
建筑物既可以被热泵加热又可以被热泵冷却。建筑物从加热模式到冷却模式的转换可以以不同的方式来产生，但在液压连接下在热泵内侧或热泵外侧需要积极转变。仅仅借助这种转变，例如在冷却操作期间，热量可以从建筑物排出，其中在加热操作之前、及加热操作期间，热量被释放。
在典型的热泵装置以及在广泛使用的空调(被指定用于加热和冷却操作)中，该转换发生在热泵循环内。从而通过将蒸发器变成冷凝器以及将冷凝器变成蒸发器使热泵改变操作模式。这种转换是不理想的，并且导致两种操作模式之一的效率损失，因为蒸发器和冷凝器部件并不相同。而且，冷却介质循环因附加的(对转换是必要的)阀设备而变得更加复杂。
由于所提到的弊端，期望使用不同的可能方案进行转换。进一步的可能方案是保持热泵循环不变，但是例如在切换操作模式期间(例如，如DE 2542728 A1描述的，从加热模式切换到其它模式，例如切换到冷却模式)将安装侧上的热源和散热器互换。然而，所提到的互换导致介质热源和散热器之间的混合。因此，提到方式的外部转换仅适合于在热源侧和散热器侧使用相同介质的时候。由此，例如空气-水式和盐水-水式热泵被排除，除非使用防止介质混合的附加的换热器。
如今构建的热泵装置常常用地热探针(geothermal probe)来操作。由于温和气候区盛行的自然温度梯度，出于效率的原因，对于借助热泵的加热来说使用深于300m的地热探针是令人感兴趣的。对于时下标准使用的U形/双U形管状探针，如此巨大的深度下，介质循环的压力损失是相当大的。
而且，针对这种类型的探针，会发生热短路，使得深层地热探针钻探的潜力可能无法用到全容量。作为另选的探针类型，例如所谓的同轴地热探针可能是适当的。在这样的探针中，传热介质流过外部管和内部理想绝热的(具有较小的直径)中央管两者。为了在热泵的加热操作期间更好地使用高温的潜能，去加热的传热介质在外部管内侧的地热探针中流入深处，并且被持续加热。在地热探针的端部达到最高温度，并且传热介质在内部中央管内侧流回到热泵。在热泵的冷却操作期间，热源和散热器被互换，并且地热探针的流动方向被逆转。从而，使从热泵的冷凝器导走的热量返回至最高温度并返回至地热探针在地下的最深点，并且被有效地存储在那里。被加热的传热介质由此在中央管内侧向下流动并在外部管内侧向后流动。随后结合图1更详细地解释在加热操作期间连接到热泵的热源侧的换热器在加热操作和冷却操作之间进行转换期间的流动方向逆转。
如今很少会通过目前可得到(四通阀、三通阀、截止阀，等等)的阀类型应用热流在安装侧的转换来替代热泵中的冷却介质转换，，这样的转换方式会导致巨大的液压系统：至少2个单独的阀用于简单的加热/冷却转换，至少3个阀用于转换(包括地热探针和大量连接的流动方向逆转)，还会产生高额的安装费用和相应成本。用于实施外部转换而增加的材料和安装费用和额外的流动方向逆转限制了该解决方案的推广。为此原因，需要包括流动方向逆转的用于转换热流技术解决方案，该解决方案要简单并随之要减少材料和安装费用。
诸如EP 0 967 447 A1中描述的可能的解决方案致使用一个单阀将热源和散热器互换，但不会致使例如被连接的同轴地热探针的流动方向逆转。因此，本发明的目标是提出这样一种可行性：使在加热操作期间连接到热泵的热源侧(诸如地热探针)的换热器的流动方向逆转而转换热流，并且该解决方案是简单的并可以减少材料和安装费用。
如还在EP 0 967 447 A1中描述的，本发明主要思想的是利用一个单阀获得热泵的简单外部转换，该热泵在热源侧和散热器侧均使用相同的液体介质。
例如，所述阀应该形成为使得在不同的实施方式中，连同所述热源侧和散热器侧的简单转换还有流动方向逆转都可以在地热探针中实现。而且，所述阀应该根据需要给出旁通所述热泵的可能性，以直接使所述热源侧和散热器侧短路并且允许例如与地热探针组合来直接冷却(所谓的“自由冷却”)建筑物和/或例如利用集热器对土壤直接再生(direct regeneration)。
发明内容
根据本发明，根据装置独立权利要求的措词，提出用于以不同的方式操作热泵，比如用于转换热泵的热流的阀装置。
提出了所述阀装置包括转换阀和换热器。所述转换阀具有壳体，所述壳体具有连接到所述热泵的至少四个连接件；以及至少四个连接件，其中至少两个连接件被连接到热源并且至少两个连接件被连接到散热器，所述壳体具有至少一个阀体以及用于使所述阀体在所述壳体中相对于不同的连接件相对地移动的驱动元件。所述换热器被连接到所述阀，使得所述换热器在所述热泵的加热操作期间被连接到所述热泵的所述热源侧，并且使得在加热操作和冷却操作之间转换所述热泵期间将所述换热器中的所述传热介质的流动方向逆转。作为换热器，例如可以使用同轴地热探针。
根据一实施方式，提出所述转换阀的所述阀体显示如同空洞形通道的渗透部(penetration)，所述渗透部的至少一部分根据操作模式将所述壳体中的至少两个连接件以不同的方式彼此连接。
根据一实施方式，提出所述阀体被设计成旋转对称的，例如柱形或球形，并且能围绕壳状的阀体相对于所述壳体旋转，用于以不同的方式将所述连接件彼此连接。
根据另一实施方式，提出所述阀体能相对于所述壳体线性移动，从而所述连接件能借助平移运动根据操作模式以不同的方式彼此连接。本发明的其它实施方式表征于从属权利要求中。
此外，提出一种用于根据权利要求11的措词通过转换所述热泵的热流来以不同的方式操作热泵的方法。
根据本发明的方法的其它实施方式表征于从属权利要求中。
附图说明
现在参照示出例证性实施方式的附图来进一步解释本发明。
图1a和图1b示出了具有根据本发明的阀装置的热泵系统的液压连接的示例；
图2示出了具有被连接的换热器的根据本发明的转换阀的示意性截面图，该换热器在加热操作期间连接到热泵的热源侧；
图3和图4示出了也具有相连接的换热器的根据本发明的转换阀的两个示例性实施方式的示意性截面图，该换热器在加热操作期间连接到热泵的热源侧；以及
图5示意性地示出了在转换阀的不同连接器之间具有连接的不同操作模式和相连接的换热器的流动方向，该换热器在加热操作期间连接到热泵的热源侧。
具体实施方式
图1a和图1b示出了热泵系统的液压连接的示例，该热泵系统具有热泵1、同轴地热探针2、集热器3、室内释放系统4、循环泵5和根据本发明的阀装置的阀装置6。
分别地，图1a示出了加热操作期间的系统，图1b示出了冷却操作期间的系统，二者均具有示例性的操作温度。在加热操作期间，关闭集热器的循环，并且同轴地热探针从外侧流向内侧(从α到β)。在冷却操作期间，启动集热器的循环，同轴地热探针内侧的流动方向被逆转，并且发生从内侧向外侧(从β到α)流动。流动方向的逆转分别选择性地防止和选择性地支持探针流体与探针长度旁边的土壤之间的传热。
外部转换允许热泵的冷却循环的持续和一致的操作，并从而增加了在两种操作模式(加热模式和冷却模式)上分析出的热泵的平均效率。
通过将连接的复杂度定位在一个单阀中使本发明减少了液压安装的复杂度，该复杂度由通过使用经典的阀技术的流动方向逆转的外部转换所产生。因此，安装费用得以减少，并且可以实现有利的解决方案。从用于转换加热/冷却(包括探针的流动方向的逆转)的至少三个四通阀或四个三通阀减少到一个单阀通过节省空间还提高了将外部转换集成到热泵的壳体中的可能性。
此外，阀装置的转换阀允许额外特征的简单集成，诸如：针对“自由冷却”模式旁通热泵；或者针对土壤的直接再生使用集热器；或者与同轴地热探针的流动方向逆转相关地将地热探针与将集热器的流动顺序互换，等。
根据本发明，如图2示出的，阀装置的转换阀包括：壳体7，该壳体7具有用于热泵8和用于热源/散热器9的连接件；阀体10；以及驱动元件11，该驱动元件11具有用于直接连接例如集热器的连接件的可能的外延部。
阀体10包括分别以特殊的方式将热泵侧8的连接件连接到源/散热器侧9的连接件的空腔、渗透部。取决于操作模式(加热/冷却、“自由冷却”、土壤再生，等等)，该连接件彼此连接。而且，与图2的例示相反，热泵的连接器和源/散热器侧的连接器均可以布置在阀体的两侧。如果需要，连接器可以布置在所有的侧面。
对于阀装置，如图2示出的，不同的实施方式可以根据所描述的发明转换热流。两个可行的实施方式分别通过围绕x轴、y轴的旋转运动，并且分别基于在外壳表面上或者在正面上具有渗透部的柱形阀体被转换。也能想到将另一种旋转的对称几何结构(诸如球)作为阀体。另一实施方式基于线性滑动器，该线性滑动器借助沿着x轴或横过x轴的平移运动实现转换。
本发明的特征在于，在一个单个元件(阀)内使外部转换和流动方向逆转发生在换热器中，该换热器在加热操作期间连接到热泵的热源侧(诸如地热探针)，并且仅有一个调整元件对转换是必要的。作为图2中示出的实施方式的另选实施方式，连接器的连接还可以限定在壳体7中，并且替代阀体10，还可以使用简单的控制盘，该控制盘选择性地释放壳体中的某些连接并且分离其他连接。
在图3和图4中，示出了根据本发明的阀装置的两个示例性实施方式。作为所提到的阀装置的部件，转换阀以截面图被示出为：一方面，作为柱体围绕x轴旋转(图3)，另一方面，作为轴向滑动器沿着x轴移动(图4)。在两个实施方式中，在加热操作期间连接到热泵的热源侧的换热器被连接到转换阀。在两个实施方式中，转换发生在热源侧和散热器侧之间，并且在被连接的换热器中流动方向被逆转。
柱形转换阀的位置示出了图3的上图的加热操作，使得i被连接到A，ii被连接到C，iii被连接到B，并且iv被连接到D。被连接的换热器供从连接器α向连接器β的方向上流动通过。在冷却操作期间(图3的下图)，连接器彼此连接如下：i被连接到C，ii被连接到A，iii被连接到D，并且iv被连接到B。被连接的换热器供从连接器β向连接器α的方向上流动通过。
在图4的上图中，阀在轴向实施方式中示出为处于用于加热操作的位置，使得还是i被连接到A，ii被连接到B，iii被连接到C，并且iv被连接到D。在该实施方式中，在加热操作期间iv和D之间的连接不仅由阀体实现，而且由阀体和壳体空腔实现。被连接的换热器供从连接器α向连接器β的方向上流动通过。在冷却操作期间(图4的下图)，连接器彼此连接如下：i被连接到B，ii被连接到D，iii被连接到A，并且iv被连接到C。针对示出的布置，在冷却操作期间热泵和源/散热器之间的连接再次由阀体单独实现。被连接的换热器供从连接器β向连接器α的方向上流动通过。
针对不同的操作模式，示例性地例示了热泵和源/散热器侧之间的连接，以及在加热操作期间连接到热泵的热源侧的换热器的流动方向。
在图5中，针对不同操作模式的阀装置的不同连接器之间的连接和被连接的换热器的流动方向均被示意性地示出。对于包括流动方向逆转的热源侧和散热器侧的外部转换(图5，位置a-c)，热泵、释放系统和换热器(例如地热探针)被连接到阀装置。在阀装置的可能的外延部的情况下，集热器被另外地连接到阀装置(图5，位置d-f)。借助所述外延部，分别可以维持地热探针和集热器的流动顺序，或者在同时逆转地热探针内侧的流动方向期间使顺序互换。
图5中的不同操作模式如下：
位置a：加热
位置b：用地热探针中的流动方向逆转进行冷却
位置c：自由冷却
位置d：可能的外延部；用集热器和同轴地热探针加热
位置e：可能的外延部；用集热器和同轴地热探针冷却
位置f：可能的外延部；用集热器使土壤再生
说明
i   冷凝器出
ii  蒸发器入
iii 蒸发器出
iv  冷凝器入
A   室VL
B   换热器连接器α
C   换热器连接器β
D   室RL
E   VL集热器
F   RL集热器
在图1至图5中描绘的根据本发明的阀装置的两个可行实施方式，以及所描述的方法当然仅是为了更好地理解本发明的示例。
特别地，所示出的阀装置仅是示例，并且其它实施方式也是可能的。例如，能想到的是，阀体形成为一球，并且借助使阀体在围绕阀体的壳形壳体内侧旋转，使不同的连接器可以彼此连接(如图5所示)。替代滑动器，气缸当然可以在壳体内侧线性移动，并且根据需要，连接的各部分可以已经被指定在壳体内侧。还能想到如线性滑动器的解决方案，该线性滑动器相对于x轴横向滑动并且分别在阀体中包括对应于外部连接器数量的每个位置渗透部。本发明不特别强调用于生产壳体和阀体的材料选择，因为根据要求可以使用金属材料以及聚合物、陶瓷或其它材料。本发明亦不特别强调阀的控制，因为这种可能性是无穷的。

Claims (14)

1.一种阀装置，该阀装置包括转换阀，所述转换阀具有壳体(7)，所述壳体具有连接到热泵的至少四个连接件(8)，以及至少两个连接件被连接到热源并且至少两个连接件被连接到散热器的至少四个连接件(9)，所述壳体具有至少一个阀体(10)以及用于使所述阀体在所述壳体中相对于不同的连接件相对地移动的驱动元件，该阀装置进一步包括换热器(2)，所述换热器在加热操作期间被连接到所述热泵的所述热源侧，在该换热器中，当在加热操作和冷却操作之间进行转换时，能够产生传热介质的流动方向逆转。
2.根据权利要求1所述的阀装置，其特征在于，所述阀体(10)包括渗透部或空洞形通道，所述渗透部或空洞形通道中的至少一些根据操作模式将至少两个连接件以不同的方式彼此连接。
3.根据权利要求1或2所述的阀装置，其特征在于，所述阀体被设计成旋转对称的，比如柱形或球形，并且能相对于围绕所述阀体的所述壳体旋转，用于以不同的方式将所述连接件彼此连接。
4.根据权利要求1或2所述的阀装置，其特征在于，所述阀体能相对于所述壳体线性移动，从而所述连接件能借助平移运动根据操作模式以不同的方式彼此连接。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的阀装置，其特征在于，所述驱动元件由机械驱动件形成，其中手动地或基于例如电能进行控制。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的阀装置，其特征在于，至少两个连接器被指定用于冷凝器，至少两个连接器被指定用于蒸发器，至少两个连接器分别被指定用于冷却或加热循环，并且至少两个连接器被指定用于热源/散热器和/或热量存储装置，诸如地热探针。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的阀装置，其特征在于，所述连接件能以不同的方式连接，使得所述热泵的所述热源和散热器被互换，从而既允许加热操作也允许冷却操作。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的阀装置，其特征在于，所述连接器能连接成使得所述热源和散热器的所述连接件能彼此直接连接。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的阀装置，其特征在于，所述壳体中的另一些连接器被指定用于连接附属装置，比如集热器、另一冷却或加热循环、热量存储装置，等等。
10.一种热泵系统，该热泵系统包括热泵、同轴地热探针、室内释放系统、循环泵以及根据需要具有根据权利要求1至9中的任一项所述的阀装置的集热器。
11.一种用于通过转换热泵的热流以不同的方式操作热泵、以及用于在加热操作期间连接到所述热泵的热源侧的换热器中产生流动方向逆转的方法，其特征在于，所述热泵被至少四个连接器连接到阀装置的壳体，以及至少一个热源和至少一个散热器也均被至少两个连接器连接到相同的壳体，并且通过借助位于所述壳体中的相对于所述壳体移动的阀体将所述连接器以不同的方式彼此连接来进行不同的操作模式。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法至少均利用热源/散热器，诸如热量吸收/热量释放系统以及地热探针来加热或冷却建筑物，其特征在于，借助所述阀体的所述渗透部或空洞形通道使所述热泵和所述热源/散热器的所述连接器切换，使得能够以不同方式使用所述热泵(加热/冷却)而无需逆转内部冷却介质流。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，特别是在同轴地热探针中，通过将所述连接器以不同的方式连接而产生流动方向的逆转。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其特征在于，通过在使用一个或多个集热器的情况下布置另一些连接器，并以不同的方式将所述连接器连接，在根据需要同时使所述地热探针的流动方向逆转期间，集热器和地热探针的流动顺序可保持不变。
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