CN204084685U - 带自然供冷功能的土壤源热泵系统 - Google Patents

Abstract

带自然供冷功能的土壤源热泵系统，属于空调技术领域。本实用新型包括带自然供冷功能的水源热泵机组、地下埋管换热组件、室内空调装置三部分。三部分通过用户侧管道和地缘侧管道、八个切换阀门、用户侧循环泵(2)和地缘侧循环泵连接成一个土壤源热泵系统。该系统根据地温条件和建筑供冷、供热需求，通过切换水系统和水源热泵机组的制冷剂管路上的阀门开启状态，能够实现机械制热、自然制冷、机械制冷三种运行模式，解决了在供冷季初期地温较低导致热泵机组无法开启的问题，同时有效降低了土壤源热泵系统的全年运行能耗。

Description

带自然供冷功能的土壤源热泵系统

技术领域

本实用新型属于空调技术领域，特别是一种带自然供冷功能的土壤源热泵系统。 

背景技术

现有技术中，土壤源热泵系统由于通过跨季节蓄冷，能很好地改善热泵系统的热源品质，且可以实现用户的供暖、空调及热水供应需求，因此我国各个地域得到了大量的应用。常规的土壤源热泵系统，如图1所示。 

土壤换热器是冬冷夏用、夏热冬用的蓄热器。由于我国幅员辽阔，不同地区的土壤温度不同，且不同建筑对象具有不同的冷、热负荷特性，故有些地域的地源热泵在运行一个供暖季后会导致地温过低，在供冷季初期，经过土壤换热器换热后的冷却水温度过低，导致热泵机组冷凝压力过低，不能正常启动，进而不能实现建筑的供冷需求。 

为解决上述问题，在实际工程中常采用如下三种方案：(1)在地埋管侧和用户侧之间加设板式换热器，从而在供冷初期利用地下较低温的冷源实现免费供冷，待地温温度上升至正常启动的温度范围内时再运行热泵机组；(2)在热泵机组冷凝器旁并联一组旁通管路，使流出冷凝器的一部分冷却水旁通至冷凝器的进水口，以提高冷凝器的进水温度，从而保证热泵机组的正常运行；(3)减小调节阀开度以减小 进入冷凝器的水量，以提高热泵机组的冷凝温度，从而保证热泵机组的正常运行。 

上述各技术方案都不同程度地存在不足： 

(1)第一种方案虽然可以在制冷季初期实现免费供冷，且能解决热泵机组在地温过低时的启动问题，但需增加大传热面积的换热器和相应的连接管路、自动控制阀件等部件，无疑增加了地源热泵系统的建造成本； 

(2)第二和第三种方案虽然可以解决地源热泵的正常运行问题，但热泵机组持续运行，相对第一种方案而言，热泵机组能耗增大，不利于土壤源热泵系统的整体节能。 

因此，探索一种既能在制冷季初期实现免费供冷，又能减少土壤源热泵系统的投资且降低系统的全年运行能耗的技术方案是目前必须解决的问题，也是推动土壤源热泵技术发展的关键技术问题。 

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种带自然供冷功能的土壤源热泵系统。该系统可以根据地温条件和建筑供冷、供热需求，通过切换水系统和水源热泵机组的制冷剂管路上的阀门开启状态，能够实现机械制热、自然制冷、机械制冷三种运行模式，很好地解决了在供冷季初期地温较低导致热泵机组无法开启的问题，同时不需要增加地源热泵辅件，并且可以大大降低土壤源热泵系统的全年运行能耗。 

为了达到上述发明目的，本实用新型的技术方案以如下方式实 现： 

一种带自然供冷功能的土壤源热泵系统，包括热泵机组、地下埋管换热组件、室内空调装置三部分。所述三部分通过用户侧管道和地缘侧管道、八个切换阀门、用户侧循环泵和地缘侧循环泵连接成一个土壤源热泵系统。所述热泵机组由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器构成。制冷剂沿压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器的流向循环，将进入蒸发器中冷水中的热量转移到冷凝器中的流动的热水中。其结构特点是： 

所述热泵机组还包括三通阀和旁通阀。所述三通阀的三个接口分别连接压缩机的吸气管、压缩机的排气管和冷凝器的进气管，所述旁通阀并联在节流装置的两端。压缩机运行时，制冷剂从蒸发器中吸气，经过压缩机、三通阀、冷凝器、节流装置返回蒸发器，完成制冷循环。从而在蒸发器中制取冷水，或者在冷凝器中制取热水。当压缩机停止运行时，制冷剂在蒸发器中被室内空调装置返回的温水加热蒸发成制冷剂蒸气，经过三通阀进入冷凝器。制冷剂蒸气在冷凝器中由地下埋管换热组件返回的低温冷水冷凝成液体，再经旁通阀返回到蒸发器中，完成自然循环。从而在蒸发器中制取温度较高的冷水，送入室内空调装置中为室内供冷。 

在上述土壤源热泵系统中，所述包含有三通阀和旁通阀的热泵机组的数量可以是一台或多台。也可以是一台或多台包含三通阀和旁通阀的热泵机组与一台或多台常规土壤源热泵机组的组合。 

在上述土壤源热泵系统中，所述三通阀为自力式三通阀，或者是 电动/电磁式三通阀。 

在上述土壤源热泵系统中，所述三通阀为两只两通阀的组合体。 

在上述土壤源热泵系统中，所述旁通阀为自力式两通阀，或者是电动/电磁式两通阀。 

在上述土壤源热泵系统中，所述旁通阀和节流装置是一个包含旁通功能和节流功能的整体阀件。 

本实用新型提出的技术方案由于采用了上述的结构，仅在现有技术的土壤源热泵系统中增加了三通阀和旁通阀，即对现有技术存在的不足进行了有效的改进和完善，具有显著的节能、节材效果，对于推动土壤源热泵技术的健康发展，加速国家节能减排步伐具有重要的社会意义和经济价值。具体体现在： 

(1)在制冷季初期，利用土壤源热泵机组的自然供冷功能，勿需启动热泵机组就可以提取低温土壤中的冷量向建筑供冷，勿需增加换热器、自动控制阀门及其管路等设备，即可实现为建筑提供免费冷源，具有显著的节能、节材效果； 

(2)待地温提升后再启动土壤源热泵机组向建筑供冷，避免了热泵机组因冷却水温度过低导致的热泵机组冷凝压力过低，机组无法正常启动与正常运行的问题发生，保证了土壤源热泵系统的安全、可靠运行。 

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。 

附图说明

图1为现有技术土壤源热泵系统的结构原理图。 

图2为本实用新型的结构原理图。 

图3为本实用新型的热泵机组原理图。 

图4为本实用新型供暖期实施例原理图。 

图5为本实用新型供暖期热泵机组机械制热原理图。 

图6为本实用新型供冷初期原理图。 

图7为本实用新型供冷初期热泵机组自然制冷原理图。 

图8为本实用新型正常供冷期原理图。 

图9为本实用新型正常供冷期热泵机组机械制冷原理图。 

图中：1-室内空调装置；2-用户侧循环泵；3-用户侧管道；4-热泵机组；5-地源侧循环泵；6-地下埋管换热组件；7-地源侧管道；8-冷凝器；9-蒸发器；10-压缩机；11-三通阀；12-节流装置；13-旁通阀；14-冷凝器出水口；15-冷凝器进水口；16-蒸发器进水口；17-蒸发器出水口；A1-切换阀门一；A2-切换阀门二；B1-切换阀门三；B2-切换阀门四；C1-切换阀门五；C2-切换阀门六；D1-切换阀门七；D2-切换阀门八。 

具体实施方式

参见图2，带自然供冷功能的土壤源热泵系统，该系统包括热泵机组4、地下埋管换热组件6、室内空调装置1三部分，通过用户侧管道3和地源侧管道7、八个切换阀门(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)、用户侧循环泵2和地源侧循环泵5将上述三部分连接成一个土壤源热泵系统。热泵机组4由压缩机10、冷凝器8、节流装置12、蒸发器9构成，制冷剂沿压缩机10、冷凝器8、节流装置12、 蒸发器9的流向循环，将进入蒸发器9中冷水中的热量转移到冷凝器8中的流动的热水中。 

参见图3，热泵机组4还包括三通阀11和旁通阀13，所述三通阀11的三个接口分别连接压缩机10的吸气管、压缩机10的排气管和冷凝器8的进气管；旁通阀13并联在节流装置12的两端；压缩机10运行时，制冷剂从蒸发器9中吸气，经过压缩机10、三通阀11、冷凝器8、节流装置12返回蒸发器9，完成制冷循环，从而在蒸发器9中制取冷水，或者冷凝器8中制取热水；当压缩机10停止运行时，制冷剂在蒸发器9中被室内空调装置1返回的温水加热蒸发成制冷剂蒸气，经过三通阀11进入冷凝器8，制冷剂蒸气在冷凝器8中由地下埋管换热组件6返回的低温冷水冷凝成液体，再经旁通阀13返回到蒸发器9中，完成自然循环，从而在蒸发器9中制取温度较高的冷水，送入室内空调系统1中为房间供冷。 

在上述实施例中，包含有三通阀11和旁通阀13的热泵机组4的数量可以是一台或多台；也可以是一台或多台包含三通阀11和旁通阀13的热泵机组4与一台或多台常规土壤源热泵机组的组合。 

在上述实施例中，三通阀11为自力式三通阀，或者是电动/电磁式三通阀；三通阀11为两只两通阀的组合体；旁通阀13为自力式两通阀，或者是电动/电磁式两通阀；旁通阀13和节流装置12可以单独设置，也可以是一个包含旁通功能和节流功能的整体阀件。 

本实用新型土壤源热泵系统的控制流程如下： 

一、供暖期控制流程： 

参见图4和图5，图4是在供暖期土壤源热泵系统原理图，切换阀门一A1、切换阀门二A2、切换阀门七D1、切换阀门八D2开启，切换阀门三B1、切换阀门四B2、切换阀门五C1、切换阀门六C2关闭。图5是供暖期热泵机组机4机械制热原理图，所述热泵机组4中的旁通阀13关闭，三通阀11连接压缩机10排气管和冷凝器8进气管的通路打开；当不需要供暖时，热泵机组4、用户侧循环泵2和地源侧循环泵5停止运行；当需要供暖时，开启热泵机组4、启动用户侧循环泵2和地源侧循环泵5，热泵机组4通过蒸发器9从地下埋管换热组件6中取热，并利用制冷循环加热流过冷凝器8中的热水，通过室内空调装置1送入室内。 

二、供冷初期控制流程： 

参见图6和图7，图6是在供冷初期土壤源热泵系统原理图，切换阀门一A1、切换阀门二A2、切换阀门七D1、切换阀门八D2关闭，切换阀门三B1、切换阀门四B2、切换阀门五C1、切换阀门六C2开启。图7是供冷初期热泵机组4自然制冷原理图，所述热泵机组4中的旁通阀13开启，三通阀11连接蒸发器9出气管和冷凝器8进气管的通路打开；当不需要供冷时，热泵机组4、用户侧循环泵2和地源侧循环泵5停止运行；当需要供冷时，开启热泵机组4、启动用户侧循环泵2和地源侧循环泵5，热泵机组4通过冷凝器8向地下埋管换热组件6中排热，并利用自然循环冷却流过蒸发器9中的冷水，通过室内空调装置1送入室内。 

三、正常供冷期控制流程： 

参见图8和图9，图8是在正常供冷期土壤源热泵系统原理图，切换阀门一A1、切换阀门二A2、切换阀门七D1、切换阀门八D2关闭，切换阀门三B1、切换阀门四B2、切换阀门五C1、切换阀门六C2开启。图9是正常供冷期热泵机组4机械制冷原理图，所述热泵机组4中的旁通阀13关闭，三通阀11连接压缩机10排气管和冷凝器8进气管的通路打开；当不需要供冷时，热泵机组4、用户侧循环泵2和地源侧循环泵5停止运行；当需要供冷时，开启热泵机组4、启动用户侧循环泵2和地源侧循环泵5，热泵机组4通过冷凝器8向地下埋管换热组件6中排热，并利用制冷循环冷却流过蒸发器9中的冷水，通过室内空调装置1送入室内。 

在上述本实用新型的实施例中，相对于图1所示的现有技术的“土壤源热泵系统”而言，进行了有效的改进和完善，在制冷季初期，利用土壤源热泵机组的自然供冷功能，勿需启动热泵机组就可以提取低温土壤中的冷量向建筑供冷，勿需增加换热器、自动控制阀门及其管路等设备，即可实现为建筑提供免费冷源，具有显著的节能、节材效果；待地温提升后再启动土壤源热泵机组向建筑供冷，避免了热泵机组因冷却水温度过低导致的热泵机组冷凝压力过低，机组无法正常启动与正常运行的问题发生，保证了土壤源热泵系统的安全、可靠运行。 

Claims (6)

1.一种带自然供冷功能的土壤源热泵系统，包括热泵机组(4)、地下埋管换热组件(6)、室内空调装置(1)三部分，所述三部分通过用户侧管道(3)和地缘侧管道(7)、八个切换阀门(A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2)、用户侧循环泵(2)和地缘侧循环泵(5)连接成一个土壤源热泵系统；所述热泵机组(4)由压缩机(10)、冷凝器(8)、节流装置(12)、蒸发器(9)构成，制冷剂沿压缩机(10)、冷凝器(8)、节流装置(12)、蒸发器(9)的流向循环，将进入蒸发器(9)中冷水中的热量转移到冷凝器(8)中的流动的热水中，其特征在于： 

所述热泵机组(4)还包括三通阀(11)和旁通阀(13)，所述三通阀(11)的三个接口分别连接压缩机(10)的吸气管、压缩机(10)的排气管和冷凝器(8)的进气管；所述旁通阀(13)并联在节流装置(12)的两端；压缩机(10)运行时，制冷剂从蒸发器(9)中吸气，经过压缩机(10)、三通阀(11)、冷凝器(8)、节流装置(12)返回蒸发器(9)，完成制冷循环，从而在蒸发器(9)中制取冷水，或者在冷凝器(8)中制取热水；当压缩机(10)停止运行时，制冷剂在蒸发器(9)中被室内空调装置(1)返回的温水加热蒸发成制冷剂蒸气，经过三通阀(11)进入冷凝器(8)，制冷剂蒸气在冷凝器(8)中由地下埋管换热组件(6)返回的低温冷水冷凝成液体，再经旁通阀(13)返回到蒸发器(9)中，完成自然循环，从而在蒸发器(9) 中制取温度较高的冷水，送入室内空调装置(1)中为室内供冷。 

2.根据权利要求1所述的带自然供冷功能的土壤源热泵系统，其特征在于：所述包含有三通阀(11)和旁通阀(13)的热泵机组(4)的数量可以是一台或多台；也可以是一台或多台包含三通阀(11)和旁通阀(13)的热泵机组(4)与一台或多台常规土壤源热泵机组的组合。 

3.根据权利要求1或2所述的带自然供冷功能的土壤源热泵系统，其特征在于：所述三通阀(11)为自力式三通阀，或者是电动或电磁式三通阀。 

4.根据权利要求3所述的带自然供冷功能的土壤源热泵系统，其特征在于：所述三通阀(11)为两只两通阀的组合体。 

5.根据权利要求4所述的带自然供冷功能的土壤源热泵系统，其特征在于：所述旁通阀(13)为自力式两通阀，或者是电动或电磁式两通阀。 

6.根据权利要求5所述的带自然供冷功能的土壤源热泵系统，其特征在于：所述旁通阀(13)和节流装置(12)是一个包含旁通功能和节流功能的整体阀件。