CN201748705U

CN201748705U - 一种用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统

Info

Publication number: CN201748705U
Application number: CN2010205217638U
Authority: CN
Inventors: 田原; 布鲁诺·凯乐; 李光亚
Original assignee: BEIJING KELLER CENTURY BUILDING TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: BEIJING KELLER CENTURY BUILDING TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2010-09-08
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2020-09-08

Abstract

本实用新型涉及一种用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统。所述能量平衡系统包括能量平衡罐、地源井、生活热水用热泵、天棚用热泵、新风用热泵、天棚系统和新风系统；所述能量平衡罐包括低温区和高温区，所述高温区位于低温区的上方，所述能量平衡罐分别与地源井、生活热水用热泵、天棚用热泵和新风用热泵相连，所述天棚用热泵和天棚系统相连，所述新风用热泵和新风系统相连。本实用新型在土壤源热泵的利用过程中，平衡土壤消耗的热量和冷量，避免了土壤产生长期的温度转移，同时不会导致不必要的能源消耗，提高了能源的利用率。

Description

一种用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统

技术领域

本实用新型涉及一种能量平衡系统，尤其涉及一种用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统。

背景技术

目前随着人们对室内舒适要求的提高，对空调采暖制冷的能耗也越来越大。常规系统都是以处理后的空气来为室内提供冷和热，由于空气的比热容非常低，这就要求大尺寸的风管来运输这些空气到室内，同时也给室内带来了目前常见的一些问题：浮尘、噪声、温度分布不均等。

制热所需的热源一般由市政热力、燃油燃气锅炉、地源、水源或者空气源热泵提供。制冷所需的冷源一般由制冷机组，通过冷却塔或热泵系统将热量释放到空气里、土壤或地下水中。

良好的保温、高性能的窗户、可调节的外遮阳系统大大地降低了制冷采暖的负荷和能耗，也为采用一些更为节能、舒适的制冷采暖系统提供了条件。用于生产热水、顶棚辐射采暖和新风制备的水温完全不同：冬季：55℃～65℃的生活热水，26℃～28℃冬季用于顶棚辐射采暖，18℃～20℃冬季用于空气预处理；夏季：55℃～65℃的生活热水，20℃～22℃夏季用于顶棚辐射供冷，10℃～12℃夏季用于空气除湿和冷却，同时产生以上不同温度要求的水，目前主要是通过带控制阀的热交换器或通过单独的热泵循环来实现的，应用这种实现方式的系统效率比较低，导致COP相对较低，将导致不必要的能源消耗。直接使用三个不同的热泵可以实现冬季或者夏季三种不同的水温要求，但是这将导致不能够有效利用热泵所产生的冷凝余热来实现节能，比如：利用制冷产生的余热来制备热水，利用生产生活热水所产生的冷量来制冷。另外除了以上这些情况，太阳能集热器的使用应该被认为是最佳的利用可再生能源的方式。然而太阳集热器输出热水的温度受天气的影响较大，且当输出水温比较低的时候集热器的效率较高。

实用新型内容

本实用新型针对目前主要是通过带控制阀的热交换器或通过单独的热泵循环来产生以上不同温度要求的水，效率比较低，导致COP相对较低，将导致不必要的能源消耗的不足，提供一种用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统包括能量平衡罐、地源井、生活热水用热泵、天棚用热泵、新风用热泵、天棚系统和新风系统；所述能量平衡罐包括低温区和高温区，所述高温区位于低温区的上方，所述能量平衡罐分别与地源井、生活热水用热泵、天棚用热泵和新风用热泵相连，所述天棚用热泵和天棚系统相连，所述新风用热泵和新风系统相连。

本实用新型的有益效果是：本实用新型在土壤源热泵的利用过程中，平衡土壤消耗的热量和冷量，避免了土壤产生长期的温度转移，同时为了给热泵系统储存能量，一种可视为免费的冷量（或者是免费的热量）逐渐显现出来，就替代了冷却塔（干式冷却塔还是湿式冷却塔取决于当地环境）带走的热量或者是燃气生产利用以及发电过程中产生的余热，不会导致不必要的能源消耗，提高了能源的利用率。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，还包括太阳能集热器，所述太阳能集热器和能量平衡罐相连。

进一步，还包括冷却塔，所述冷却塔和平衡罐相连。

进一步，还包括换热器，所述换热器与天棚用热泵和天棚系统相连。

进一步，还包括辅助热源，所述辅助热源分别与天棚用热泵和热风用热泵相连。

进一步，所述辅助热源为燃气加热盘管或者电加热盘管。

进一步，所述能量平衡罐为圆柱体形的立式罐，其高度与圆柱体的横截面的直径之比大于2:1。

能量平衡罐（圆柱体）中的热分层可以保证能量平衡罐上下的水温适中并保持在最佳的可利用温度范围。为了避免罐中水的热量混合，它的高与圆柱直径比应该在2：1之上，且应在罐的中间高度或者1/3高度处放置一个带有开孔率20%-50%的金属片，以减弱上下之间的热流。当总计有100KW的热量需求时，能量平衡罐的体积至少应该在1m³以上以保证热量供应的延迟性和稳定性。

进一步，所述能量平衡罐的中间高度处或者1/3高度处放置一个带有开孔率为20%～50%的金属片。

在有热量需求的情况下，地埋管的水泵将能量平衡罐底部的冷水抽出，利用地源加热并输送至能量平衡罐的顶部。为天棚系统及新风系统提供热量的热泵将从能量平衡罐的顶部抽取温度较高的水，利用完热量后将水送回至能量平衡罐的底部。这样，就可以保证热泵系统一直在最佳的温度条件下提取热量。

太阳能集热器同样可以从能量平衡罐底部取出冷水加热后将温度较高的水送至能量平衡罐顶部，水泵的温度控制装置可以控制集热器出水温度，避免集热器出水温度低于能量平衡罐顶部热水温度的情况发生。

在有冷量需求的情况下，埋管的水泵将罐子上部的热水抽出，对其进行冷却后引入能量平衡罐的底部，为天棚系统及新风系统提供冷量的热泵将从能量平衡罐的底部抽取温度较低的水，利用完冷量后将水送回至能量平衡罐的顶部。

生产生活热水的热泵系统同样从能量平衡罐的顶部抽取温度相对较高的水，利用其热量后输送至能量平衡罐的底部。当建筑同时有冷量供应需求时，那么生活热水的热泵系统就可以利用为天棚系统及新风系统提供冷量的热泵输送至能量平衡罐顶部的热量。

为天棚系统及新风系统提供热量及冷量的热泵应该在可逆工况下进行使用，可以在供热工况下连接至能量平衡罐中的蒸发器，而在供冷工况下可以连接至能量平衡罐中的冷凝器。

附图说明

图1为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图一；

图2为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图二；

图3为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图三；

图4为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图四。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

在一定的土壤温度范围内，地源可以吸收和放出热量。如果土壤的放热量大于吸热量，需要额外增加冷却塔来释放多余的热量，反之，如果土壤的吸热量大于放热量，则需要额外的燃油燃气锅炉或市政热力来提供热量。为了提高热泵的效率，需要尽可能的从高温余热中吸收热量和从低温余热中吸收冷量。这样，热水在夏季就可以利用天棚和新风制冷所释放出来的热量。

这样我们就可以考虑将低温的太阳能集热器产生的热水导入处理低温热源的热泵冷热水循环中，就像处理地源热泵地埋管产生的低温热水一样，从而可以取代直接利用太阳能集热器产生热水这种一贯采用的但效率低的利用方式。在这种情况下，相对便宜的低温太阳能集热器就可以取代昂贵的高温集热器，利用这些低品质的热量。

图1为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图一。如图1所示，在本实施例中，能量平衡罐1通过泵2和泵3与地源井24连结，泵2用来采暖，泵3用来制冷，这两个泵的组合也可以由一个泵和4个切换阀门组成。太阳能集热器23也可以用同样的方式由泵21与能量平衡罐1连结起来。

生活热水用热泵4利用泵5将温水从能量平衡罐的顶部引出输出生活热水25，利用完其热量后再将生活热水25由水泵5将其带回能量平衡罐1的底部。

天棚用热泵6用于顶棚辐射采暖系统，水泵7将能量平衡罐1顶部的温水引至天棚用热泵6的蒸发器处，利用其热量后再将其引至能量平衡罐1的底部。阀门9、阀门12和阀门17此时开启，阀门10和阀门11关闭，水泵13将天棚用热泵6产生的热量通过热媒输送至天棚系统16。旁通系统14以及换热器15可以用来更加精确地调整天棚系统的温度，这两个装置并不是必须要设置的。

当天棚用热泵6用于为天棚系统提供冷量时，水泵8将能量平衡罐1底部的冷水输送至天棚用热泵6的冷凝器，利用其冷量后再将其输送至能量平衡罐1顶部，此时阀门9，阀门12和阀门17打开，阀门10和阀门11关闭，水泵13为天棚系统16提供热量时的作用方式相同，在此是将冷量通过冷媒输送至天棚系统16。

水泵7，8和水泵2，3这两组泵也可以由一组泵和四个阀门组成的阀组来替换。

当采用自然冷却时，意味着不通过天棚用热泵6而直接利用土壤埋管中的冷量，水泵8直接从热交换器15（或天棚系统16）经由阀门11和9将吸收室内热量后的水带到能量平衡罐的顶部，阀门10、12和17关闭，泵13不启动，冷冻水直接从能量平衡罐1的底部取出。

当自然冷却的量不能够满足冷量需要或者地埋管已经不能在向地下排热时，那么天棚用热泵6的蒸发器将直接和冷却塔18相连接，水泵7和水泵8关闭，阀门9和阀门11关闭，阀门10和阀门12开启，水泵19开启将天棚用热泵6和冷却塔18直接连接起来。

如果地埋管系统或者是太阳能集热器系统提供的热量不能满足室内供热需求，辅助热源20可以向天棚系统和新风系统28提供热量，辅助热源可以是燃气加热盘管或者是电加热盘管等类似的装置。为了进一步节省热泵系统运行的能耗并直接利用常规的高温水的热量，辅助热源与生活热水、天棚系统、新风系统等单元直接相连，也可以与能量平衡罐直接相连从而利用能量平衡罐中的低温热源。

表1为能量平衡罐在系统中的应用原理表，以下阀门切换表示不同工况条件下的运行方式。

表1为能量平衡罐在系统中的应用原理表

*表示如设有天阳能集热器

图2为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图二。如图2所示，在本实施例中，能量平衡罐37通过一个泵和四个阀门33、34、35和36组成的阀组与天棚/新风系统38、天棚/新风用热泵的蒸发器39和天棚/新风用热泵的冷凝器40相连，天棚/新风系统38通过一个泵和四个阀门29、30、31和32组成的阀组与能量平衡罐37、天棚/新风用热泵的蒸发器39和天棚/新风用热泵的冷凝器40相连。在夏季时，阀门30、32、34和36开，阀门29、31、33和35关，冷凝器同地源井换热，蒸发器为天棚系统和新风系统供冷。在冬季时，阀门30、32、34和36关，阀门29、31、33和35开，蒸发器同地源井换热, 冷凝器为天棚系统和新风系统供热。图2主要是说明可以用8个阀门和一个泵替代图1中的4个阀门和两个泵，是图1局部的一个优化方式。天棚/新风用热泵的蒸发器和冷凝器并非表示天棚系统和新风系统共用一个热泵，而是图中这个热泵既可以看做是新风系统的也可以看做是天棚系统的热泵。

图3为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图三。如图3所示，在本实施例中，地源井41和天棚/新风系统42通过通过两个泵和四个三通阀的阀组与天棚/新风用热泵的蒸发器43和冷凝器44相连，在实际使用中，均可采用电动阀，从而使系统运行控制简单。图3主要是说明可以用四个三通阀和一个泵替代图1中的4个阀门两个泵，是图1局部的一个优化方式。天棚/新风用热泵的蒸发器和冷凝器并非表示天棚系统和新风系统共用一个热泵，而是图中这个热泵既可以看做是新风系统的也可以看做是天棚系统的热泵。

图4为本实用新型用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统的结构示意图四。如图4所示，在本实施例中，采暖工况时：地源井79的水经由阀门54至能量平衡罐80上部，利用完其热量后再由水泵将其从底部经由阀门55带回地源井79。

能量平衡罐80上部水经由阀门59、50至天棚系统用热泵73的蒸发器，换热后温度降低的水从蒸发器出口经由阀门46、57至能量平衡罐80下部；天棚系统用热泵73的冷凝器出来的高温水经由阀门48至天棚系统76向户内辐射热量，降低温度后的水经由阀门52至天棚系统用热泵73的冷凝器换热。

同样，新风系统77由新风系统热泵74从能量平衡罐80获取热量，此时水流经由阀门61、70、66、63和阀门68、72。

制冷工况时：地源井79的水经由阀门53至能量平衡罐80下部，利用完其冷量后再由水泵将其从底部经由阀门56带回地源井79。

能量平衡罐80下部水经由阀门60、51至天棚系统用热泵73的冷凝器，换热后温度升高的水从冷凝器出口经由阀门45、58至能量平衡罐80上部；天棚系统用热泵73的蒸发器出来的低温水经由阀门47至天棚系统76向户内辐射供冷，升高温度后的水经由阀门49至天棚系统用热泵73的蒸发器换热。

同样，新风系统77由新风系统热泵74从能量平衡罐80获取冷量，此时水流经由阀门62、71、65、64和阀门67、69。

新风及天棚免费制冷，FC<10°C时：

地源井79的水经由阀门53至能量平衡罐80下部，利用完其冷量后再由水泵将其从底部经由阀门56带回地源井79。

能量平衡罐80下部水经由阀门60、51、48接至天棚系统76向户内辐射供冷，升高温度后的水经由阀门49、46、58回至能量平衡罐80上部；此时天棚系统用热泵73不开启。

同样，新风系统77经由阀门62、71、68从能量平衡罐80下部获取冷量，升高温度后经由阀门69、66、64回至能量平衡罐80上部；此时新风系统热泵74不开启。

天棚免费制冷，10°<FC<18°C时：

地源井79的水经由阀门53至能量平衡罐80下部，利用完其冷量后再由水泵将其从底部经由阀门56带回地源井79

新风系统77由新风系统热泵74从能量平衡罐80获取冷量，此时水流经由阀门62、71、65、64和阀门67、69。

表2表示能量平衡罐在系统中的应用原理表，以下阀门切换表示不同工况条件下的运行方式。

表2表示能量平衡罐在系统中的应用原理表

注：热泵73专用于供天棚系统，热泵74专用于供新风系统；表中FC是指能量罐底部回水温度。

这种新的采暖制冷系统中，新风不承担室内冷热负荷，只为了保证室内的舒适度。所需的新风量仅需要满足人的呼吸要求，需要量大为减少。较少的新风从房间的下部而不是上部，以较低的温度送入室内，在室内空间的下部形成一个新风湖。人们就像处在一个新鲜空气的包围中，而感觉不到噪声和浮尘。通过埋在混凝土楼板内的水管循环带走建筑负荷产生的冷热量。辐射传热的高效性和低负荷可以允许天棚的温度跟室内舒适温度非常接近：冬天采暖供回水28/26℃，夏天制冷供回水19/21℃。这样制冷采暖需要的水温跟常规空调需要的温度相差较大，如果使用地源热泵来采暖和制冷，系统的效率更高。因为热泵的COP值跟冷凝温度和蒸发温度相关。依靠几个阀组就可以实现冬夏季工况的转换，热泵系统就可以同时用来制冷、制热和制生活热水。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，所述能量平衡系统包括能量平衡罐、地源井、生活热水用热泵、天棚用热泵、新风用热泵、天棚系统和新风系统；所述能量平衡罐包括低温区和高温区，所述高温区位于低温区的上方，所述能量平衡罐分别与地源井、生活热水用热泵、天棚用热泵和新风用热泵相连，所述天棚用热泵和天棚系统相连，所述新风用热泵和新风系统相连。

2.根据权利要求1所述的用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，还包括太阳能集热器，所述太阳能集热器和能量平衡罐相连。

3.根据权利要求2所述的用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，还包括冷却塔，所述冷却塔和平衡罐相连。

4.根据权利要求3所述的用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，还包括换热器，所述换热器与天棚用热泵和天棚系统相连。

5.根据权利要求1所述的用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，还包括辅助热源，所述辅助热源分别与天棚用热泵和新风用热泵相连。

6.根据权利要求5所述的用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，所述辅助热源为燃气加热盘管或者电加热盘管。

7.根据权利要求1所述的用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，所述能量平衡罐为圆柱体形的立式罐，其高度与圆柱体的横截面的直径之比大于2:1。

8.根据权利要求7所述的用于供热、制冷和提供热水的能量平衡系统，其特征在于，所述能量平衡罐的中间高度处或者1/3高度处放置一个带有开孔率为20%～50%的金属片。