CN1306233C - 提取土壤能量的热泵系统 - Google Patents

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Abstract

一种提取土壤能量的热泵系统，包括依次串联在一起的土壤能量采集装置、能量提升装置和散热器，土壤能量采集装置包括：由集热器、低位能侧换热盘管和回液泵依次串联组成的回路，能量提升装置包括：由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀依次串联组成的回路，散热器包括：由能量输入盘管、循环泵和若干个散热片依次串联组成的回路，在能量提升装置和散热器之间设有换热装置，土壤能量采集装置回路和换热装置回路中流动的液体为防冻液，压缩机由相互并联在一起的第一压缩机和第二压缩机组成，本发明系统具有设备简单、安装和维修方便，并且可以保证系统在任何状态下正常工作。

Description

提取土壤能量的热泵系统
技术领域
本发明涉及一种提取土壤能量的热泵系统，特别是涉及一种适用于在各种环境下提取土壤能量的热泵系统，它是通过能量提升装置把低品位热能变成高品位热能达到冬季供暖、夏季供冷、日常供应生活热水的目的。
背景技术
本发明申请人在先申请的中国发明专利号为ZL01116085.3的竖式地热蓄能空调系统为人们提供了一种利用地热作为能源、无污染、占地面积小的空调系统，但是该系统在环境温度较低时，往往不能满足采暖要求，有时还会发生蒸发器冻结，导致供暖中断，使该系统不能广泛推广和使用。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提取土壤能量的热泵系统，它能使提取土壤能量的热泵系统在任何情况下均能进行正常工作，来达到冬季供暖的目的。
本发明的另一个目的是提供一种提取土壤能量的热泵系统，它能使提取土壤能量的热泵系统在任何情况下均能进行正常工作，来达到冬季供暖的目的和夏季供冷的目的。
为了实现本发明的目的，本发明的提取土壤能量的热泵系统包括：依次串联在一起的土壤能量采集装置、能量提升装置和散热器，所述土壤能量采集装置包括：由集热器、低位能侧换热盘管和回液泵依次串联组成的回路，所述能量提升装置包括：由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀依次串联组成的回路，所述低位能侧换热盘管与所述蒸发器相耦合，所述散热器包括：由能量输入盘管、循环泵和若干个散热片依次串联组成的回路，其中：在所述能量提升装置和所述散热器之间设有换热装置，换热装置包括：由高位能侧换热盘管、出液泵和能量输出盘管依次串联组成的回路，所述冷凝器与所述高位能侧换热盘管相耦合，所述能量输出盘管与所述能量输入盘管相耦合，所述土壤能量采集装置回路和换热装置回路中流动的液体为防冻液，所述压缩机由并联在一起的第一压缩机和第二压缩机组成。
本发明的提取土壤能量的热泵系统，其中：所述热泵系统还包括：第一二位四通换向阀和第二二位四通换向阀，其中第一二位四通换向阀的第一接口与集热器的出液端相连，第一二位四通换向阀的第二接口与换热装置高位能侧换热盘管的进液端相连，第一二位四通换向阀的第三接口与换热装置能量输出盘管的出液端相连，第一二位四通换向阀的第四接口与土壤能量采集装置低位能侧换热盘管的进液端相连；第二二位四通换向阀的第一接口与土壤能量采集装置的回液泵出液端相连，第二二位四通换向阀的第二接口与换热装置能量输出盘管的进液端相连，第二二位四通换向阀的第三接口与换热装置出液泵的出液端相连，第二二位四通换向阀的第四接口与集热器的进液端相连，其中回液泵和出液泵的进液端分别与低位能侧换热盘管和高位能侧换热盘管的出液端相连。
本发明的提取土壤能量的热泵系统，其中：所述第一压缩机和第二压缩机是可调速的压缩机。
本发明的提取土壤能量的热泵系统，其中：所述第一和第二压缩机与所述冷凝器之间串联热水器的加热管。
本发明的提取土壤能量的热泵系统，其中：所述土壤能量采集装置的低位能侧换热盘管和与其相耦合的能量提升装置的蒸发器制成钎焊板式换热器，所述能量提升装置的冷凝器和与其耦合的换热装置的高位能侧换热盘管制成钎焊板式换热器，所述换热装置的能量输出盘管和与其耦合的散热器的能量输入盘管制成板式换热器。
本发明的提取土壤能量的热泵系统，其中：所述的集热器由外筒、套装在外筒内的内筒、上封盖和均流板组成，外筒和内筒之间留有间隙，所述上封盖位于外筒的顶部，集热器的进液管装在上封盖上，集热器的出液管与外筒和内筒之间环形空间的下部相通，上封盖和内筒之间设有均流板，内筒为开式容器，内筒的开口伸出外筒的上封盖。
本发明提取土壤能量的热泵系统与现有技术的竖式地热蓄能空调系统相比，具有以下优点：
1.由于本发明的系统中加入了换热器，而换热装置回路和土壤能量采集装置回路和中流动的液体为防冻液，能量提升装置回路中流动的液体为制冷剂，因此即使系统在低温下工作，蒸发器和冷凝器也不会发生冻结、堵塞和结垢等现象，从而保证提取土壤能量的热泵系统无障碍运行，并且为了合理利用能源，在本发明中采用了压缩机并联的结构，在冬季天气不冷时选用一台压缩机工作，天气寒冷时选用二台压缩机工作。
2.在提取土壤能量的热泵系统上配置了两个二位四通换向阀，通过改变二位四通换向阀的位置来进行供暖或制冷。
3.本发明的热泵系统采用可调速压缩机，通过提高或降低压缩机的速度，使能量提升装置提供的热量增多或减少，这样可以最合理的使用能源。
4.本发明的热泵系统在压缩机和冷凝器之间串联了热水器的加热管，为日常生活提供热水。
5.冷凝器和与之相耦合的换热装置高位能侧换热盘管制成了钎焊板式换热器，换热装置的能量输出盘管和与之耦合的散热器的能量输入盘管制成可拆卸的板式换热器，换热装置封闭回路中流动的液体为防冻液；蒸发器和与之耦合的土壤能量采集装置低位能侧换热盘管制成了钎焊板式换热器，土壤能量采集装置封闭回路中流动的液体也为防冻液，由于钎焊板式换热器的不可拆性，堵塞和冻坏等限制了其广泛使用，本发明使两个钎焊板式换热器的内侧流动制冷剂，外侧流动防冻液，这样就充分发挥了钎焊板式换热器的长处，同时避开了短处，既提高了换热效率又增加了钎焊板式换热器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提取土壤能量的热泵系统的示意图。
具体实施方式
参照图1所示。图1所示的提取土壤能量的热泵系统包括：依次串联在一起的土壤能量采集装置4、能量提升装置1、换热装置2和散热器3，土壤能量采集装置4包括：由集热器20、低位能侧换热盘管5和回液泵7依次串联组成的回路，能量提升装置1包括：由蒸发器18、压缩机、热水器的加热管10、冷凝器19和膨胀阀15依次串联组成的回路，换热装置2包括：由高位能侧换热盘管16、出液泵8和能量输出盘管17依次串联组成的回路，散热器3包括：由能量输入盘管6、循环泵9和若干个散热片21依次串联组成的回路，其中土壤能量采集装置4中的低位能侧换热盘管5与能量提升装置1中的蒸发器18相耦合，能量提升装置1中的冷凝器19与换热装置2中的高位能侧换热盘管16相耦合，换热装置2中的能量输出盘管17与散热器3的能量输入盘管6相耦合，土壤能量采集装置4回路和换热装置2回路中流动的液体为防冻液，能量提升装置1中的压缩机包括：可调速的第一压缩机11和第二压缩机12，它们并联在能量提升装置1的回路中。在两个压缩机11、12与冷凝器19之间串联热水器的加热管10，为日常提供生活热水。
提取土壤能量的热泵系统还包括：第一二位四通换向阀13和第二二位四通换向阀14，通过改变二位四通换向阀的位置来达到冬季供暖或夏季制冷。其中第一二位四通换向阀13的第一接口13a与集热器20的出液端相连，第一二位四通换向阀13的第二接口13b与换热装置2高位能侧换热盘管16的进液端相连，第一二位四通换向阀13的第三接口13c与换热装置2能量输出盘管17的出液端相连，第一二位四通换向阀13的第四接口13d与土壤能量采集装置4低位能侧换热盘管5的进液端相连；第二二位四通换向阀14的第一接口14a与土壤能量采集装置4回液泵7的出液端相连，第二二位四通换向阀14的第二接口14b与换热装置2能量输出盘管17的进液端相连，第二二位四通换向阀14的第三接口14c与换热装置2出液泵8的出液端相连，第二二位四通换向阀14的第四接口14d与集热器20的进液端相连。其中回液泵7和出液泵8的进液端分别与低位能侧换热盘管5和高位能侧换热盘管16的出液端相连。
土壤能量采集装置4的低位能侧换热盘管5和与其相耦合的能量提升装置1的蒸发器18制成钎焊板式换热器，能量提升装置1的冷凝器19和与其耦合的换热装置2的高位能侧换热盘管16制成钎焊板式换热器，换热装置2的能量输出盘管17和与其耦合的散热器3的能量输入盘管6制成板式换热器。
集热器20由外筒22、套装在外筒22内的内筒23、上封盖24和均流板25组成，外筒22和内筒23之间留有间隙，外筒22的顶部设有一个上封盖24，集热器20的进液管装在上封盖24上，集热器20的出液管与外筒22和内筒23之间环形空间的下部相通，上封盖24和内筒23之间设有均流板25，内筒23为开式容器，内筒23的开口伸出外筒22的上封盖24。集热器20置于集热井中，集热器外筒22和井壁之间填充水泥和粘土的混合物，水泥和粘土的比例在1∶3-1∶5之间。
由于采用钎焊板式换热器，使系统的体积大大缩小。同时可以把除了集热器和散热片之外的系统元件和配电屏作成一个集成件，省去了现场的安装，真正达到了现场安装工厂化，这样既节约了成本又保证了工程质量。
本发明提取土壤能量的热泵系统的工作原理；
(一)本发明提取土壤能量的热泵系统在冬季供暖时的工作过程
图1为提取土壤能量的热泵系统的示意图。在冬季供暖状态下，第一二位四通换向阀13和第二二位四通换向阀14的阀芯位置如图所示，垂直于与之相连的管道，这时，第一二位四通换向阀13和第二二位四通换向阀14的第一接口a分别与和它们对应的第四接口d相连，第二接口b分别与和它们对应的第三接口c相连。
启动回液泵7，回液泵7抽取低位能侧换热盘管5的防冻液，防冻液通过第二二位四通换向阀14的第一接口14a和第四接口14d流入集热器20中，防冻液经均流板25均匀地沿着集热器20的内筒23和外筒22之间构成的环形通道一直流到集热器20的底部，在此过程中降温后防冻液从环形通道的外筒22外壁吸收土壤传给外壁的热量，从环形通道的内壁吸收内筒23中水的热量，升温后的防冻液通过第一二位四通换向阀13的第一接口13a和第四接口13d再次进入低位能侧换热盘管5释放热量。
能量提升装置1的蒸发器18内的工质吸收流过土壤能量采集装置4低位能侧换热盘管5的能量蒸发成气体，气体通过第一压缩机11和/或第二压缩机12压缩升温(视外界气温而决定启动一个压缩机还是启动两个压缩机，一般来说当外界气温不太低时，只需要启动一个压缩机，当外界气温很低时，要同时启动两个压缩机)，并通过热水器的加热管10加热生活热水，供人们洗漱，再通过冷凝器19释放热量给与冷凝器19相耦合的高位能侧换热盘管16，冷凝后的液态工质通过膨胀阀15减压后，再次进入蒸发器18内吸热......如此反复循环。
由出液泵8将升温后的防冻液通过第二二位四通换向阀14的第三接口14c和第二接口14b送至第一换热装置2的能量输出盘管17释放热量，降温后的防冻液通过第一二位四通换向阀13的第三接口13c和第二接口13b流入换热装置2的高位能侧换热盘管16吸收热量，如此反复循环，不断地把热量供给与换热器2能量输出盘管17相耦合的散热器3的能量输入盘管6，再通过循环泵9不断地把热量输送给散热片21(即用户)，从而达到供暖的目的。
(二)本发明提取土壤能量的热泵系统在夏季制冷时的工作过程
在该状态下，第一二位四通换向阀13和第二二位四通换向阀14的阀芯处于平行于与之相连的管道位置，即换向阀的阀芯处于和图示的位置相垂直的位置，这时，第一二位四通换向阀13和第二二位四通换向阀14的第一接口a分别与和它们对应的第二接口b相连，第三接口c分别与和它们对应的第四接口d相连。
集热器20中的防冻液在出液泵8的作用下，通过第一二位四通阀13的第一接口13a和第二接口13b进入换热装置2的高位能侧换热盘管16吸收冷凝器19放出的热量，升温后的防冻液通过第二二位四通阀14的第三接口14c和第四接口14d回到集热器20中。
与冬季供暖相反，在能量提升装置1的作用下，低位能侧换热盘管5释放热量给蒸发器18，回液泵7把低位能侧换热盘管5中的降温后的防冻液通过第二二位四通阀14的第一接口14a和第二接口14b进入换热装置2的能量输出盘管17释放冷能，给散热器3的能量输入盘管6，供用户纳凉。升温后的防冻液从换热装置2的能量输出盘管17出来后，经过第一二位四通阀13的第三接口13c和第四接口13d进入低位能侧换热盘管5吸收冷能，而散热器3的能量输入盘管6与换热装置2的能量输出盘管17耦合，散热器3的能量输入盘管6从换热装置2的能量输出盘管17中不断地得到冷能，通过循环泵9输送给散热片21(即用户)。如此反复循环，从而达到供冷的目的。
同理，为了合理利用能源，可以适当地选择使用一台压缩机或两台压缩机，在夏季天气不太热时选用一台压缩机工作，天气炎热时选用二台压缩机工作，并且采用可调速压缩机，通过提高或降低压缩机的速度，使能量提升装置提供的冷量增多或减少。
由运行过程可以看出，能量提升装置1是一种适应外界气温变化而改变运行工况的一种热泵。它可以根据需要提供不同的采暖或制冷的温度，机动、灵活、适用范围广。它的两个回路的压缩机可选择相同压缩机，也可选择不同压缩机，根据不同需要选择最佳配置。

Claims (6)

1.一种提取土壤能量的热泵系统，包括：依次串联在一起的土壤能量采集装置(4)、能量提升装置(1)和散热器(3)，所述土壤能量采集装置(4)包括：由集热器(20)、低位能侧换热盘管(5)和回液泵(7)依次串联组成的回路，所述能量提升装置(1)包括：由蒸发器(18)、压缩机、冷凝器(19)和膨胀阀(15)依次串联组成的回路，所述低位能侧换热盘管(5)与所述蒸发器(18)相耦合，所述散热器(3)包括：由能量输入盘管(6)、循环泵(9)和若干个散热片(21)依次串联组成的回路，其特征在于：在所述能量提升装置(1)和所述散热器(3)之间设有换热装置(2)，换热装置(2)包括：由高位能侧换热盘管(16)、出液泵(8)和能量输出盘管(17)依次串联组成的回路，所述冷凝器(19)与所述高位能侧换热盘管(16)相耦合，所述能量输出盘管(17)与所述能量输入盘管(6)相耦合，所述土壤能量采集装置(4)回路和换热装置(2)回路中流动的液体为防冻液，所述压缩机由相互并联在一起的第一压缩机(11)和第二压缩机(12)组成。
2.如权利要求1所述的提取土壤能量的热泵系统，其特征在于：所述热泵系统还包括：第一二位四通换向阀(13)和第二二位四通换向阀(14)，其中第一二位四通换向阀(13)的第一接口(13a)与集热器(20)的出液端相连，第一二位四通换向阀(13)的第二接口(13b)与换热装置(2)高位能侧换热盘管(16)的进液端相连，第一二位四通换向阀(13)的第三接口(13c)与换热装置(2)能量输出盘管(17)的出液端相连，第一二位四通换向阀(13)的第四接口(13d)与土壤能量采集装置(4)低位能侧换热盘管(5)的进液端相连；第二二位四通换向阀(14)的第一接口(14a)与土壤能量采集装置(4)回液泵(7)的出液端相连，第二二位四通换向阀(14)的第二接口(14b)与换热装置(2)能量输出盘管(17)的进液端相连，第二二位四通换向阀(14)的第三接口(14c)与换热装置(2)出液泵(8)的出液端相连，第二二位四通换向阀(14)的第四接口(14d)与集热器(20)的进液端相连，其中回液泵(7)和出液泵(8)的进液端分别与低位能侧换热盘管(5)和高位能侧换热盘管(16)的出液端相连。
3.如权利要求2所述的提取土壤能量的热泵系统，其特征在于：所述第一压缩机(11)和第二压缩机(12)是可调速的压缩机。
4.如权利要求2或3所述的提取土壤能量的热泵系统，其特征在于：所述第一和第二压缩机(11，12)与所述冷凝器(19)之间串联热水器的加热管(10)。
5.如权利要求4所述的提取土壤能量的热泵系统，其特征在于：所述土壤能量采集装置(4)的低位能侧换热盘管(5)和与其相耦合的能量提升装置(1)的蒸发器(18)制成钎焊板式换热器，所述能量提升装置(1)的冷凝器(19)和与其耦合的换热装置(2)的高位能侧换热盘管(16)制成钎焊板式换热器，所述换热装置(2)的能量输出盘管(17)和与其耦合的散热器(3)的能量输入盘管(6)制成板式换热器。
6.如权利要求5所述的提取土壤能量的热泵系统，其特征在于：所述的集热器(20)由外筒(22)、套装在外筒(22)内的内筒(23)、上封盖(24)和均流板(25)组成，外筒(22)和内筒(23)之间留有间隙，所述上封盖(24)位于外筒(22)的顶部，集热器(20)的进液管装在上封盖(24)上，集热器(20)的出液管与外筒(22)和内筒(23)之间环形空间的下部相通，上封盖(24)和内筒(23)之间设有均流板(25)，内筒(23)为开式容器，内筒(23)的开口伸出外筒(22)的上封盖(24)。
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