CN201593839U - 地源热泵中央空调能量补偿系统 - Google Patents

Abstract

一种地源热泵中央空调能量补偿系统，地热循环系统有从地源侧回水端流入的地热水依次流入地源侧循环泵组、地源热泵机组的蒸发器组后流回地源侧进水端；内网循环系统有通过管路依次循环连通的冷冻水循环泵组、地源热泵机组的冷凝器组、内网分水器、取暖单元、内网集水器和冷冻水循环泵组，板式换热器的入水口端分别通过管路连通地热循环系统中的蒸发器组及内网循环系统中的内网分水器，板式换热器的出水口端分别通过管路连通地热循环系统中的地源侧循环泵组及内网循环系统中的内网集水器。本实用新型只是通过在现有技术上连接一换热器，就解决了由于原地下供热系统所存在的地埋管数量少，或由于长时间运行换热效率降低导致地埋管系统低端热能不足的问题。

Description

地源热泵中央空调能量补偿系统

技术领域

本实用新型涉及一种地源热泵供热系统，特别是涉及一种地源热泵中央空调能量补偿系统。

背景技术

由于将地热作为能源，用于提供生活用热水，以及用于中央空调的供暖供热，具有无污染，占地面积小的特点。目前不少采用地热作为能源用于中央空调的制冷供热系统。如图1所示的一种现有的地热制冷供热系统，有：地热循环部分和内网循环部分。其中，所述的地热循环部分包括有地源侧循环泵组1和蒸发器组3，从地源侧回水端H来的水经地源侧循环泵组1送入蒸发器组3，通过压缩机做功将蒸发器组3与内网循环部分的冷凝器组4进行热交换，然后再经地源侧进水端流回地下。所述的内网循环部分包括冷冻循环泵组2、冷凝器组4、内网分水器5、内网集水器6和膨胀水箱8。其中，内网水经冷冻循环泵组2送入冷凝器组4与地热循环部分的蒸发器组3进行热交换后进入内网分水器5，由内网分水器5将热交换后的水分配到取暖单元7(如教学楼和实训楼)，然后再流入到内网集水器6，从内网集水器6再次流到冷冻循环泵组2进行下一次循环。

但是上述的系统，由于地埋井数量设计少，引起冬季制热时主机蒸发器出口温度过低而不能正常运转的现象发生。其主要是冷冻水出口温度太低导致地源热泵机组防冻报警。造成该系统不能正常运行。

为了解决上述的问题，可以采用下面的几种方法：1、在地源侧增加电辅热；2、增加打井数量；3、增加太阳能辅助加热；4、增加燃气锅炉；5、在地源侧循环系统中增加防冻液；6、增加蓄热水箱；7、末端增加电辅热。

但是，对于在地源侧增加电辅热，需要电容量足够大，因此无法实现。其它几种方式，由于投资成本大与场地的限制，也难以实现。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种可以有效的解决由于原地下供热系统所存在的地埋管数量少，或由于长时间运行换热效率降低导致地埋管系统低端热能不足问题的地源热泵中央空调能量补偿系统。

本实用新型所采用的技术方案是：一种地源热泵中央空调能量补偿系统，是由地热循环系统和内网循环系统组成，其中，所述的地热循环系统包括通过管路相连通的地源侧循环泵组和地源热泵机组的蒸发器组，从地源侧回水端流入的地热水依次流入地源侧循环泵组、蒸发器组后流回地源侧进水端；所述的内网循环系统包括通过管路依次循环连通的冷冻水循环泵组、地源热泵机组的冷凝器组、内网分水器、取暖单元、内网集水器和冷冻水循环泵组，所述的冷冻水循环泵组将内网循环用水送入冷凝器组与地热循环系统的蒸发器组进行热交换后，流入内网分水器，由内网分水器分配给取暖单元，经取暖单元后的水再经内网集水器送回冷冻水循环泵组，还设置有板式换热器，所述的板式换热器的入水口端分别通过管路连通地热循环系统中的蒸发器组及内网循环系统中的内网分水器，所述的板式换热器的出水口端分别通过管路连通地热循环系统中的地源侧循环泵组1及内网循环系统中的内网集水器。

所述的地热循环系统和内网循环系统中所用的管路采用无缝钢管。

所述的板式换热器分别与地热循环系统以及内网循环系统相连通的管路采用镀锌管。

所述的地热循环系统与板式换热器的入口端相连的管路上以及内网循环系统与板式换热器的入口端相连的管路上分别依次设置有第一手动碟阀和Y型过滤器，所述的板式换热器的出口端与地热循环系统相连的管路上以及板式换热器的出口端与内网循环系统相连的管路上分别依次设置有直形温度计和第二手动碟阀。

所述的蒸发器组中的连接镀锌管的每个蒸发器的出口都设置有一个手动碟阀。

所述的蒸发器组中的蒸发器的个数与冷凝器组中的冷凝器的个数相同。

还设置有用于自动补水的膨胀水箱，所述的膨胀水箱通过管路分别连通地源侧循环泵组和冷冻水循环泵组。

在地源侧回水端H到蒸发器组的入口端的主管道上设置有温度控制开关。

本实用新型的地源热泵中央空调能量补偿系统，不需整体改变原地下供热系统，只是通过在原有的基础上连接一换热器，就可以有效的解决由于原地下供热系统所存在的地埋管数量少，或由于长时间运行换热效率降低导致地埋管系统低端热能不足的问题，并且与传统的电辅热方式相比能够节电70％以上。

附图说明

图1是现有的地下供热系统；

图2是本实用新型的地下供热系统。

其中：

1：地源侧循环泵组       2：冷冻水循环泵组

3：蒸发器组             4：冷凝器组

5：内网分水器           6：内网集水器

7：取暖单元             8：膨胀水箱

9：第一手动碟阀         10：Y型过滤器

11：直形温度计          12：第二手动碟阀

13：手动碟阀            14：板式换热器

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本实用新型的地源热泵中央空调能量补偿系统是如何实现的。

如图2所示，本实用新型的地源热泵中央空调能量补偿系统，是由地源侧循环系统和内网循环系统组成，其中，所述的地源侧循环系统包括有通过管路相连通的地源侧循环泵组1和地源热泵机组的蒸发器组3，从地源侧回水端H流入的地热水依次流入地源侧循环泵组1、蒸发器组3后流回地源侧进水端J；所述的内网循环系统包括有通过管路依次循环连通的：冷冻水循环泵组2、地源热泵机组的冷凝器组4、内网分水器5、取暖单元7、内网集水器6和冷冻水循环泵组2，所述的冷冻水循环泵组2将内网循环用水送入冷凝器组4，流经冷凝器组4的水与流经地热循环机组系统的蒸发器组3的水进行热交换后，再流入内网分水器5，由内网分水器5分配给取暖单元7，本实施例是用于学校的供暖系统，所述的取暖单元7包括有教学楼和实训楼。经取暖单元7后的水再经内网集水器6送回冷冻水循环泵组2。所述的蒸发器组3中的蒸发器的个数与冷凝器组4中的冷凝器的个数相同。

所述的地热循环系统和内网循环系统中所用的管路采用无缝钢管。还设置有用于自动补水的膨胀水箱8，所述的膨胀水箱8通过管路分别连通地源侧循环泵组1和冷冻水循环泵组2。

还设置有板式换热器14，所述的板式换热器14的入水口端分别通过管路连通地热循环系统中的蒸发器组3及内网循环系统中的内网分水器5，所述的板式换热器14的出水口端分别通过管路连通地热循环系统中的地源侧循环泵组1及内网循环系统中的内网集水器6。

所述的板式换热器14分别与地热循环系统以及内网循环系统相连通的管路采用镀锌管。

所述的地热循环系统与板式换热器14的入口端相连的管路上以及内网循环系统与板式换热器14的入口端相连的管路上分别依次设置有第一手动碟阀9和Y型过滤器10，所述的板式换热器14的出口端与地热循环系统相连的管路上以及板式换热器14的出口端与内网循环系统相连的管路上分别依次设置有直形温度计11和第二手动碟阀12。

在地源侧回水端H到蒸发器组3的入口端的主管道上设置有温度控制开关。

所述的蒸发器组3中的每个连接镀锌管的蒸发器的出口都设置有一个手动碟阀13。

本实用新型的地源热泵中央空调能量补偿系统，在原有系统的基础上增加的板式换热器相当于在末端增加负荷。通过计算，增加换热器的负荷只相当于原来负荷的15％，因此选择与末端同步进行换热，是完全可以的。因为只要有效提高地源侧系统温度，按现有配备的机组能量，完全可以实现连续运转，而无需人为控制。本实用新型在系统蒸发器入口增加温度控制开关，防止温度过高，由它控制板式换热器负载侧管路的开启。实现温度可控。以使机组达到最佳运行状态。同时本实用新型在夏季同样可以对地源侧供水温度进行有效降低。

预期结果：

本实用新型可以用1KW的电能生产4.5KW的热能。是电加热不具备的。同时无需额外增加电负荷，投资少，施工容易。

理论依据：

根据热力学第一定律，如不计压缩机向环境的散热，则热泵制热量Q_h等于从低温热源吸取热量(也可视为制冷机的制冷量)Q_C与输入功率P之和。由于Q_C与P的比值为制冷系数COP_C，故COP_h也可写成

COP_h＝(P+Q_C)/P＝1+COP_C

可见COP_h值恒大于1。

这就从理论上讲，只要将热泵机组的热量转移到低端系统，其温度必将得到提升。

1.计算过程：

参数设定：

内网循环水泵流量为Q₁＝150m³/h，设流速为V₁；地埋管侧流量Q₂＝120m³/h；设流速为V₂；水泵出口管径D＝125mm＝0.125m。换热器的出口和入口管径为d＝50mm＝0.05m；

因此原有内网(热水端)的流量从分水器出来分成Q₁a(从主管直接返回集水器)和Q₁b(通过板式换热器流回集水器)；地埋系统(冷水端)的流量从主机蒸发器出来分成Q₂a(直接回到循环系统的回水管道)和Q₂b(通过板式换热器流回循环水泵的入口主管道)。

因此在热水循环系统中：

因为：Q₁＝Q₁a+Q₁b

Q₁＝D²×π×V₁/4＝150

V₁＝150×4/0.125²×π×3600＝3.4m/s

所以：Q₁b＝d²×π×V₁/4＝0.05²×3.14×3.4×3600/4＝24m³/h

Q₁a＝Q₁-Q₁b＝150-24＝126m³/h

同理；Q₂＝Q₂a+Q₂b

Q₂＝D²×π×V₂/4＝150

V₂＝120×4/0.125²×π×3600＝2.7m/s

Q₂b＝d²×π×V₂/4＝0.05²×3.14×2.7×3600/4＝19.1m³/h

Q₂a＝Q₂-Q₂b＝120-19.1＝100.9m³/h

按机组冷凝器出口温度(板式换热器高温端设计入口温度)T₁＝45℃，T₁a＝32℃为板式换热器高温端出口设计温度，T₁b＝40℃为用户出口进入集水器的温度；蒸发器出口温度(板式换热器低温端设计入口温度)T₂＝4℃，T₂a＝19℃为板式换热器低温端设计出口设计温度。T₂b＝8℃为地埋系统回水进入蒸发器的入口温度；T₃为T₁a和T₁b混合后进入冷凝器循环泵的入口温度；T₄为T₂a和T₂b混合后进入蒸发器循环泵的入口温度。本实用新型的目的就是要通过提高T₄来达到提高T₂之目标。计算如下：

计算结果显示，通过增加板式换热器进行热能交换，将有效同步提升地埋系统入口温度，理论上所提高的温度用Δt(理论)表示。

Δt(理论)＝T₄-T₂b＝9.75-8＝1.75℃.

因此在标准工况下，相当于提升地源侧能量：

W＝1000×Q₂×Δt(理论)/0.86

＝1000×120×1.75/0.86

＝244186(w)＝244Kw

换句话说，在配电容量不增加的情况下，把提升的能量按电能100％转换成热能的话，相当于在地源侧回水增加了244Kw的电辅热。

1、实际验证：

从元月2日至10日对机组进行了各种温度的记录对比，得到如下数据：

T1b＝40.36℃，T₁a＝27.82℃；T₂a＝23.64℃，T₂b＝9.46℃

实际结果显示，通过增加板式换热器进行热能交换，将有效同步提升地埋系统入口温度

Δt  (实际)＝T₄’-T₂b＝11.86-9.46＝2.40℃.

因此本实用新型实际结果，相当于提升地源侧能量：

$=1000\×120\×2.40/0.86$

$=334883\left(w\right)=334.8\mathrm{Kw}$

我们将上述结果乘以流量误差系数0.9，保守提高地源侧能量：

W1＝0.9×334.8＝300Kw

在配电容量不增加的情况下，把提升的能量按电能100％转换成热能的话，相当于在地源侧回水增加了300Kw的电辅热。

2、理论与实际误差值；

从温度来看，提升地源侧入口温度误差为：

Δt＝Δt(实际)-Δt(计算)

＝2.4-1.75

＝0.65℃

3、增加换热系统带来的耗电分析：

由于换热器的换热负荷与实际流量及换热温差有直接关系，我们暂按换热系统的能量消耗为300KW计算，其耗电情况如下：

我们按地源热泵机组的制热能效比为1∶4.5(一般情况在4～4.5之间)，因此获得300KW热量需消耗的电功率为300÷4.75＝63.15KW。假设机组运行时间为(11月5日-3月25日)平均每日运行时间12小时，机组总运行时间140×12＝1680小时。期间，考虑到放假时间30天，换热系统在此期间由于系统负荷减小无需工作，换热系统实际工作时间为1680-30×12＝1320小时。因此换热系统制冷季节消耗的电能为1320×63.15＝83358KW。按全国主要地区工业用电平均价格0.75元/KW.h计算，总计耗电费用为83358×0.75＝62518元。和300KW电辅热比较，节电(300-63.15)×1320×0.75＝234481元。节电率为234481×100％/(234481+62518)＝79％效果十分明显。

4、本实用新型与原有系统的对比

1)原有系统冷冻水进水平均温度7.56℃，本实用新型冷冻水进水平均温度为9.46℃，提高了1.9℃；原有系统冷冻水出水平均温度4.15℃，本实用新型冷冻水出水平均为5.43℃，提高了1.28℃。因此，完全达到了通过提升冷冻水进水温度来提高冷冻水出水温度之目的。

2)设备运行状态：

原有系统只能开一台主机，一台内网循环泵，(在室外温度-8℃以上)并且我们采取了末端负荷的调峰措施。在负荷高峰期，主机频繁出现冷冻水出水温度过低报警，导致设备停机。设备处于不正常状态。

本实用新型实施后开2台主机，2台内网循环泵，(在室外温度-15℃以上)，而且是末端全天满负荷，设备运行状态稳定。

通过实际运行，从2010年元月1日开始，至2010年2月9日，系统各项指标正常，完全符合设备运行工况，未发生停机现象。本实用新型具备很强的实用性，达到或超过预期目标。

Claims (8)

1.一种地源热泵中央空调能量补偿系统，是由地热循环系统和内网循环系统组成，其中，所述的地热循环系统包括通过管路相连通的地源侧循环泵组(1)和地源热泵机组的蒸发器组(3)，从地源侧回水端(H)流入的地热水依次流入地源侧循环泵组(1)、蒸发器组(3)后流回地源侧进水端(J)；所述的内网循环系统包括通过管路依次循环连通的冷冻水循环泵组(2)、地源热泵机组的冷凝器组(4)、内网分水器(5)、取暖单元(7)、内网集水器(6)和冷冻水循环泵组(2)，所述的冷冻水循环泵组(2)将内网循环用水送入冷凝器组(4)与地热循环系统的蒸发器组(3)进行热交换后，流入内网分水器(5)，由内网分水器(5)分配给取暖单元(7)，经取暖单元(7)后的水再经内网集水器(6)送回冷冻水循环泵组(2)，其特征在于，还设置有板式换热器(14)，所述的板式换热器(14)的入水口端分别通过管路连通地热循环系统中的蒸发器组(3)及内网循环系统中的内网分水器(5)，所述的板式换热器(14)的出水口端分别通过管路连通地热循环系统中的地源侧循环泵组(1)及内网循环系统中的内网集水器(6)。

2.根据权利要求1所述的地源热泵中央空调能量补偿系统，其特征在于，所述的地热循环系统和内网循环系统中所用的管路采用无缝钢管。

3.根据权利要求1所述的地源热泵中央空调能量补偿系统，其特征在于，所述的板式换热器(14)分别与地热循环系统以及内网循环系统相连通的管路采用镀锌管。

4.根据权利要求1所述的地源热泵中央空调能量补偿系统，其特征在于，所述的地热循环系统与板式换热器(14)的入口端相连的管路上以及内网循环系统与板式换热器(14)的入口端相连的管路上分别依次设置有第一手动碟阀(9)和Y型过滤器(10)，所述的板式换热器(14)的出口端与地热循环系统相连的管路上以及板式换热器(14)的出口端与内网循环系统相连的管路上分别依次设置有直形温度计(11)和第二手动碟阀(12)。

5.根据权利要求3所述的地源热泵中央空调能量补偿系统，其特征在于，所述的蒸发器组(3)中的连接镀锌管的每个蒸发器的出口都设置有一个手动碟阀(13)。

6.根据权利要求1所述的地源热泵中央空调能量补偿系统，其特征在于，所述的蒸发器组(3)中的蒸发器的个数与冷凝器组(4)中的冷凝器的个数相同。

7.根据权利要求1所述的地源热泵中央空调能量补偿系统，其特征在于，还设置有用于自动补水的膨胀水箱(8)，所述的膨胀水箱(8)通过管路分别连通地源侧循环泵组(1)和冷冻水循环泵组(2)。

8.根据权利要求1所述的地源热泵中央空调能量补偿系统，其特征在于，在地源侧回水端(H)到蒸发器组(3)的入口端的主管道上设置有温度控制开关。

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