CN1161568C - 地热式液体空调装置 - Google Patents
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Abstract
一种地热式液体空调装置，包括地热集热器(1)，换热器(2)，能量提升器(3)，出液泵(4)，回液泵(5)，空调器(6)，能量提升器包括由压缩机(31)、冷凝器(32)、贮液器(33)、干燥过滤器(34)、节流器(35)、蒸发器(36)和气液分离器(37)连接组成的制热回路(30)、热交换回路(38)，热交换回路中的出液管(32a)与空调器(6)相连，空调器的回液管(103)与热交换回路的进液管(32b)相连，热交换回路的出液管(36a)与回液管(22b)相连，换热器(2)的出液管(22a)与进液管(36b)相连接，用于居室采暖或制冷。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于两种热交换介质的固定管状通道组件的热交换系统。
背景技术
目前，人们使用的供热系统主要以煤、天然气或原油作能源。煤、天然气和原油不仅储量有限，而且燃烧后产生大量灰渣、粉尘或废气，不仅污染环境，而且会改变大气的性质，造成温室效应，使地球变暖，冰山融化，海平面上升……人们使用的致冷设备是以电能作为能源，电能不仅价格贵，而且一部分电能也是取自煤、天然气或原油等燃料，同样存在污染环境，改变大气性质等问题。地下、江、河、湖、海水中虽储存有大量的低位冷热源，但不能直接用来采暖或制冷。中国专利99112104.X号公开了一种“供热制冷两用系统”，该系统由能量采集、释放循环系统、工质循环系统和住宅能量散发循环系统组成。该系统的能量换热器是将能量采集、释放循环系统直接耦合到工质循环系统的蒸发器上而构成的，其缺点是因地下水含有大量泥沙，工作时会使能量采集、释放循环系统中的与蒸发器相耦合的换热盘管堵塞，清理更换时需将换热器拆开，拆装麻烦，维修不方便。加之该系统中的能量释放和住宅散发循环系统水流不畅，而未能投入实际应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种利用地热作能源的无污染的、维修方便的地热式液体空调装置。
本发明地热式液体空调装置，包括置于地下的地热集热器，能量提升器，空调器，所述地热集热器的出液管上装有集热器出液泵，所述能量提升器包括由压缩机、冷凝器、贮液器、干燥过滤器、节流器、蒸发器和气液分离器通过管道依次连接而组成的制热回路、热交换回路，所述热交换回路中的与所述冷凝器相偶合的热交换回路的出液管通过空调器进液管与空调器相连，所述空调器的回液管和与所述冷凝器相偶合的热交换回路的进液管相连，其特征在于：还包括换热器，出液泵，回液泵，所述换热器的输入侧与所述地热集热器的出液管和回液管相连，与所述蒸发器相偶合的热交换回路的出液管通过回液泵与所述换热器的输出侧的回液管相连，所述换热器的输出侧的出液管和与所述蒸发器相偶合的热交换回路的进液管相连接，所述出液泵安装在所述空调器的进液管上。
本发明地热式液体空调装置，其中还包括两个两位四通阀，与所述冷凝器相偶合的热交换回路的出液管与第一二位四通阀的第一接口相连，其进液管与第二二位四通阀的第一接口相连；空调器的进液管与第一二位四通阀的第二接口相连，空调器的回液管与第二二位四通阀的第四接口相连；与所述蒸发器相偶合的热交换回路的出液管与所述第一二位四通阀的第三接口相连，其进液管与第二二位四通阀的第三接口相连；所述换热器的输出侧进液管与第一二位四通阀的第四接口相连，其出液管与第二二位四通阀的第二接口相连。
本发明地热式液体空调装置，其中还包括有太阳能集热器，所述太阳能集热器包括太阳能热水器、太阳能储能器、循环水泵通过管路依次串接组成的循环回路，在所述太阳能储能器的进出口管路上设有进口节止阀和出口节止阀，所述太阳能储能器内装有热交换器，所述热交换器的进、出口管路并串接在所述换热器的输出侧的出液管上，所述进口管路上装有热交换器进口节止阀。
本发明地热式液体空调装置，其中所述太阳能热水器上连接有自来水进水管和生活热水出水管，在所述自来水进水管和生活热水出水管上分别装有自来水管节止阀和生活热水出水管节止阀。
本发明地热式液体空调装置，其中还包括有电热水器，所述电热水器内装有换能器，所述换能器的进、出口管路并串接在所述换热器的输出侧的出液管上，在所述换能器的进口管路上装有换能器进口节止阀。
本发明地热式液体空调装置，其中在所述电热水器内装有余热加热器，所述余热加热器的进、出口管路并串接在与所述蒸发器相偶合的热交换回路的进液管上，在所述余热加热器的进口管路或出口管路上装有余热加热器节止阀。
本发明地热式液体空调装置，其中所述的地热集热器为地热蓄能器，所述地热蓄能器包括蓄能体、置于蓄能体内呈交错堆放的若干层充有相变物质的蓄能筒、置于上层蓄能筒之上的具有均布通孔的上均流板和置于下层蓄能筒之下的具有均布通孔的支撑板，在上均流板和蓄能体的上壁之间设有液体进口，在支撑板和蓄能体的下壁之间设有液体出口，每个蓄能筒的两端具有在蓄能筒之间形成液体流动缝隙的突肩；所述蓄能体的外壁上装有若干个翅片。
本发明地热式液体空调装置，其中所述翅片成米字形排列。
本发明地热式液体空调装置，其中所述地热集热器为若干个集热管组串接组成的地热集热管系，每个所述地热集热管组由若干个串接的集热管组成，每个集热管由共轴线安装在一起的外换热筒，位于所述外换热筒内的蓄能筒，位于所述蓄能筒内的出液管和连接在所述外换热筒顶部的进液管组成。
本发明地热式液体空调装置，其中所述地热集热管系由三级集热管组组成，其中第一集热管组的外换热筒的长度为6米，第二集热管组的外换热筒的长度为4m，第三集热管组的外换热筒的长度为2m。
本发明地热式液体空调装置，其中所述外换热筒的外径为100mm，蓄能筒的外径为80mm，出水管的外径为25mm。
本发明地热式液体空调装置，其中所述热交换回路中填充有防冻液。
本发明地热式液体空调装置，它可利用一年四季地下温度变化小的特性，将地下所含的大量的低位的地下冷热源用地热集热器收集储存起来，并通过液体将地热集热器的低位冷热能输送到能量提升器，然后再通过液体把提升后的高位冷热能输送到冷热需要之处(即负载)。在冬季，该装置从地下收集低位热能(包括显热和相变时产生的潜热)，而到夏季再把热能归还地下，因此，它是一种取自地下，归还地下的最佳良性循环装置，其工作时不产生任何有毒有害物质，无公害，无污染，价格便宜，维修方便。
本发明地热式液体空调装置的其他细节和特点可通过阅读下文结合附图详加描述的实施例即可清楚明了，其中：
附图说明
图1是本发明地热式液体空调装置的系统结构原理图；
图2是本发明地热式液体空调装置采用的地热蓄能器的结构示意图；
图3是图2中的A-A剖面图；
图4是图2中的地热蓄能器的蓄能筒的配置示意图；
图5是本发明地热式液体空调装置采用的集热管的结构示意图；
图6是本发明地热式液体空调装置采用的由三组集热管组组成的地热集热器的结构示意图。
具体实施方式
参照图1。图1是本发明地热式液体空调装置系统结构原理图。本发明地热式液体空调装置包括下文将要详细阐述的地热集热器1、换热器2、能量提升器3、出液泵4、回液泵5和空调器6。地热集热器1的出液管11上装有集热器出液泵12，以提高集热器1内的液体流动速度，提高热交换效率。换热器2可以采用普通的板式热交换器，集热器1的出液管11与换热器2的输入侧2a相连接。
能量提升器3包括制热回路30和热交换回路38，制热回路30与普通空调机、冰箱上采用的制热(冷)回路相同。在制热回路30中填充有用于制热循环的介质R22。能量提升器3包括由压缩机31、冷凝器32、贮液器33、干燥过滤器34、节流器35、蒸发器36和气液分离器37通过管道依次连接而组成的制热回路30和热交换回路38。热交换回路38中的与冷凝器32相偶合的热交换回路的出液管32a与第一二位四通阀8的第一接口8a相连；热交换回路38中的与冷凝器32相偶合的热交换回路的进液管32b与第二二位四通阀9的第一接口9a相连，热交换回路38中的与蒸发器36相偶合的热交换回路的出液管36a与第一二位四通阀8的第三接口8c相连；热交换回路38中的与蒸发器36相偶合的热交换回路的进液管36b经与下文将要阐述的余热加热器82的连接管路821与第二二位四通阀9的第三接口9c相连。
空调器6可采用普通的风机盘管组。空调器6的进液管102经出液泵4与第一二位四通阀8的第二接口8b相连；空调器6的回液管103与第二二位四通阀9的第四接口9d相连。在空调器6的回液管103上装有膨胀罐103a，膨胀罐103a的作用在于储存热交换回路38中的液体因热膨胀而增加的液体体积。
换热器2的输出侧2b的进液管22b通过回液泵5与第一二位四通阀8的第四接口8d相连接；换热器2的输出侧2b的出液管22a经安装在出液管22a上的节止阀22c，与第二二位四通阀9的第二接口9b相连。
设置上述二个二位四通阀的目的在于使本发明地热式液体空调装置适用于冬夏二季使用，如果只作为冬季取暖，则可不安装二位四通阀。此时，可将热交换回路38中的与冷凝器32相偶合的热交换回路的出液管32a经出液泵4直接与空调器6的进液管102相连；空调器6的回液管103和与冷凝器32相偶合的热交换回路38的进液管32b相连，与蒸发器36相偶合的热交换回路38的出液管36a通过回液泵5直接与换热器2的输出侧2b的回液管22b相连，换热器2的输出侧2b的出液管22a直接和与蒸发器36相偶合的热交换回路38的进液管36b相连。
显然，每个二位四通阀均可用4个普通的节止阀按图示的连接方式来代替。
当天气寒冷，由地热集热器提供的热量不足时，可在本发明地热式液体空调装置上加装太阳能集热器7。太阳能集热器既可为地热集热器1提供辅助热源，又可为居民提供生活热水。太阳能集热器7由太阳能热水器71、太阳能蓄能器72、循环水泵73用管路连接而成。在太阳能蓄能器72的进、出口管路上装有进口节止阀74和出口节止阀75。在太阳能蓄能器72装有热交换器76。热交换器76的进、出口管路761、762并连在换热器2的输出侧2b的出液管22a上。在进口管路761上装有热交换器进口节止阀763，可根据天气状况将热交换器76并连在出液管22a上，作为辅助热源。
在太阳能热水器71上连接有自来水冷水进水管77和生活热水出水管78，并在上面分别安装有自来水管节止阀771和生活热水出水管节止阀781。
在寒冷地区，天气特别寒冷时，当由地热集热器1和太阳能集热器7提供的热量仍然不足时还可在本发明地热式液体空调装置上加装电热器8作为辅助能源。电热水器8内装有换能器81，换能器81同样可以采用板式热交换器结构，换能器81的进、出口管路811、812并连在换热器2的输出侧2b的出液管22a上。在换能器81的进口管路811上装有换能器进口节止阀813。在使用换能器81时，也可将出液管节止阀22c关闭。在春秋二季地热式液体空调装置不运行时，可利用电加热器加热生活热水。电加热器8上装有自来水进水管83和生活热水出水管84。在电热水器8内还可装有余热加热器82。余热加热器82的作用在于冬夏二季可利用本发明地热式液体空调装置的余热加热电热水器中的水，达到省电并提供生活热水的目的，在余热加热器82的进口管路821上装有节止阀823，不使用余热加热器82时，可关闭节止阀821。
参看图2～图4。图2～图4是本发明地热式液体空调装置采用的地热蓄能器结构示意图。蓄能器可制成圆筒式方式，它包括蓄能体11、置于蓄能体11内呈交错堆放的若干层充有相变物质，如水、甘油、盐水或乙醇的蓄能筒12、置于上层蓄能筒之上的具有均布通孔的上均流板13和置于下层蓄能筒之下的具有均布通孔的支撑板14，且上均流板13和蓄能体11的上壁之间设有液体进口15，支撑板14和蓄能体11的下壁之间形成液体出口16。蓄能体11的外壁上设有若干个呈米字形排列的散热翅片18(见图2)。每个蓄能筒12的两端具有在蓄能筒之间形成液体流动缝隙的凸肩17，其中蓄能筒12可由高强耐腐蚀的塑料制成。凸肩17使蓄能筒12之间产生缝隙，从而保证液体绕着蓄能筒流动(见图4)。在流动过程中液体把能量传递给蓄能筒储存起来。在液体需要能量时，通过液体围绕蓄能筒流动，蓄能筒把能量又传递给液体。从而使蓄能筒达到储存和释放能量的目的。
蓄能器置于地下，因为地下是一个温度变化不大的恒温带。也就是俗称的冬暖夏凉带。蓄能器置于地下，除蓄能器内流动液体与蓄能筒之间的换热外，还具有蓄能器和地下恒温带的换热。夏天把冷传给蓄能器，冬天把热传给蓄能器。
蓄能器另一重要特点是相变蓄能。以水为例，水的相变温度为0℃，水在液态时1m3水温度升高或降低1℃需能量1kwh/℃m3。在发生相变时，0℃的水变成0℃的冰需能量48.4kwh/m3，也就是水在0℃发生相变时，1m3水可提供的能量为48.4kwh/m3。
在冬季埋入地下的蓄能器与地下温度10℃基本一致。现在计算一下蓄能器储存的能量。假设蓄能器中流动液体为1m3，蓄能筒内液体为2m3，液体体积为2+1＝3m3。降低到0℃的显能为3m3×1kwh/℃m3×10℃＝30kwh。蓄能筒内液体发生相变时蓄能为2m3×48.4kwh/m3＝96.8kwh。蓄能器共蓄能30+96.8＝126.8kwh。如液体空调器每小时需能为10KW，蓄能器可供能量时间为：126.8kwh/10KW＝12.68h，也就是蓄能器在绝热状态下可提供液体空调器所需能量为12.68h。
夏季地下温度为15℃，空调器往室外散热温度为50℃，温差为50℃-15℃＝35℃，冷却蓄能共1kwh/℃m3×35℃×3m3＝105kwh，每小时耗能10kw，可解决供冷时间为105kwh/10kw＝10.5h，这是绝热状态下的情况。如果考虑到地下恒温带与蓄能器的换热实际值远远大于此值。
地热蓄能器因其体积较大，适用于居住分散，空间场地较大的建筑使用。
参照图5。图5是本发明地热式液体空调装置采用的地热集热管的结构示意图。图中绘制出了二个地热集热管100和100’相互串接的结构示意图。以地热集热管100为例，集热管100由共轴线安装在一起的外换热筒101，位于外换热筒101内的蓄能筒102，位于蓄能筒102内的出液管103和连接在外换热筒101顶部的进液管104组成。蓄能筒102可用几枚固定片(图中未示出)焊接在外换热筒101内。出液管103可直接焊接在蓄能筒102的上、下壁上。地热集热管100的出液管103与地热集热管100’的进液管104’相连接，地热集热管100’的出液管103’可与下一个地热集热管(图中未示出)的进液管相连接，如此可根据需要将多个地热集热管串接在一起成为一组集热管组。
参照图6。图6是本发明地热式液体空调装置采用的由三组集热管组串联构成的地热集热器的结构示意图。第一地热集热管组100G，假设由8根地热集热管组成(见图1)，每根地热集热管的长度为6m；第二地热集热管组200G假设由12根地热集热管组成(见图1)，每根地热集热管的长度为4m，第三地热集热管组300G假设由16根地热集热管组成(见图1)，每根地热集热管的长度为2m。最后一组集热管组的出水管与地热集热器的总出液管11相接。在出液管11的管路上，在出液泵12前面装有节止阀13，在出液泵12的后面装有节止阀14，以便修理更换出液泵12时使用。地热集热管组100G、200G和300G均竖直埋入10深的地下，以便由低到高分段提取土壤内的热量，最后达到我们所需要的温度。例如将7℃的水经第一集热管组100G使其温度提高至8℃，经第二集热管组200G使水温提高至10℃，经第三集热管组300G使水温提高至12℃。12℃的水经换热器2将热量传递给换热器的输出侧2b后。隆至7℃再回流至第一集热管组100G，再经第二、第三集热管组200G、300G再升温，如此循环不已。地热集热管的外换筒101的外径例如可选为100mm，蓄能筒102的外径可选为80mm，出水管103的外径可选为25m。图6中左侧给出了地层下面的温度与深度之间的变化关系，地热集热管的优点是体积小，可见缝插针，适用于住房密集空间场地下的地方使用。
本发明地热式液体空调装置，其热交换回路和地热集热器内可用防冻液作为工作介质。
下面结合附图描述一下本发明地热式液体空调装置的工作过程。参照图1。图1中第一二位四通阀8和第二二位四通阀9中涂黑的部分表示关闭的流道。在冬季，如上文所述，地热集热器1将集热器内的水升温至12℃，出液泵12通过阀13、14将12℃的水送到换热器2的输入侧2a，通过换热器2将热量传递给换热器输出侧2b。输出侧2b内的11℃的水经节止阀22c，第二二位四通阀9、管道821、36b送入与蒸发器36相偶合的热交换回路38。在蒸发器36内进行热交换，将热量传递给蒸发器36。经热交换后的液体经出液管36a，第一二位四通阀8、回液泵5、换热器2的回液管22b流回至换热器2。与此同时，蒸发器36中的工质R22通过蒸发器36的作用被转换为低温低压气体送入分离器37，在气液分离器37中经气液分离后被送入压缩机31。低压低温气体通过压缩机变为高温高压气体并被送至冷凝器32。在冷凝器32中，由压缩机31送出的高温高压气体和与冷凝器32相偶合的热交换回路38内的工作介质进行热交换，热交换后，被加热的液体工作介质经出液管32a，第一二位四通阀8，出液泵4及空调器6的进液管102流入空调器给室内空气升温。经空调器散热后的液体工作介质通过空调器的回液管103，第二二位四通阀9，进液管32b流回至与冷凝器32相偶合的热交换回路38，完成工作循环。
在夏季制冷时，应将该图中第一二位四通阀8和第二二位四通阀9换向。即将第一、第二二位四通阀涂黑的流道与空白的流道交换，启闭部分正好与图中所示的部分相反。其中，第一二位四通阀8接通与蒸发器36相偶合的热交换回路38的出液管36a和空调器的进液管102，并接通与冷凝器32相偶合的热交换回路38的出液管32a和换热器2的回液管22b；同时，第二二位四通阀9接通与蒸发器36相偶合的热交换回路38的进液管36b和空调器6的回液管103，并接通与冷凝器32相偶合的热交换回路38的进液管32b和换热器2的出液管22a，使与蒸发器36相偶合的热交换回路38内的低温工作介质与空调器相连，从而实现向室内提供冷气。
本发明地热式液体空调器的工作通用采用间歇式工作，例如工作1小时，停止2小时，或工作半小时，停止1小时，以便使地热集热器储存足够的能量。
Claims (12)
1、一种地热式液体空调装置，包括置于地下的地热集热器(1)，能量提升器(3)，空调器(6)，所述地热集热器的出液管(11)上装有集热器出液泵(12)，所述能量提升器(3)包括由压缩机(31)、冷凝器(32)、贮液器(33)、干燥过滤器(34)、节流器(35)、蒸发器(36)和气液分离器(37)通过管道依次连接而组成的制热回路(30)、热交换回路(38)，所述热交换回路(38)中的与所述冷凝器(32)相偶合的热交换回路的出液管(32a)通过空调器进液管(102)与空调器(6)相连，所述空调器(6)的回液管(103)和与所述冷凝器相偶合的热交换回路(38)的进液管(32b)相连，其特征在于：还包括换热器(2)，出液泵(4)，回液泵(5)，所述换热器(2)的输入侧(2a)与所述地热集热器的出液管(1)和回液管相连，与所述蒸发器(36)相偶合的热交换回路(38)的出液管(36a)通过回液泵(5)与所述换热器(2)的输出侧(2b)的回液管(22b)相连，所述换热器(2)的输出侧(2b)的出液管(22a)和与所述蒸发器(36)相偶合的热交换回路(38)的进液管(36b)相连接，所述出液泵(4)安装在所述空调器(6)的进液管(102)上。
2、按照权利要求1所述的地热式液体空调装置，其特征在于：还包括两个两位四通阀(8、9)，与所述冷凝器(32)相偶合的热交换回路(38)的出液管(32a)与第一二位四通阀(8)的第一接口(8a)相连，其进液管(32b)与第二二位四通阀(9)的第一接口(9a)相连；空调器(6)的进液管(102)与第一二位四通阀(8)的第二接口(8b)相连，空调器(6)的回液管(103)与第二二位四通阀(9)的第四接口(9d)相连；与所述蒸发器(36)相偶合的热交换回路(38)的出液管(36a)与所述第一二位四通阀(8)的第三接口(8c)相连，其进液管(36b)与第二二位四通阀(9)的第三接口(9c)相连；所述换热器的输出侧(2b)进液管(22b)与第一二位四通阀(8)的第四接口(8d)相连，其出液管(22a)与第二二位四通阀(9)的第二接口(9b)相连。
3、按照权利要求2所述的地热式液体空调装置，其特征在于：还包括有太阳能集热器(7)，所述太阳能集热器(7)包括太阳能热水器(71)、太阳能储能器(72)、循环水泵(73)通过管路依次串接组成的循环回路，在所述太阳能储能器(72)的进出口管路上设有进口节止阀(74)和出口节止阀(75)，所述太阳能储能器(72)内装有热交换器(76)，所述热交换器(76)的进、出口管路(761、762)并串接在所述换热器(2)的输出侧(2b)的出液管(22a)上，所述进口管路(761)上装有热交换器进口节止阀(763)。
4、按照权利要求3所述的地热式液体空调装置，其特征在于：所述太阳能热水器(71)上连接有自来水进水管(77)和生活热水出水管(78)，在所述自来水进水管(77)和生活热水出水管(78)上分别装有自来水管节止阀(771)和生活热水出水管节止阀(781)。
5、按照权利要求4所述的地热式液体空调装置，其特征在于：还包括有电热水器(8)，所述电热水器(8)内装有换能器(81)，所述换能器的进、出口管路(811、812)并串接在所述换热器(2)的输出侧(2b)的出液管(22a)上，在所述换能器的进口管路(811)上装有换能器进口节止阀(813)。
6、按照权利要求5所述的地热式液体空调装置，其特征在于：在所述电热水器(8)内装有余热加热器(82)，所述余热加热器(82)的进、出口管路(821、822)并串接在与所述蒸发器(36)相偶合的热交换回路(38)的进液管(36b)上，在所述余热加热器(82)的进口管路或出口管路上装有余热加热器节止阀(823)。
7、按照权利要求1至6之一所述的地热式液体空调装置，其特征在于：所述的地热集热器(1)为地热蓄能器，所述地热蓄能器包括蓄能体(11)、置于蓄能体(11)内呈交错堆放的若干层充有相变物质的蓄能筒(12)、置于上层蓄能筒之上的具有均布通孔的上均流板(13)和置于下层蓄能筒之下的具有均布通孔的支撑板(14)，在上均流板(13)和蓄能体(11)的上壁之间设有液体进口(15)，在支撑板(14)和蓄能体(11)的下壁之间设有液体出口(16)，每个蓄能筒(12)的两端具有在蓄能筒之间形成液体流动缝隙的突肩(17)；所述蓄能体(11)的外壁上装有若干个翅片(18)。
8、按照权利要求7所述的地热式液体空调装置，其特征在于：所述翅片(18)成米字形排列。
9、按照权利要求1至6之一所述的地热式液体空调装置，其特征在于：所述地热集热器(1)为若干个集热管组串接组成的地热集热管系，每个所述地热集热管组由若干个串接的集热管组成，每个集热管由共轴线安装在一起的外换热筒(101)，位于所述外换热筒(101)内的蓄能筒(102)，位于所述蓄能筒(102)内的出液管(103)和连接在所述外换热筒(101)顶部的进液管(104)组成。
10、按照权利要求9所述的地热式液体空调装置，其特征在于：所述地热集热管系由三级集热管组组成，其中第一集热管组(100G)的外换热筒的长度为6米，第二集热管组(200G)的外换热筒的长度为4m，第三集热管组(300G)的外换热筒的长度为2m。
11、按照权利要求10所述的地热式液体空调装置，其特征在于：所述外换热筒(101)的外径为100mm，蓄能筒(102)的外径为80mm，出水管(103)的外径为25mm。
12、按照权利要求8或11所述的地热式液体空调装置，其特征在于：所述热交换回路中填充有防冻液。
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