CN113701269A - 一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统及方法 - Google Patents

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邢滕
李富强
乔雷
付金亭
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Abstract

本发明公开了一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统及方法，本发明的系统包括地埋管换热组件、地源热泵组件和空气处理组件，所述地埋管换热组件包括地埋管换热器，新风热交换设备与混合空气热交换设备之间间隔设置，且输送管道上位于新风热交换设备与混合空气热交换设备之间设置有回风口，所述地埋管换热器、地源热泵机组和新风热交换设备组成第一循环管路，所述混合空气热交换设备与地源热泵组件之间设置有第二循环管路。本发明将地源热直接用于承担室外新风的全部显热负荷和部分潜热负荷，热泵机组仅需承担室内负荷，从而减少热泵机组所需要的制冷/制热量，热泵机组的耗电量也相应减少，从整体上有效利用了低品位地热能和节省了高品位电能。

Description

一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统及方法
技术领域
本发明涉及空调制冷技术领域，具体地说是一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统及方法。
背景技术
现在的一些办公楼、商场酒店以及一些科研院所的办公建筑内多设置有中央空调，该中央空调既用于夏天的制冷和冬天的制热，夏季以水冷制冷机制取7-12℃冷水，冬季多以锅炉制取40-60℃热水，终端则通过毛细管以及吹风的方式进行散热，作为冷冻辅助装置的冷却塔运行时会产生漂水和噪声，而冬季采用锅炉燃烧时会产生大量CO2、SO2等有害气体，污染环境，以上方案能耗高，系统操作复杂，运行成本高。少数采用风冷热泵工艺的空调装置，运行成本高，可靠性较差，会加剧城市热岛效应。
也有采用地下水冷量及热量来制取中央空调系统中所需的冷、热源的装置，但抽取地下水，易造成地下水污染及地下水位降低，不符合我国可持续发展战略要求，故限制了该方案的运用。而且对于现有的一些地源热泵系统而言，在大型建筑中的空调风管系统，空气处理机组需补充大量的室外新风来携带热泵机组制造的冷量/热量以调节室内空气，地下所存储的天然冷量或热量并没有被直接用于冷却高温室外新风或加热低温室外新风，就造成原本可直接用于制冷或供热的地下能的冷量/热量损失；由于室外新风的全热负荷由热泵机组承担，当室内外温差较大时，热泵机组承担负荷较大而导致能耗较高。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足，提供一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统，利用地下层与地面的温差提供冷凉或热量，节能且不会对地下水造成污染，还提供一种利用上述系统的基于地埋管地源热泵的空气处理方法。
本发明所采用技术方案是：
一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统，包括地埋管换热组件、地源热泵组件和空气处理组件，所述地埋管换热组件包括地埋管换热器，所述空气处理组件包括输送管道和沿气流输送方向依次设置在输送管道内的新风热交换设备、混合空气热交换设备、送风机构，所述输送管道的进风端设置有新风入口，输送管道的出风端设置有送风口，新风热交换设备与混合空气热交换设备之间间隔设置，且输送管道上位于新风热交换设备与混合空气热交换设备之间设置有回风口，所述地埋管换热器、地源热泵机组和新风热交换设备组成第一循环管路，所述混合空气热交换设备与地源热泵组件之间设置有第二循环管路。
作为对系统的进一步优化，本发明所述地源热泵组件包括压缩机、第一热交换器、第二热交换器和节流阀，所述第一热交换器、节流阀和第二热交换器组成第三循环管路，所述第一热交换器和第二热交换器为蒸发器和冷凝器的其中一种，且第一热交换器和第二热交换器不相同，所述压缩机通过四通换向阀并联到第一热交换器与第二热交换器连接的循环管路内，所述吸风热交换设备的出液口连接至第一热交换器的进液口，第一热交换器的出液口连接至地埋管换热器的回液口，所述混合空气热交换设备与所述第二热交换器之间组成所述热交换循环管路。
作为对系统的进一步优化，本发明所述地埋管换热器设置有多组，每组分别设置在不同地源处，每组所述地埋管换热器包括多组U型换热管，U形换热管上设置有换热翅片，U形换热管的一端为进口，另一端为开口，所有地埋管换热器的U形换热管组成同一进液口和出液口。
作为对系统的进一步优化，本发明所述混合空气热交换设备的后方设置有加湿器，所述加湿器具有单独开启和关闭的控制开关。
作为对系统的进一步优化，本发明所述地埋管换热器的出液口与新风热交换设备进液口之间的连接管上设置有第一循环泵，混合空气热交换设备与地源热泵组件之间的循环管路上设置有第二循环泵。
作为对系统的进一步优化，本发明所述新风热交换设备与混合空气热交换设备之间设置有混合腔。
作为对系统的进一步优化，本发明至少在加湿器的前侧设置有空气过滤器。
本发明还提供一种基于地埋管地源热泵的空气处理方法，包括如下步骤：
S1、收集地下土壤中的地源冷/热能；
S2、通过地源热对送入室内的新风进行热交换，对新风冷却/加热；
S3、对新风进行热交换的余热送入到热泵机组中进行余热利用；
S4、对通过热泵机组对换热后的新风以及室内回风空气进行热交换，对混合空气进行冷却/加热；
S5、将热交换后的混合空气加压送入到室内。
作为对本发明方法的进一步优化，本发明通过设置地埋管换热器收集地源冷/热能，对送入室内的新风通过新风热交换设备进行冷却/加热，通过混合空气热交换设备对混合以后的空气进行冷却/加热，所述热泵机组包括第一热交换器、第二热交换器和压缩机，第一热交换器和第二热交换器为蒸发器和冷凝器中的一种，且第一热交换器和第二热交换器不属于同一种；
第一热交换器、第二热交换器和压缩机组成第一循环管路，所述新风热交换设备、第一热交换器和地埋管换热器组成第二循环管路，所述混合空气热交换设备与第二热交换器之间组成第三循环管路。
作为对本发明方法的进一步优化，本发明步骤S4中，当相室内处于供热状态时，还包括有通过加湿器对混合空气进行加湿，且加湿方法为等温加湿或等焓加湿。
本发明具有以下优点：
1、本发明通过引入地源热直接对引入的新风进行冷却，而且还通过热泵机组对地源热的余热进行利用，地源热直接用于承担室外新风的全部显热负荷和部分潜热负荷，热泵机组仅需承担室内负荷，从而减少热泵机组所需要的制冷/制热量，热泵机组的耗电量也相应减少，从整体上有效利用了低品位地热能和节省了高品位电能；
2、本发明的新风热交换设备和热泵机组的热交换器均设置有地下突然提供冷热源，新风热值交换设备和热泵机组的热交换器先手串接在地源介质的循环管路中，携带地热能得循环介质可先对室内外新风预冷或预热，然后在用于冷却或加热驾崩机组的换热器，使地热能能够被充分利用；
3、本发明系统高效节能，新风越大，节能效果越明显，而且整体运行安全卫生，不会产生其他有害物质，无地下水污染，使用范围广泛，尤其适用于夏热冬冷的北方地区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，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。
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1为本发明的整体组成结构示意图；
图2为本发明的系统在制冷工况下的空气焓湿图；
图3为本发明的系统在制热工况下的空气焓湿图。
其中：1、地埋管换热器，2、第一循环泵，3、地源热泵机组，4、第一热交换器，5、节流阀，6、第二热交换器，7、压缩机，8、四通换向阀，9、新风热交换设备，10、混合腔，11、混合空气热交换设备，12、加湿器，13、风机，14、第二循环泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
需要理解的是，在本发明实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。在本发明实施例中的“多个”，是指两个或两个以上。
本发明实施例中的属于“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
本实施例提供一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统，如图1所示，包括地埋管换热组件、地源热泵组件3和空气处理组件，所述地埋管换热组件包括地埋管换热器1，所述空气处理组件包括输送管道和沿气流输送方向依次设置在输送管道内的新风热交换设备9、混合空气热交换设备11、送风机构，所述输送管道的进风端设置有新风入口，新风入口用于从室外吸收新鲜的空气，所述输送管道的出风端设置有送风口，所述送风口用于向室内进行送气，新风热交换设备9与混合空气热交换设备11之间间隔设置，且输送管道上位于新风热交换设备9与混合空气热交换设备11之间设置有回风口，所述回风口用于利用吸入室内的空气，促进室内空气的流动的同时，还能利用室内空气的热量，新风热交换设备与混合空气热交换设备之间的空间形成混合腔10，吸入的室外新风与室内回风在此进行混合后，再通过混合空气人交换设备进行冷却/加热。所述地源热泵组件包括压缩机7、第一热交换器4、第二热交换器6和节流阀5，所述第一热交换器4、节流阀5和第二热交换器6形成第三循环管路，所述第一热交换器4和第二热交换器6为蒸发器和冷凝器的其中一种，且第一热交换器和第二热交换器不相同，即第一热交换器4和第二热交换器6的设置形式主要区别与其工况形式，当处于制热工况时，第一热交换器4为蒸发器，第二热交换器6为冷凝器，当处于制冷工况时时，第一热交换器4为冷凝器，第二热交换器6为蒸发器，在实际设置时，第一热交换器4和第二热交换器6同时包括蒸发器和冷凝器，在不同使用工况下，相应的设备处于工作状态，具体可以参考空调的结构形式。所述压缩机7通过四通换向阀8并联到第一热交换器4与第二热交换器8连接的第三循环管路内，所述新风热交换设备9、地源热泵机组3内的第一热交换器4和地埋管换热器1组成第一循环管路，且第一循环管路上设置有第一循环泵2，即所述新风热交换设备1的出液口连接至第一热交换器4的进液口，第一热交换器4的出液口连接至地埋管换热器1的回液口，所述混合空气热交换设备11与所述第二热交换器6之间组成第二循环管路，且第二循环管路上设置有第二循环泵14。
本实施例所述混合空气热交换设备的后方设置有加湿器12，所述加湿器12具有单独开启和关闭的控制开关，实现在制热工况下的加湿功能。
本实施例至少在加湿器的前侧设置有空气过滤器，所述空气过滤器可以用于对室外引入的新风以及室内的回风进行过滤，保证重新送入室内空气的洁净程度，其过滤器可以设置在进风管口处，还可以设置在加湿器12的前侧。
为了达到所需的功率，本实施例所述地埋管换热器1可以设置有多组，每组分别设置在不同地源处，每组所述地埋管换热器1包括多组U型换热管，U形换热管上设置有换热翅片，U形换热管的一端为进口，另一端为开口，所有地埋管换热器1的U形换热管组成同一进液口和出液口。
基于上述系统，本实施例还提供一种基于地埋管地源热泵的空气处理方法，包括如下步骤：
S1、收集地下土壤中的地源冷/热能；
S2、通过地源热对送入室内的新风进行热交换，对新风冷却/加热；
S3、对新风进行热交换的余热送入到热泵机组中进行余热利用；
S4、对通过热泵机组对换热后的新风以及室内回风空气进行热交换，对混合空气进行冷却/加热，当相室内处于供热状态时，还包括有通过加湿器对混合空气进行加湿，且加湿方法为等温加湿或等焓加湿；
S5、将热交换后的混合空气加压送入到室内。
本实施例通过设置地埋管换热器1收集地源冷/热能，对送入室内的新风通过新风热交换设备9进行冷却/加热，通过混合空气热交换设备11对混合以后的空气进行冷却/加热，所述热泵机组3包括第一热交换器4、第二热交换器6和压缩机7，第一热交换器4和第二热交换器6为蒸发器和冷凝器中的一种，且第一热交换器4和第二热交换器6不属于同一种；
上述中，第一热交换器4、第二热交换器6和压缩机7组成第一循环管路，所述新风热交换设备9、第一热交换器4和地埋管换热器1组成第二循环管路，所述混合空气热交换设备11与第二热交换器6之间组成第三循环管路。
本系统在工作时，室外新风经新风热交换设备9处理后，进入混合腔10与室内回风混合，然后再经混合空气热交换设备11处理后，经风机13加压后送入空调房间内。供冷工况下，室外新风与新风热交换设备9进行热质交换过程中新风被冷却除湿，新风与回风所组成的混合空气与混合空气热交换设备11进行热质交换过程中混合空气也被冷却除湿，新风热交换设备9承担室外新风全部显热负荷和部分潜热负荷，新风热交换设备9所需冷量由地下土壤提供，混合空气热交换设备11承担室外新风部分潜热负荷及室内总冷负荷，混合空气热交换设备11所需冷量由地源热泵机组3提供；供热工况下，室外新风与新风热交换设备9进行热交换过程中新风被等湿加热或加湿加热，新风与回风所组成混合空气与混合空气热交换设备11进行热质交换过程中等湿加热或加湿加热，新风热交换设备9承担室外新风部分热负荷，新风热交换设备9所需热量由地下土壤提供，混合空气热质交换设备11承担室外新风部分热负荷及室内总热负荷，混合空气热交换设备11所需热量由热泵机组3提供；加湿器12加湿方法采用等温加湿或等焓加湿。
新风热交换设备9内的第一介质与新风进行热质交换后进入热泵机组3的冷凝器4换热后，再流入地埋管换热器1与土壤进行换热，然后经第一循环泵2重新送回新风热交换设备9。供冷工况下，较高温度的第一介质在地热换热器1内向低温土壤放热后变为较低温度的第一介质，流入新风热质交换设备9的第一介质温度低于新风的露点温度从而实现新风冷却除湿，第一介质经新风热交换设备9吸收热量后进入热泵机组3的冷凝器4继续吸收热量温度继续升高。在地源热泵机组3的第一热交换器(冷凝器)4出口变成温度较高的第一介质；供热工况下，较低温度的第一介质在地埋管换热器1内从高温土壤吸热后变成较高温度的第一介质，流入新风热交换设备9的第一介质温度高于新风温度从而实现新风加热，第一介质经新风热交换设备9放出热量后进入地源热泵机组3的第一热交换器(蒸发器)4继续放出热量温度继续降低，在地源热泵机组3的第一热交换器(蒸发器)4出口变成温度较低的第一介质。
混合空气热交换设备11内的第二介质与新风回风所组成的混合空气进行热质交换后进入地源热泵机组3的第二热交换器(蒸发器)6换热后，再经第二循环泵14重新送至混合空气热质交换设备11。供冷工况下，在混合空气热质交换设备11中的第二介质温度远低于混合空气露点温度从而实现混合空气的冷却除湿，第二介质经混合空气热交换设备11吸收热量后温度升高，进入地源热泵机组3的第二热交换器(蒸发器)6放出热量后温度下降并被冷却为低温的第二介质；供热工况下，在混合空气热质交换设备11中的第二介质温度远高于混合空气温度，从而实现混合空气的加热，第二混合介质经混合空气热交换设备11放出热量后温度降低，进入热泵机组3的第二热交换器(蒸发器)6吸收热量后温度升高并被加热为高温的第二介质。
以新风热交换设备9和混合空气热质交换设备11均为间接接触式热质交换设备为例，并结合图2和图3的焓湿图进行说明，空气处理过程为：供冷工况下，室外新风先经新风热交换设备9冷却除湿至机械露点(如图2中所示新风状态点O到状态点L1过程)，新风与回风在混合腔10内混合(如图2中所示的室内状态点R与新风机械露点L1混合至空气状态点M过程)，混合空气在混合空气热交换设备11冷却除湿至机械露点(如图2中所示状态点M到状态点L2过程)，处理后空气经风机送入室内消除房间余热余湿(如图2中所示空气状态点L2到状态点R过程)，从而维持房间温度和湿度稳定(如图2中所示空气状态点R)；供热工况下，室外新风先经新风热交换设备9等湿加热(如图3中所示新风状态点O’到状态O”过程)，新风与回风在混合10内混合(如图3所示的室内空气状态点R与新风状态点O”混合至空气状态点M’过程)，混合空气在混合空气热交换设备11等湿加热(如图3中所示状态点M，到状态点M”过程)，然后混合空气经加湿器8等温加湿(如图3中所示混合空气状态点M”到送风状态点s过程)，加湿处理后空气经风机送入室内以维持房间温度和湿度稳定(如图3中所示送风状态点s到室内空气状态点R过程)。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于地埋管地源热泵的空气处理系统，其特征在于：包括地埋管换热组件、地源热泵组件和空气处理组件，所述地埋管换热组件包括地埋管换热器，所述空气处理组件包括输送管道和沿气流输送方向依次设置在输送管道内的新风热交换设备、混合空气热交换设备、送风机构，所述输送管道的进风端设置有新风入口，输送管道的出风端设置有送风口，新风热交换设备与混合空气热交换设备之间间隔设置，且输送管道上位于新风热交换设备与混合空气热交换设备之间设置有回风口，所述地埋管换热器、地源热泵机组和新风热交换设备组成第一循环管路，所述混合空气热交换设备与地源热泵组件之间设置有第二循环管路。
2.根据权利要求1所述的基于地埋管地源热泵的空气处理系统，其特征在于：所述地源热泵组件包括压缩机、第一热交换器、第二热交换器和节流阀，所述第一热交换器、节流阀和第二热交换器组成第三循环管路，所述第一热交换器和第二热交换器为蒸发器和冷凝器的其中一种，且第一热交换器和第二热交换器不相同，所述压缩机通过四通换向阀并联到第一热交换器与第二热交换器连接的循环管路内，所述吸风热交换设备的出液口连接至第一热交换器的进液口，第一热交换器的出液口连接至地埋管换热器的回液口，所述混合空气热交换设备与所述第二热交换器之间组成所述热交换循环管路。
3.根据权利要求1所述的基于地埋管地源热泵的空气处理系统，其特征在于：所述地埋管换热器设置有多组，每组分别设置在不同地源处，每组所述地埋管换热器包括多组U型换热管，U形换热管上设置有换热翅片，U形换热管的一端为进口，另一端为开口，所有地埋管换热器的U形换热管组成同一进液口和出液口。
4.根据权利要求2所述的基于地埋管地源热泵的空气处理系统，其特征在于：所述混合空气热交换设备的后方设置有加湿器，所述加湿器具有单独开启和关闭的控制开关。
5.根据权利要求2所述的基于地埋管地源热泵的空气处理系统，其特征在于：所述地埋管换热器的出液口与新风热交换设备进液口之间的连接管上设置有第一循环泵，混合空气热交换设备与地源热泵组件之间的循环管路上设置有第二循环泵。
6.根据权利要求1所述的基于地埋管地源热泵的空气处理系统，其特征在于：所述新风热交换设备与混合空气热交换设备之间设置有混合腔。
7.根据权利要求1所述的基于地埋管地源热泵的空气处理系统，其特征在于：至少在加湿器的前侧设置有空气过滤器。
8.一种基于地埋管地源热泵的空气处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、收集地下土壤中的地源冷/热能；
S2、通过地源热对送入室内的新风进行热交换，对新风冷却/加热；
S3、对新风进行热交换的余热送入到热泵机组中进行余热利用；
S4、对通过热泵机组对换热后的新风以及室内回风空气进行热交换，对混合空气进行冷却/加热；
S5、将热交换后的混合空气加压送入到室内。
9.根据权利要求8所述的基于地埋管地源热泵的空气处理方法，其特征在于：通过设置地埋管换热器收集地源冷/热能，对送入室内的新风通过新风热交换设备进行冷却/加热，通过混合空气热交换设备对混合以后的空气进行冷却/加热，所述热泵机组包括第一热交换器、第二热交换器和压缩机，第一热交换器和第二热交换器为蒸发器和冷凝器中的一种，且第一热交换器和第二热交换器不属于同一种；
第一热交换器、第二热交换器和压缩机组成第一循环管路，所述新风热交换设备、第一热交换器和地埋管换热器组成第二循环管路，所述混合空气热交换设备与第二热交换器之间组成第三循环管路。
10.根据权利要求9所述的基于地埋管地源热泵的空气处理方法，其特征在于：步骤S4中，当相室内处于供热状态时，还包括有通过加湿器对混合空气进行加湿，且加湿方法为等温加湿或等焓加湿。
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