CN112361472A - 土壤源热泵多功能中央空调系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了土壤源热泵多功能中央空调系统及其控制方法，包括补水单元、集热水箱、用水末端循环系统和土壤源热泵系统，土壤源热泵系统包括埋地换热管、双冷凝器土壤源热泵和室内末端，双冷凝器土壤源热泵与室内末端、集热水箱、埋地换热管循环连接，空调末端与集热水箱分别与双冷凝器土壤源热泵的不同冷凝器相连。本发明在不增加埋地换热管长度的基础上满足建筑物夏季负荷的要求，同时通过两级冷凝器热回收换热器可以吸收部分系统在夏季制冷工况下产生的冷凝热，减少系统向土壤中的排热，平衡了冬夏两季冷热负荷，增强了土壤源热泵系统的能效比和运行性能，同时可以利用热泵系统热回收的冷凝器制备生活热水，提高系统利用率。
Description
技术领域
本发明涉及空调能源综合利用的技术领域，特别是指土壤源热泵多功能中央空调系统及其控制方法。
背景技术
土壤源热泵实质上是一种热量提升装置，它本身消耗一部分电能，从环境介质中提取几倍于输入电能的能量，提高温位进行利用，这也是热泵节能的原因。
具体地说，土壤源热泵是以大地为热源对建筑进行温度调节的技术，冬季通过土壤源热泵将大地中的低位热能提高品位对建筑供暖，同时储存冷量，以备夏用；夏季通过土壤源热泵将建筑进行降温，同时储存热量，以备冬用，大地在整个循环中起到了蓄热器的作用。土壤源热泵主要利用地热资源实现高位能源转移，地热资源包括很多种，土壤源热泵主要利用了大地表面地热资源以及地下水地热资源。当土壤源热泵长时间运行时，地下埋管处的土壤温度会逐渐升高，在夏季埋管内流动介质与土壤之间的温差会降低，从而减弱了地下埋管与土壤之间的换热能力，最终影响到系统的能效比和运行性能，在这种情况下造成的土壤源热泵系统对土壤在夏季和冬季放热和吸热不平衡。
因此，现有土壤源热泵不仅能效比低、运行性能不稳定，而且在夏季其热量不能快速散出，造成了能源浪费，亟需设计一种能源综合利用的土壤源热泵系统来提高能效比和运行稳定性，充分利用地源能源。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出土壤源热泵多功能中央空调系统及其控制方法，解决了现有土壤源热泵不仅能效比低、运行性能不稳定，而且夏季土壤温度高而冬夏两季冷热负荷不平衡的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种土壤源热泵多功能中央空调系统，包括连接有补水单元的集热水箱，所述集热水箱连接有用水末端循环系统和土壤源热泵系统，所述土壤源热泵系统包括埋地换热管、双冷凝器土壤源热泵和室内末端，双冷凝器土壤源热泵通过空调进水管和空调回水管及空调循环泵与室内末端循环连接、加热进水管和加热回水管及加热循环泵与集热水箱循环连接、通过热交换进水管和热交换回水管及热交换循环泵与埋地换热管循环连接，空调末端与集热水箱分别与双冷凝器土壤源热泵的不同冷凝器相连。
所述空调进水管与热交换进水管之间设置有第一管路，空调进水管与热交换回水管之间设置有第二管路，空调回水管与热交换进水管之间设置有第三管路，空调回水管与热交换回水管之间设置有，双冷凝器土壤源热泵的蒸发器与第一管路和第四管路循环相连，双冷凝器土壤源热泵的第一冷凝器与第二管路和第三管路循环相连，双冷凝器土壤源热泵的第二冷凝器与加热进水管和加热回水管循环相连，第一管路和第四管路上与蒸发器的连接处的前端设置有冬季开启阀门、后端设置有夏季开启阀门，第二管路和第三管路上与第一冷凝器的连接处的前端设置有夏季开启阀门、后端设置有冬季开启阀门。
所述集热水箱内设置有与控制系统相连的水位传感器和温度传感器，控制系统与补水单元、加热循环泵、空调循环泵、热交换循环泵、双冷凝器土壤源热泵、用水末端循环系统及冬季开启阀门和夏季开启阀门相连。
所述空调末端包括地暖水管系统、室内侧空调末端、室内侧组合式空气处理机组。
所述用水末端循环系统包括通过末端进水管、末端回水管及末端循环泵与集热水箱相连的末端循环单元，末端循环单元与末端进水管之间、与末端回水管之间设置有与控制系统相连的单元阀，末端进水管上设置有与控制系统相连的末端进水阀和银离子消毒过滤装置，末端回水管上均设置有与控制系统相连的末端回水阀。
所述空调进水管和空调回水管之间设置有空调分水器和空调集水器，所述空调末端连接在空调分水器和空调集水器之间。
所述热交换进水管、热交换回水管通过换热分水器和换热集水器与埋地换热管相连，换热集水器与热交换回水管之间设置有埋管侧微泡排气除污装置。
土壤源热泵多功能中央空调系统的控制方法，包括以下阶段：
系统开始阶段：控制系统实时接收水位传感器的监测数据，当集热水箱内的水位低于下限水位时，控制系统控制补水单元的补水阀打开，进行补水；当集热水箱的水位高于下限水位时，控制系统控制加热循环泵启动，对集热水箱内的水进行加热；当集热水箱的水位达到上限水位时，控制系统控制补水阀关闭；
系统恒温阶段：当集热水箱内的热水长时间不使用时，可以根据自行设定的水温，例如水温低于50℃时，控制系统控制加热循环泵启动，对集热水箱内的水进行加热，直到集热水箱内的水温上升到55℃时，停止运行；
系统直热阶段：在用水时段，优先使用已经存储于集热水箱中的热水；当出现水量不够的情况时，控制加热循环泵变频并以直热模式运行加以补充；
系统供水阶段：控制系统控制末端循环泵持续低频运行，末端进水管和末端回水管及末端循环单元中的存水回到集热水箱与热水混合，末端循环泵受电节点压力表和变频器的控制，可以根据需要设定供水压力，保证用水点水压恒定。
还包括系统制冷阶段和系统制热阶段：
系统制冷阶段：控制系统控制夏季阀门开启，双冷凝器土壤源热泵开始工作，蒸发器制取的冷量通过空调进水管和空调回水管送到室内侧空调末端、室内侧组合式空气处理机组，第一冷凝器和第二冷凝器散出的一部分热量通过热交换进水管、热交换回水管和埋地换热管与土壤进行热交换，另外一部分热量通过末端进水管、末端回水管对集热水箱内的水进行加热；
系统制热阶段：控制系统控制冬季阀门开启，双冷凝器土壤源热泵开始工作，第一冷凝器和第二冷凝器制取的一部分热量通过空调进水管和空调回水管输送至地暖水管系统，另外一部分热量通过末端进水管、末端回水管对集热水箱内的水进行加热，蒸发器散出的冷量通过热交换进水管、热交换回水管和埋地换热管与土壤进行热交换。
所述控制系统控制单元阀启闭，进而控制各个末端循环单元独立运行。
本发明采用双冷凝器的土壤源热泵空调系统，在不增加埋地换热管长度的基础上满足建筑物夏季负荷的要求，同时通过两级冷凝器热回收换热器可以吸收部分系统在夏季制冷工况下产生的冷凝热，减少系统向土壤中的排热。避免因为热泵系统长期运行而造成的埋管周围土壤温度升高而升高等问题，平衡了冬夏两季冷热负荷，增强了土壤源热泵系统的能效比和运行性能，同时可以利用热泵系统热回收的冷凝器制备生活热水，提高系统利用率。本发明冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。本发明以土壤作为热源、冷源，通过双冷凝器的土壤源热泵空调系统向建筑物供热或供冷，同时，双冷凝器的土壤源热泵空调系统的能效比一般能达到4.0kw/kw以上，与传统的冷水机组加锅炉的配置相比，全年能耗可节省40%左右，虽然初投资偏高，但是机房面积较小，节省常规系统冷却塔可观的耗水量，运行费用低，不产生任何有害物质，对环境无污染，实现了环保的功效。
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为本发明的原理示意图；
图2为图1中双冷凝器土壤源热泵的连接管线布置放大图。
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1，一种土壤源热泵多功能中央空调系统，如图1所示，包括连接有补水单元2的集热水箱1，集热水箱1连接有用水末端循环系统和土壤源热泵系统。所述土壤源热泵系统包括埋地换热管3、双冷凝器土壤源热泵4和室内末端，双冷凝器土壤源热泵4通过空调进水管41和空调回水管42及空调循环泵43与室内末端循环连接、加热进水管11和加热回水管12及加热循环泵13与集热水箱1循环连接、通过热交换进水管31和热交换回水管32及热交换循环泵33与埋地换热管3循环连接，空调末端与集热水箱1分别与双冷凝器土壤源热泵4的不同冷凝器相连。所述空调末端包括地暖水管系统、室内侧空调末端、室内侧组合式空气处理机组。土壤源热泵系统在制冷和制暖的同时能够加对热集热水箱1中的水进行加热。
具体地，如图2所示，所述空调进水管41与热交换进水管31之间设置有第一管路51，空调进水管41与热交换回水管31之间设置有第二管路52，空调回水管42与热交换进水管31之间设置有第三管路53，空调回水管42与热交换回水管32之间设置有，双冷凝器土壤源热泵4的蒸发器44与第一管路51和第四管路54循环相连，双冷凝器土壤源热泵4的第一冷凝器45与第二管路52和第三管路53循环相连，双冷凝器土壤源热泵4的第二冷凝器46与加热进水管11和加热回水管12循环相连，第一管路51和第四管路54上与蒸发器44的连接处的前端设置有冬季开启阀门6、后端设置有夏季开启阀门7，第二管路52和第三管路53上与第一冷凝器45的连接处的前端设置有夏季开启阀门7、后端设置有冬季开启阀门6。通过开启夏季开启阀门7实现制冷，通过开启冬季阀门6实现制暖。
所述集热水箱1内设置有与控制系统相连的水位传感器14和温度传感器15，控制系统与补水单元2、加热循环泵13、空调循环泵43、热交换循环泵33、双冷凝器土壤源热泵4、用水末端循环系统及冬季开启阀门6和夏季开启阀门7相连，控制系统根据天气情况及水位传感器14和温度传感器15的监测情况，自动进行补水、加热、制冷和制暖。
进一步地，所述用水末端循环系统包括通过末端进水管22、末端回水管23及末端循环泵24与集热水箱1相连的末端循环单元10，末端循环单元10与末端进水管22之间、与末端回水管23之间设置有与控制系统相连的单元阀25。控制系统控制末端循环泵24低频运行，保证用水末端的管网中的水持续缓慢循环，保持始终保持特定温度。控制系统控制单元阀25启闭，进而控制各个末端循环单元10独立运行。所述末端进水管22上设置有与控制系统相连的末端进水阀26和银离子消毒过滤装置27，末端回水管23上均设置有与控制系统相连的末端回水阀28。
所述空调进水管41和空调回水管42之间设置有空调分水器47和空调集水器48，所述空调末端连接在空调分水器47和空调集水器48之间。所述热交换进水管31、热交换回水管32通过换热分水器34和换热集水器35与埋地换热管3相连，换热集水器35与热交换回水管32之间设置有埋管侧微泡排气除污装置36。空调分水器47、空调集水器48、换热分水器34和换热集水器35能够实现高效地制冷、制暖及加热热水，而且便于空调末端各个单元的排布和控制。
实施例2，土壤源热泵多功能中央空调系统的控制方法，包括以下阶段：
系统开始阶段：控制系统实时接收水位传感器11的监测数据，当集热水箱1内的水位低于下限水位时，控制系统控制补水单元2的补水阀21打开，进行补水；当集热水箱1的水位高于下限水位时，控制系统控制加热循环泵13启动，对集热水箱1内的水进行加热；当集热水箱1的水位达到上限水位时，控制系统控制补水阀21关闭。
系统恒温阶段：当集热水箱1内的热水长时间不使用时，可以根据自行设定的水温，例如水温低于50℃时，控制系统控制加热循环泵13启动，对集热水箱1内的水进行加热，直到集热水箱内的水温上升到55℃时，停止运行；
系统直热阶段：在用水时段，优先使用已经存储于集热水箱1中的热水；当出现水量不够的情况时，控制加热循环泵13变频并以直热模式运行加以补充；
系统供水阶段：控制系统控制末端循环泵13持续低频运行，末端进水管11和末端回水管12及末端循环单元10中的存水回到集热水箱1与热水混合，末端循环泵13受电节点压力表和变频器的控制，可以根据需要设定供水压力，保证用水点水压恒定。
还包括系统制冷阶段和系统制热阶段：
系统制冷阶段：控制系统控制夏季阀门7开启，双冷凝器土壤源热泵4开始工作，蒸发器44制取的冷量通过空调进水管41和空调回水管42送到室内侧空调末端、室内侧组合式空气处理机组，第一冷凝器45和第二冷凝器46散出的一部分热量通过热交换进水管31、热交换回水管32和埋地换热管3与土壤进行热交换，另外一部分热量通过末端进水管22、末端回水管23对集热水箱1内的水进行加热；
系统制热阶段：控制系统控制冬季阀门6开启，双冷凝器土壤源热泵4开始工作，第一冷凝器45和第二冷凝器46制取的一部分热量通过空调进水管41和空调回水管42输送至地暖水管系统，另外一部分热量通过末端进水管22、末端回水管23对集热水箱1内的水进行加热，蒸发器44散出的冷量通过热交换进水管31、热交换回水管32和埋地换热管3与土壤进行热交换。
所述控制系统控制单元阀25启闭，进而控制各个末端循环单元10独立运行。
本发明未详尽之处均为本技术领域的常规技术手段。
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.土壤源热泵多功能中央空调系统，包括连接有补水单元（2）的集热水箱（1），其特征在于：所述集热水箱（1）连接有用水末端循环系统和土壤源热泵系统，所述土壤源热泵系统包括埋地换热管（3）、双冷凝器土壤源热泵（4）和室内末端，双冷凝器土壤源热泵（4）通过空调进水管（41）和空调回水管（42）及空调循环泵（43）与室内末端循环连接、加热进水管（11）和加热回水管（12）及加热循环泵（13）与集热水箱（1）循环连接、通过热交换进水管（31）和热交换回水管（32）及热交换循环泵（33）与埋地换热管（3）循环连接，空调末端与集热水箱（1）分别与双冷凝器土壤源热泵（4）的不同冷凝器相连。
2.根据权利要求1所述的土壤源热泵多功能中央空调系统，其特征在于：所述空调进水管（41）与热交换进水管（31）之间设置有第一管路（51），空调进水管（41）与热交换回水管（31）之间设置有第二管路（52），空调回水管（42）与热交换进水管（31）之间设置有第三管路（53），空调回水管（42）与热交换回水管（32）之间设置有，双冷凝器土壤源热泵（4）的蒸发器（44）与第一管路（51）和第四管路（54）循环相连，双冷凝器土壤源热泵（4）的第一冷凝器（45）与第二管路（52）和第三管路（53）循环相连，双冷凝器土壤源热泵（4）的第二冷凝器（46）与加热进水管（11）和加热回水管（12）循环相连，第一管路（51）和第四管路（54）上与蒸发器（44）的连接处的前端设置有冬季开启阀门（6）、后端设置有夏季开启阀门（7），第二管路（52）和第三管路（53）上与第一冷凝器（45）的连接处的前端设置有夏季开启阀门（7）、后端设置有冬季开启阀门（6）。
3.根据权利要求2所述的土壤源热泵多功能中央空调系统，其特征在于：所述集热水箱（1）内设置有与控制系统相连的水位传感器（14）和温度传感器（15），控制系统与补水单元（2）、加热循环泵（13）、空调循环泵（43）、热交换循环泵（33）、双冷凝器土壤源热泵（4）、用水末端循环系统及冬季开启阀门（6）和夏季开启阀门（7）相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的土壤源热泵多功能中央空调系统，其特征在于：所述空调末端包括地暖水管系统、室内侧空调末端、室内侧组合式空气处理机组。
5.根据权利要求4所述的土壤源热泵多功能中央空调系统，其特征在于：所述用水末端循环系统包括通过末端进水管（22）、末端回水管（23）及末端循环泵（24）与集热水箱（1）相连的末端循环单元（10），末端循环单元（10）与末端进水管（22）之间、与末端回水管（23）之间设置有与控制系统相连的单元阀（25），末端进水管（22）上设置有与控制系统相连的末端进水阀（26）和银离子消毒过滤装置（27），末端回水管（23）上均设置有与控制系统相连的末端回水阀（28）。
6.根据权利要求5所述的土壤源热泵多功能中央空调系统，其特征在于：所述空调进水管（41）和空调回水管（42）之间设置有空调分水器（47）和空调集水器（48），所述空调末端连接在空调分水器（47）和空调集水器（48）之间。
7.根据权利要求1-3、5-6任一项所述的土壤源热泵多功能中央空调系统，其特征在于：所述热交换进水管（31）、热交换回水管（32）通过换热分水器（34）和换热集水器（35）与埋地换热管（3）相连，换热集水器（35）与热交换回水管（32）之间设置有埋管侧微泡排气除污装置（36）。
8.根据权利要求7所述的土壤源热泵多功能中央空调系统的控制方法，其特征在于包括以下阶段：
系统开始阶段：控制系统实时接收水位传感器（11）的监测数据，当集热水箱（1）内的水位低于下限水位时，控制系统控制补水单元（2）的补水阀（21）打开，进行补水；当集热水箱（1）的水位高于下限水位时，控制系统控制加热循环泵（13）启动，对集热水箱（1）内的水进行加热；当集热水箱（1）的水位达到上限水位时，控制系统控制补水阀（21）关闭；
系统恒温阶段：当集热水箱（1）内的热水长时间不使用时，可以根据自行设定的水温，例如水温低于50℃时，控制系统控制加热循环泵（13）启动，对集热水箱（1）内的水进行加热，直到集热水箱内的水温上升到55℃时，停止运行；
系统直热阶段：在用水时段，优先使用已经存储于集热水箱（1）中的热水；当出现水量不够的情况时，控制加热循环泵（13）变频并以直热模式运行加以补充；
系统供水阶段：控制系统控制末端循环泵（13）持续低频运行，末端进水管（11）和末端回水管（12）及末端循环单元（10）中的存水回到集热水箱（1）与热水混合，末端循环泵（13）受电节点压力表和变频器的控制，可以根据需要设定供水压力，保证用水点水压恒定。
9.根据权利要求9所述的土壤源热泵多功能中央空调系统的控制方法，其特征在于，包括系统制冷阶段和系统制热阶段：
系统制冷阶段：控制系统控制夏季阀门（7）开启，双冷凝器土壤源热泵（4）开始工作，蒸发器（44）制取的冷量通过空调进水管（41）和空调回水管（42）送到室内侧空调末端、室内侧组合式空气处理机组，第一冷凝器（45）和第二冷凝器（46）散出的一部分热量通过热交换进水管（31）、热交换回水管（32）和埋地换热管（3）与土壤进行热交换，另外一部分热量通过末端进水管（22）、末端回水管（23）对集热水箱（1）内的水进行加热；
系统制热阶段：控制系统控制冬季阀门（6）开启，双冷凝器土壤源热泵（4）开始工作，第一冷凝器（45）和第二冷凝器（46）制取的一部分热量通过空调进水管（41）和空调回水管（42）输送至地暖水管系统，另外一部分热量通过末端进水管（22）、末端回水管（23）对集热水箱（1）内的水进行加热，蒸发器（44）散出的冷量通过热交换进水管（31）、热交换回水管（32）和埋地换热管（3）与土壤进行热交换。
10.根据权利要求8或9所述的土壤源热泵多功能中央空调系统的控制方法，其特征在于，所述控制系统控制单元阀（25）启闭，进而控制各个末端循环单元（10）独立运行。
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