CN112344470A - 利用清洁能源的复合源热泵空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用清洁能源的复合源热泵空调系统及其控制方法，解决了现有空调系统不能充分利用自然能源来降低能耗的技术问题。本发明包括通过换热器进行热交换的自然水源循环管路和外循环管路，外循环管路并联有空气源热泵模块机组，外循环管路经过水源热泵机组的冷凝器和蒸发器连接有内循环管路，内循环管路与空调末端相连，内循环管路和外循环管路在与水源热泵机组的能量交换处具有共用的进水管路和共用的排水管路，使的自然水源供能的温度调节模式与空气源热泵模块机组供能的温度调节模式能够便捷地转换。本发明不仅兼顾冷暖两用，有效降低用户使用空调的综合成本，改善生活环境的同时保护了地下水资源免受破坏。

Description

利用清洁能源的复合源热泵空调系统
技术领域
本发明涉及空调能源综合利用的技术领域，特别是指利用清洁能源的复合源热泵空调系统及其控制方法。
背景技术
空气能热泵机组，在夏季制冷时，高温高压的气态冷媒与外界空气进行热量交换，受外界环境温度高的影响，风冷类热泵机组运行在高负荷状态，风冷类热泵机组能耗较大，能效较低，运行费用较高。而水源热泵机组，其散热侧与水进行热量交换，其换热效率高，可降低压缩机的负荷，进而使压缩机运行在高能效状态，其能效系数一般比风冷类热泵机组提高50%～70%，因此具有节能环保，降低运行费用的优势。
但水源热泵机组如果要在冬季制取空调热水，则必须采用地埋管或打井的方式从土壤源或地下水中采集热量，但地埋管或打井这两种方式均有施工复杂、投资费用高的缺点。并且，地埋管方式占地面积很大，在土地价格日益高昂的大城市土地经费投入高，而采用打井提取地下水的方式，如果施工不规范或不进行回灌等可能会带来地面沉降问题。因此，水源热泵机组在大城市受到一些限制。
为了降低耗能、提高能源利用率，空调领域有地源热泵、水源热泵、空气能热泵、水冷冷水机组、锅炉等相结合的系统模式，提高了系统的灵活性和能效比。但现实生活中还有好多能源可以加以利用，如污水热量、中水冷却、河流冷却等，如果能够在不同季节对不同的能源加以利用，则可以进一步提高能源利用率，进而降低现有空调系统的能耗。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出利用清洁能源的复合源热泵空调系统及其控制方法，解决了现有空调系统不能充分利用自然能源来降低能耗的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：利用清洁能源的复合源热泵空调系统，包括通过换热器进行热交换的自然水源循环管路和外循环管路，外循环管路并联有空气源热泵模块机组，外循环管路经过水源热泵机组的冷凝器和蒸发器连接有内循环管路，内循环管路与空调末端相连，外循环管路的进水端并联设置有制冷外循环进水开关阀和制热外循环进水开关阀、回水端并联设置有制冷外循环回水开关阀和制热外循环回水开关阀，内循环管路的进水端并联设置有制热内循环进水开关阀和制冷内循环进水开关阀、回水端并联设置有制热内循环回水开关阀和制冷内循环回水开关阀，制热内循环回水开关阀和制冷外循环进水开关阀之间设置有通向冷凝器的共用进水管路A，制热内循环进水开关阀和制冷外循环回水开关阀之间设置有连接共用进水管路A的共用排水管路B，制冷内循环回水开关阀和制热外循环进水开关阀之间设置有通向蒸发器的共用进水管路C，制冷内循环进水开关阀和制热外循环回水开关阀之间设置有连接共用进水管路C的共用排水管路D。
进一步地，所述自然水源循环管路包括通过过滤板与河水或湖水相连的蓄水沉淀池，蓄水沉淀池内设置有通过自动排污过滤器与所述换热器的一次侧进水端相连的提升泵，换热器的一次侧回水端与自然水源相连。
进一步地，所述换热器的二次侧回水端及空气源热泵模块机组的出水端连接有第一储能水箱，空气源热泵模块机组的出水端与第一储能水箱之间设置有制热外循环供水开关阀，换热器的二次侧回水端与第一储能水箱之间设置有制冷外循环供水开关阀，第一储能水箱通过冷热源外循环泵与制热外循环进水开关阀和制冷外循环进水开关阀相连。
进一步地，所述制热外循环回水开关阀和制冷外循环回水开关阀通过第二储能水箱分别与换热器的二次侧进水端及空气源热泵模块机组的进水端相连，第二储能水箱与换热器的二次侧进水端之间设置有制冷外循环回水二次开关阀，第二储能水箱与空气源热泵模块机组的进水端之间设置有制热外循环回水二次开关阀。
进一步地，所述空调末端连接在内循环管路的进水端和回水端之间，空调末端包括风机盘管和/或组合式空调箱和/或预冷空调箱和/或全新风机组，内循环管路的进水端和回水端之间设置有冷热源内循环泵。
进一步地，所述自然水源循环管路的回水端和/或换热器的各个进水端和回水端和/或空气源热泵模块机组的进水端和出水端和/或第一储能水箱的出水端和/或第二储能水箱的进水端和/或冷热源外循环泵的进水端和出水端和/或冷热源内循环泵的进水端和出水端和/或空调末端的进水端和出水端设置有开关阀。
进一步地，所述共用进水管路A、共用排水管路B、共用进水管路C和共用排水管路D上均设置有开关阀。
进一步地，各个开关阀为手动阀或与上位机相连的电磁阀。
利用清洁能源的复合源热泵空调系统的控制方法，包括①夏季制冷模式和②冬季制热模式，①夏季制冷模式时，关闭下列部件：空气源热泵模块机组、制热外循环供水开关阀、制热外循环进水开关阀、制热外循环回水开关阀、制热外循环回水二次开关阀、制热内循环进水开关阀、制热内循环回水开关阀，且打开下列部件：提升泵、制冷外循环供水开关阀、冷热源外循环泵、制冷外循环进水开关阀、制冷外循环回水开关阀、制冷外循环供水开关阀、制冷外循环回水二次开关阀、制冷内循环进水开关阀、制冷内循环回水开关阀、冷热源内循环泵，其他各个开关阀均打开；
②冬季制热模式时，关闭下列部件：提升泵、制冷外循环供水开关阀、制冷外循环进水开关阀、制冷外循环回水开关阀、制冷外循环供水开关阀、制冷外循环回水二次开关阀、制冷内循环进水开关阀、制冷内循环回水开关阀、冷热源内循环泵，且打开下列部件：空气源热泵模块机组、制热外循环供水开关阀、冷热源外循环泵、制热外循环进水开关阀、制热外循环回水开关阀、制热外循环回水二次开关阀、制热内循环进水开关阀、制热内循环回水开关阀、冷热源内循环泵，其他各个开关阀均打开。
进一步地，还包括③过渡季节制冷模式和④过渡季节制热模式：
③过渡季节制冷模式的控制与①夏季制冷模式的控制相同；
④过渡季节制热模式时与冬季制热模式相同；
或者④过渡季节制热模式时，关闭下列部件：空气源热泵模块机组、制热外循环供水开关阀、制冷外循环进水开关阀、制冷外循环回水开关阀、制热外循环回水二次开关阀、制冷内循环进水开关阀、制冷内循环回水开关阀，且打开下列部件：提升泵、制冷外循环供水开关阀、冷热源外循环泵、制热外循环进水开关阀、制热外循环回水开关阀、制冷外循环回水二次开关阀、制热内循环进水开关阀、制热内循环回水开关阀、冷热源内循环泵，其他各个开关阀均打开。
本发明在热泵系统技术应用的基础上，在夏季时，可通过利用河水或湖水带走机组冷凝器中的热量，而湖/河水的平均取水水温在22℃左右，能有效提升主机能效，实现和大自然共存的动态平衡，合理利用自然冷源；在过渡季节如需制冷或制热时，则可利用高效的湖水源或河水源等自然能源，可根据检测的水温，优先开启③过渡季节制冷模式和④过渡季节制热模式；在冬季时，可利用空气源热泵技术的制热功能（热水出水温度20摄氏度，空气源热泵机组能效比最高），模拟并提供优于水源热泵机组热源侧地下水的工况环境，使水源热泵主机达到高效的供热状况，同时通过储能水箱，节约能效，减少温度波动。
本发明不仅兼顾冷暖两用，有效降低用户使用空调的综合成本，改善生活环境的同时保护了地下水资源免受破坏。本发明不仅充分利用了高效的自然资源，而且通过设计特殊的管道系统，能够便捷地在夏季、冬季及过度季节转换制冷和制热模式，既达到了水源供热和制冷的特殊效果，而且管路和开关阀布置巧妙合理，能够大幅降低材料成本、施工成本，也缩减了安装空间和维护成本。本发明既增强了用户的体验，又提高了企业的核心竞争力，从而促进经济持续健康发展，具备巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的原理图；
图2为图1中水源热泵机组与外循环管路、内循环管路连接处的放大图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，利用清洁能源的复合源热泵空调系统，如图1和图2所示，包括通过换热器9进行热交换的自然水源循环管路和外循环管路，外循环管路并联有空气源热泵模块机组33，外循环管路经过水源热泵机组的冷凝器10和蒸发器11连接有内循环管路，内循环管路与空调末端21相连。自然水源循环管路可以将温度较低的自然水源带至换热器9的一次侧循环流动，进而与换热器9二次侧的外循环管路进行热量交换，把外循环管路中的热量带至自然水源中。外循环管路通过换热器9的降温或空气源热泵模块机组33的加热，能够对水源热泵机组的冷凝器10或蒸发器11进行降温或加热，则经过冷凝器10或蒸发器11的内循环管路对空调末端21进行调温或加湿或净化。
具体地，所述自然水源循环管路包括通过过滤板12与河水或湖水相连的蓄水沉淀池13，河水或湖水水体上部21~32℃、底部维持在4~13℃、中部较小的范围内形成一个斜温层，蓄水沉淀池13能够从河水或湖水得到合适的冷量。蓄水沉淀池13内设置有通过自动排污过滤器24与所述换热器9的一次侧进水端相连的提升泵14，换热器9的一次侧回水端与自然水源相连，通过提升泵14使得河水或湖水能够循环在换热器9的一次侧流动，通过换热器9向外循环管路持续提供冷量。
所述换热器9的二次侧回水端及空气源热泵模块机组33的出水端连接有第一储能水箱15，空气源热泵模块机组33的出水端与第一储能水箱15之间设置有制热外循环供水开关阀16，换热器9的二次侧回水端与第一储能水箱15之间设置有制冷外循环供水开关阀17。通过对制热外循环供水开关阀16和制冷外循环供水开关阀17进行调控，可以分别将经过换热器9的外循环管路内的循环水和空气源热泵模块机组33加热够的循环水进入第一储能水箱15中，达到节约能效、减少温度波动的效果。
所述第一储能水箱15的出水端通过冷热源外循环泵22与水源热泵机组的冷凝器10和蒸发器11相连，冷热源外循环泵22将第一储能水箱15中的冷水或热水分别对冷凝器10和蒸发器11进行相应地能量交换，内循环管路通过与冷凝器10和蒸发器11进行相应的能量交换后，持续给空调末端21进行降温或加热。所述空调末端21连接在内循环管路的进水端和回水端之间，空调末端21包括风机盘管25和/或组合式空调箱26和/或预冷空调箱27和/或全新风机组28，内循环管路的进水端和回水端之间设置有冷热源内循环泵23。
具体地，外循环管路通向水源热泵机组的进水端并联设置有制冷外循环进水开关阀6和制热外循环进水开关阀5、回水端并联设置有制冷外循环回水开关阀8和制热外循环回水开关阀7，内循环管路通向空调末端21的进水端并联设置有制热内循环进水开关阀4和制冷内循环进水开关阀3、回水端并联设置有制热内循环回水开关阀2和制冷内循环回水开关阀1。制热内循环回水开关阀2和制冷外循环进水开关阀6之间设置有通向冷凝器10的共用进水管路A29，制热内循环进水开关阀4和制冷外循环回水开关阀8之间设置有连接共用进水管路A29的共用排水管路B30，制冷内循环回水开关阀1和制热外循环进水开关阀5之间设置有通向蒸发器11的共用进水管路C31，制冷内循环进水开关阀3和制热外循环回水开关阀7之间设置有连接共用进水管路C31的共用排水管路D32。
所述第一储能水箱15通过冷热源外循环泵22与制热外循环进水开关阀5和制冷外循环进水开关阀6相连。所述制热外循环回水开关阀7和制冷外循环回水开关阀8通过第二储能水箱18分别与换热器9的二次侧进水端及空气源热泵模块机组33的进水端相连，第二储能水箱18与换热器9的二次侧进水端之间设置有制冷外循环回水二次开关阀19，第二储能水箱18与空气源热泵模块机组33的进水端之间设置有制热外循环回水二次开关阀20。
进一步地，所述自然水源循环管路的回水端和换热器9的各个进水端和回水端、空气源热泵模块机组33的进水端和出水端、第一储能水箱15的出水端、第二储能水箱18的进水端、冷热源外循环泵22的进水端和出水端、冷热源内循环泵23的进水端和出水端、空调末端的进水端和出水端均设置有开关阀。所述共用进水管路A29、共用排水管路B30、共用进水管路C31和共用排水管路D32上均设置有开关阀。在进行模式转换或检修时，通过关闭和开启相应地开关阀，不仅能够提高效率、减少浪费，而且能够保证检修现场相对整洁。各个开关阀为手动阀或与上位机相连的电磁阀，既能够手动控制模式转换，又能够远程自动控制模式转换。
实施例2，利用清洁能源的复合源热泵空调系统的控制方法，包括①夏季制冷模式、②冬季制热模式、③过渡季节制冷模式和④过渡季节制热模式。
①夏季制冷模式时，关闭下列部件：空气源热泵模块机组33、制热外循环供水开关阀16、制热外循环进水开关阀5、制热外循环回水开关阀7、制热外循环回水二次开关阀20、制热内循环进水开关阀4、制热内循环回水开关阀2，且打开下列部件：提升泵14、制冷外循环供水开关阀17、冷热源外循环泵22、制冷外循环进水开关阀6、制冷外循环回水开关阀8、制冷外循环供水开关阀17、制冷外循环回水二次开关阀19、制冷内循环进水开关阀3、制冷内循环回水开关阀1、冷热源内循环泵23，其他各个开关阀均打开；
②冬季制热模式时，关闭下列部件：提升泵14、制冷外循环供水开关阀17、制冷外循环进水开关阀6、制冷外循环回水开关阀8、制冷外循环供水开关阀17、制冷外循环回水二次开关阀19、制冷内循环进水开关阀3、制冷内循环回水开关阀1、冷热源内循环泵23，且打开下列部件：空气源热泵模块机组33、制热外循环供水开关阀16、冷热源外循环泵22、制热外循环进水开关阀5、制热外循环回水开关阀7、制热外循环回水二次开关阀20、制热内循环进水开关阀4、制热内循环回水开关阀2、冷热源内循环泵23，其他各个开关阀均打开。
③过渡季节制冷模式的控制与①夏季制冷模式的控制相同；
④过渡季节制热模式时与冬季制热模式相同；
或者④过渡季节制热模式时，关闭下列部件：空气源热泵模块机组33、制热外循环供水开关阀16、制冷外循环进水开关阀6、制冷外循环回水开关阀8、制热外循环回水二次开关阀20、制冷内循环进水开关阀3、制冷内循环回水开关阀1，且打开下列部件：提升泵14、制冷外循环供水开关阀17、冷热源外循环泵22、制热外循环进水开关阀5、制热外循环回水开关阀7、制冷外循环回水二次开关阀19、制热内循环进水开关阀4、制热内循环回水开关阀2、冷热源内循环泵23，其他各个开关阀均打开。
本实施例的结构组成部分与实施例1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：包括通过换热器（9）进行热交换的自然水源循环管路和外循环管路，外循环管路并联有空气源热泵模块机组（33），外循环管路经过水源热泵机组的冷凝器（10）和蒸发器（11）连接有内循环管路，内循环管路与空调末端（21）相连，外循环管路的进水端并联设置有制冷外循环进水开关阀（6）和制热外循环进水开关阀（5）、回水端并联设置有制冷外循环回水开关阀（8）和制热外循环回水开关阀（7），内循环管路的进水端并联设置有制热内循环进水开关阀（4）和制冷内循环进水开关阀（3）、回水端并联设置有制热内循环回水开关阀（2）和制冷内循环回水开关阀（1），制热内循环回水开关阀（2）和制冷外循环进水开关阀（6）之间设置有通向冷凝器（10）的共用进水管路A（29），制热内循环进水开关阀（4）和制冷外循环回水开关阀（8）之间设置有连接共用进水管路A（29）的共用排水管路B（30），制冷内循环回水开关阀（1）和制热外循环进水开关阀（5）之间设置有通向蒸发器（11）的共用进水管路C（31），制冷内循环进水开关阀（3）和制热外循环回水开关阀（7）之间设置有连接共用进水管路C（31）的共用排水管路D（32）。
2.根据权利要求1所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：所述自然水源循环管路包括通过过滤板（12）与河水或湖水相连的蓄水沉淀池（13），蓄水沉淀池（13）内设置有通过自动排污过滤器（24）与所述换热器（9）的一次侧进水端相连的提升泵（14），换热器（9）的一次侧回水端与自然水源相连。
3.根据权利要求1所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：所述换热器（9）的二次侧回水端及空气源热泵模块机组（33）的出水端连接有第一储能水箱（15），空气源热泵模块机组（33）的出水端与第一储能水箱（15）之间设置有制热外循环供水开关阀（16），换热器（9）的二次侧回水端与第一储能水箱（15）之间设置有制冷外循环供水开关阀（17），第一储能水箱（15）通过冷热源外循环泵（22）与制热外循环进水开关阀（5）和制冷外循环进水开关阀（6）相连。
4.根据权利要求3所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：所述制热外循环回水开关阀（7）和制冷外循环回水开关阀（8）通过第二储能水箱（18）分别与换热器（9）的二次侧进水端及空气源热泵模块机组（33）的进水端相连，第二储能水箱（18）与换热器（9）的二次侧进水端之间设置有制冷外循环回水二次开关阀（19），第二储能水箱（18）与空气源热泵模块机组（33）的进水端之间设置有制热外循环回水二次开关阀（20）。
5.根据权利要求4所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：所述空调末端（21）连接在内循环管路的进水端和回水端之间，所述空调末端（21）包括风机盘管（25）和/或组合式空调箱（26）和/或预冷空调箱（27）和/或全新风机组（28），内循环管路的进水端和回水端之间设置有冷热源内循环泵（23）。
6.根据权利要求5所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：所述自然水源循环管路的回水端和/或换热器（9）的各个进水端和回水端和/或空气源热泵模块机组（33）的进水端和出水端和/或第一储能水箱（15）的出水端和/或第二储能水箱（18）的进水端和/或冷热源外循环泵（22）的进水端和出水端和/或冷热源内循环泵（23）的进水端和出水端和/或空调末端的进水端和出水端设置有开关阀。
7.根据权利要求1-6任一项所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：所述共用进水管路A（29）、共用排水管路B（30）、共用进水管路C（31）和共用排水管路D（32）上均设置有开关阀。
8.根据权利要求述7所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统，其特征在于：各个开关阀为手动阀或与上位机相连的电磁阀。
9.根据权利要求8所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统的控制方法，其特征在于：包括①夏季制冷模式和②冬季制热模式：
①夏季制冷模式时，关闭下列部件：空气源热泵模块机组（33）、制热外循环供水开关阀（16）、制热外循环进水开关阀（5）、制热外循环回水开关阀（7）、制热外循环回水二次开关阀（20）、制热内循环进水开关阀（4）、制热内循环回水开关阀（2），且打开下列部件：提升泵（14）、制冷外循环供水开关阀（17）、冷热源外循环泵（22）、制冷外循环进水开关阀（6）、制冷外循环回水开关阀（8）、制冷外循环供水开关阀（17）、制冷外循环回水二次开关阀（19）、制冷内循环进水开关阀（3）、制冷内循环回水开关阀（1）、冷热源内循环泵（23），其他各个开关阀均打开；
②冬季制热模式时，关闭下列部件：提升泵（14）、制冷外循环供水开关阀（17）、制冷外循环进水开关阀（6）、制冷外循环回水开关阀（8）、制冷外循环供水开关阀（17）、制冷外循环回水二次开关阀（19）、制冷内循环进水开关阀（3）、制冷内循环回水开关阀（1）、冷热源内循环泵（23），且打开下列部件：空气源热泵模块机组（33）、制热外循环供水开关阀（16）、冷热源外循环泵（22）、制热外循环进水开关阀（5）、制热外循环回水开关阀（7）、制热外循环回水二次开关阀（20）、制热内循环进水开关阀（4）、制热内循环回水开关阀（2）、冷热源内循环泵（23），其他各个开关阀均打开。
10.根据权利要求9所述的利用清洁能源的复合源热泵空调系统的控制方法，其特征在于：包括③过渡季节制冷模式和④过渡季节制热模式：
③过渡季节制冷模式的控制与①夏季制冷模式的控制相同；
④过渡季节制热模式时与冬季制热模式相同；
或者④过渡季节制热模式时，关闭下列部件：空气源热泵模块机组（33）、制热外循环供水开关阀（16）、制冷外循环进水开关阀（6）、制冷外循环回水开关阀（8）、制热外循环回水二次开关阀（20）、制冷内循环进水开关阀（3）、制冷内循环回水开关阀（1），且打开下列部件：提升泵（14）、制冷外循环供水开关阀（17）、冷热源外循环泵（22）、制热外循环进水开关阀（5）、制热外循环回水开关阀（7）、制冷外循环回水二次开关阀（19）、制热内循环进水开关阀（4）、制热内循环回水开关阀（2）、冷热源内循环泵（23），其他各个开关阀均打开。
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