CN209295470U - 能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于建筑采暖制冷及节能减排设施，特别是指一种能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统。包括热泵主机、与其经第二循环泵、管路、阀门及集分水器相连的地埋管换热装置，热泵主机经第三循环泵及管路与用户终端相连，地埋管换热装置经热泵主机与用户终端实现热交换；能源塔包括设于能源塔外壳中部的填料，设于填料上方的布水器，布水器上、下方分别设有由电机驱动的风扇及集水盘；集水盘的输出端经水过滤器、第一循环泵与板式换热器连接，板式换热器的两路输出分别接能源塔中的布水器、地埋管换热装置。本实用新型有效解决了现有技术中土壤热平衡受到破坏的问题，具有造价低、结构紧凑、换热效率高等优点。

Description

能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统

技术领域

本实用新型属于建筑采暖制冷及节能减排设施，特别是指一种能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统。

背景技术

传统的地源热泵系统均将地下土壤当作一个储存热量的容器，在气温较高的季节(夏季)将建筑内部的热量储存到地下，使建筑内部温度降低。在气温较低的季节(冬季)将储存到地下的热量提取出来为建筑供暖。这只是一种理想状况，在实际应用过程中发现，夏季的冷负荷和冬季的热负荷很难达到平衡。特别是在严寒地区，夏季的冷负荷远小于冬季的热负荷，如果单独使用土壤源热泵进行冬季供暖，多年运行将导致热泵从地下土壤的取热量大于系统夏季运行向土壤排热量，土壤的热平衡将受到破坏，土壤温度会逐渐降低，热泵性能系数也会逐渐变低。

为克服土壤热平衡受到破坏的问题，目前很多研究都针对这一问题提出了太阳能—地源热泵相结合的方式，将太阳能作为土壤源热泵辅助热源，用太阳能的热量来弥补冷热不平衡需要的热量，对土壤进行季节性蓄热，有效提高了地埋管周围土壤的温度，进而提高了供暖期地源热泵的供暖性能系数，使系统运行更加可靠。

但在实际中太阳能的利用要受到多种因素制约，如气象条件、地理位置、集热器价格及集热器安装条件等，对于太阳能资源较少或没有集热器安装空间的建筑，则不能应用该系统。传统的太阳能耦合地埋管地源热泵系统是利用太阳能集热系统在夏季为地下土壤蓄热，由于太阳能能量密度较低，因此需要安装很大面积的太阳能集热器，系统成本造价很高。在阴雨天以及晚上没有太阳能量，太阳能集热系统只能在白天晴天条件下蓄热工作。

近年来，哈尔滨工业大学的张姝等人选取一种可以替代太阳能的辅助热源即夏季高温空气，提出了空气热源土壤蓄热热泵供暖系统，利用室外空气换热器在夏季将自然空气中的热量储存到土壤中，冬季再由热泵从土壤取热供入室内。与太阳能蓄热相比，空气源蓄热设备简单，投资和维护费用较低。在没有集中供热管网，并且不具备足够的屋顶或其它空间安装太阳能集热器时，采用空气源蓄热方法也能实现自然能量的跨季节利用，为严寒地区应用土壤源热泵供热技术提供了新途径。

但是室外空气换热器仅仅是依靠室外的风机盘管与空气进行简单换热，空气温度较高便可蓄热，但蓄热效果比太阳能蓄热低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统，可以有效解决地源热泵冬夏季冷热负荷相差较大，长期使用会造成土壤温度下降，降低地源热泵的供热效率的问题。

本实用新型的整体技术构思是：

能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统，包括热泵主机、与热泵主机通过第二循环泵、管路、阀门以及集分水器相连的地埋管换热装置，热泵主机通过第三循环泵及管路与用户终端相连，地埋管换热装置通过热泵主机与用户终端实现热交换；还包括一能源塔，该能源塔包括设置于能源塔外壳中部的填料，设于填料上方的布水器，布水器上方设有由电机1驱动的风扇，布水器下方设有集水盘；集水盘的输出端经水过滤器、第一循环泵与板式换热器连接，板式换热器共有两路输出，其第一路输出接能源塔中的布水器，第二路输出经集分水器接地埋管换热装置。

本实用新型的具体技术构思还有：

为便于实现各个装置之间的工作状态切换，以利于满足不同的使用需要，优选的结构设计是，地埋管换热装置通过集分水器、第二循环泵、管路以及第二转换阀与热泵主机相连。

更为优选的技术实现方式是，板式换热器通过第一转换阀接第二路输出。

为便于对集水盘及时补充工质以满足工作需要，优选的技术实现方式是，补水装置接集水盘的物料输入端。

水过滤器的作用是清除混入循环水里的泥土等杂质。

能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统在土壤蓄热中的应用方法如下：

在气温较高的季节，能源塔通过工作介质吸收自然空气的热量以及大气中水蒸气的冷凝潜热，通过板式换热器与地埋管换热装置换热，并将热量传递给土壤实现蓄热；在气温较低的季节，由热泵主机通过地埋管换热装置将土壤中蓄存的热量取出后供用户终端使用。

申请人需要说明的是：

在本实用新型的描述中，术语“中部”、“上方”、“下方”、“输出”、“输入”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于简化描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型所取得的技术进步在于：

1、本实用新型中的能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统利用能源塔取代太阳能集热系统，能源塔的成本造价相对太阳能集热系统大为降低。

2、因为夏季气温显著比土壤温度高，本实用新型中的能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统可在夏季全天候不间断为土壤蓄热，充分从空气中吸收热量为土壤蓄热，并且夏季空气湿度大，能源塔系统还可以充分吸收空气中水蒸气的冷凝潜热，换热效率高。因此相对来说，能源塔的集热功率可以远远小于太阳能集热系统的集热功率，进一步降低系统的成本造价。

3、本实用新型系统中的能源塔结构简单，和中央空调系统冷却塔原理近似，并且生产厂家很多，相较太阳能集热系统其结构紧凑且占用空间小。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2-图7是在热泵机组不同出水温度条件下的环境温度和蓄热功率曲线图。

其中图2是出口温度为9℃条件下环境温度和蓄热功率曲线图。

图3是出口温度为10℃条件下环境温度和蓄热功率曲线图。

图4是出口温度为12℃条件下环境温度和蓄热功率曲线图。

图5是出口温度为14℃条件下环境温度和蓄热功率曲线图。

图6是出口温度为16℃条件下环境温度和蓄热功率曲线图。

图7是出口温度为18℃条件下环境温度和蓄热功率曲线图。

附图中的附图标记如下：

1、电机；2、风扇；3、布水器；4、填料；5、能源塔外壳；6、补水装置；7、集水盘；8、水过滤器；9、第一循环泵；10、板式换热器；11、第一转换阀；12、第二转换阀；13、第二循环泵；14、地埋管换热装置；15、热泵主机；16、第三循环泵；17、用户终端；18、集分水器。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型做进一步描述，但不应理解为对本实用新型的限定，本实用新型的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本实用新型的保护范围。

本实施例的整体结构如图示，包括热泵主机15、与热泵主机15通过第二循环泵13、管路、阀门以及集分水器18相连的地埋管换热装置14，热泵主机15通过第三循环泵16及管路与用户终端17相连，地埋管换热装置14通过热泵主机15与用户终端17实现热交换；还包括一能源塔，该能源塔包括设置于能源塔外壳5中部的填料4，设于填料4上方的布水器3，布水器3上方设有由电机1驱动的风扇2，布水器3下方设有集水盘7；集水盘7的输出端经水过滤器8、第一循环泵9与板式换热器10连接，板式换热器10共有两路输出，其第一路输出接能源塔中的布水器3，第二路输出经集分水器18接地埋管换热装置14。

地埋管换热装置14通过集分水器18、第二循环泵13、管路以及第二转换阀12与热泵主机15相连。

板式换热器10通过第一转换阀11接其第二路输出。

补水装置6接集水盘7的物料输入端。

能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统在土壤蓄热中的应用方法如下：

在夏季非采暖期气温较高的季节，关闭第二转换阀12，开启第一转换阀11。此时，能源塔和地埋管换热装置14构成一个为土壤跨季蓄热系统，来提升地下土壤的温度。能源塔通过工作介质吸收自然空气的热量以及大气中水蒸气的冷凝潜热，通过板式换热器10与地埋管换热装置14换热，并将热量传递给土壤实现蓄热。具体过程为：能源塔系统中的吸热载热流体(水)在循环泵9的作用下进入能源塔上部，通过布水器3均匀撒在填料4上部，变为水膜顺填料4表面下降，与电机1带动风扇2作用下的上升气流反向接触，充分吸收空气中的显热和空气中水蒸气的冷凝潜热，汇集到集水盘7中经过水过滤器8进入板式换热器10换热后再进入能源塔上部，如此反复循环。地埋管换热装置14中的吸热载热流体(水)在循环泵13的作用下由集分水器18沿循环管路进入板式换热器10，吸收热量，再通过集分水器18进入地埋管换热装置14把热量释放到土壤，为土壤蓄热。

在冬季采暖期，第一转换阀11关闭，第二转换阀12开启。此时吸热载热流体(水)在第二循环泵13的作用下从热泵主机15蒸发器低温侧通过集分水器18流入地埋管换热系统14，从地下土壤中吸收热量，在汇集到集分水器18进入热泵主机15，由热泵主机15通过地埋管换热装置14将土壤中蓄存的热量取出后供用户终端17使用。

为验证本实施例的技术效果，申请人进行了如下试验：

1、试验系统

采用一套整体式水源热泵机组代替地埋管系统，整体式水源热泵机组通过板式换热器，将能源塔系统吸收自然空气的热量提取后，利用风机盘管将热量散出，来模拟地埋管系统将热量储存到地下土壤。控制系统通过变频器可以调节热泵机组的功率来控制热泵机组的出水温度，模拟不同土壤温度条件下地埋管系统的不同出水温度，可以更好的模拟土壤不同温度条件下的蓄热效果。试验系统中能源塔由3吨的冷却塔改造完成，循环泵功率为200W，能源塔风机功率为35W。在系统中热泵机组进出口管路上安装了温度传感器和流量传感器，建立了数据采集系统。可以实时显示并记录进出口温度和流量，并根据温度、流量数据实时计算记录系统的蓄热功率。

2、试验数据及分析

试验系统安装调试完毕，在2018年夏季开始进行模拟能源塔为土壤蓄热试验。分别在热泵机组出口水温为9℃、10℃、12℃、14℃、16℃、18℃情况下进行测试试验，热泵机组出水温度越低代表着土壤温度越低，来模拟土壤在不同温度条件下的蓄热效果。图2-图7为在热泵机组不同出水温度条件下的环境温度和蓄热功率曲线图，表一为能源塔蓄热试验数据分析汇总表。

表一 能源塔蓄热试验汇总表

由图2-图7和表一可以看出，在模拟能源塔为土壤蓄热试验中，能源塔为土壤蓄热的功率受地下土壤温度的严重影响，在土壤温度为9℃时，能源塔系统的蓄热功率是土壤温度为18℃时的蓄热功率的2倍还多，表明土壤的温度越低，能源塔的蓄热功率越高，能源塔系统为土壤蓄热的效果越好。

另外，能源塔的蓄热功率还受到环境温度的影响，蓄热功率的变化和环境温度变化成正向变化，当环境温度升高时，蓄热功率升高；反之，当环境温度降低时，蓄热功率也随之降低。

3、试验结论

1、提出了能源塔耦合土壤源热泵地埋管系统跨季节蓄热，在夏季利用能源塔系统吸收自然空气中的热量以及大气中水蒸气的冷凝潜热，实现土壤蓄热，可避免采用太阳能蓄热所受到的气象条件、地理位置、安装条件及投资等条件的限制，还具有可以全天24小时连续运行以及应用方便等优点，可以作为除太阳能－土壤蓄热之外的另一种跨季节土壤蓄热方式，来解决在严寒和寒冷地区，土壤源热泵冷热负荷不平衡造成土壤温度过低的问题。

2、能源塔为土壤蓄热的功率受地下土壤温度的严重影响，土壤的温度越低，能源塔的蓄热功率越高，能源塔系统为土壤蓄热的效果越好。

3、能源塔的蓄热功率受到环境温度的影响，蓄热功率的变化和环境温度变化成正向变化，当环境温度升高时，蓄热功率升高；反之，当环境温度降低时，蓄热功率也随之降低。

4、试验结果证明，能源塔耦合土壤源热泵地埋管系统跨季节蓄热在严寒和寒冷地区应用是可行的。

Claims (4)

1.能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统，包括热泵主机(15)、与热泵主机(15)通过第二循环泵(13)、管路、阀门以及集分水器(18)相连的地埋管换热装置(14)，热泵主机(15)通过第三循环泵(16)及管路与用户终端(17)相连，地埋管换热装置(14)通过热泵主机(15)与用户终端(17)实现热交换；其特征在于还包括一能源塔，该能源塔包括设置于能源塔外壳(5)中部的填料(4)，设于填料(4)上方的布水器(3)，布水器(3)上方设有由电机(1)驱动的风扇(2)，布水器(3)下方设有集水盘(7)；集水盘(7)的输出端经水过滤器(8)、第一循环泵(9)与板式换热器(10)连接，板式换热器(10)共有两路输出，其第一路输出接能源塔中的布水器(3)，第二路输出经集分水器(18)接地埋管换热装置(14)。

2.根据权利要求1所述的能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统，其特征在于地埋管换热装置(14)通过集分水器(18)、第二循环泵(13)、管路以及第二转换阀(12)与热泵主机(15)相连。

3.根据权利要求1或2所述的能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统，其特征在于板式换热器(10)通过第一转换阀(11)接第二路输出。

4.根据权利要求1所述的能源塔－土壤蓄热耦合地埋管地源热泵系统，其特征在于补水装置(6)接集水盘(7)的物料输入端。