CN213514062U - 一种热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，包括热泵系统冷凝单元、地下土壤‑热泵耦合蓄能器、地下储能单元、地下预置竖井和供热用户单元；地下土壤‑热泵耦合蓄能器内设有蓄水槽、相变蓄热管道和冷水回水管道，相变蓄热管道内填充蓄热介质；蓄水槽的一侧连通地下储能单元，地下储能单元包括干管、垂直设于干管上的多根毛细管和开关阀，蓄水槽内的水经干管和开关阀流入地下预置竖井；地下预置竖井包括储水腔和设于储水腔外围的空腔，储水腔的顶部通过管道分别与供热用户单元、蓄水槽连通，空腔与地下储能单元的干管相连通。该系统将热泵与地下蓄能系统耦合，充分利用热泵的冷凝热，提高地下蓄能效果，满足多季节供热需求。

Description

一种热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统

技术领域

本实用新型涉及热泵及供暖系统领域，具体涉及一种协同控制、同步多功能循环的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统。

背景技术

随着世界经济的快速发展，能源的消耗量日益增加的同时带来的能源问题也逐渐凸显，我国采暖地区大多以化石燃料为主进行供暖，其能耗约占建筑总能耗65％。而地下数百米内中的土壤和地下水因太阳辐射和地心热的联合作用下存在温度相对恒定的浅层地热能，因其储存量大，可再生的特点得到广泛的研究与应用。开发反季节地下储能供暖系统，做到夏季产生的热能被储存用于住宅小区、办公区域等用户冬季供暖，实现能源的高效利用，在节能与环保方面有一定的意义。

申请号为CN201810260925.8，发明名称为“水地双源加热泵系统”的专利中，记载通过地下水抽水井加上地下水回灌的小型井群，以充分利用地下水中的能量，并让地下水吸收回灌井孔外围的岩土中的能量。这种设置方式需要增加多个井群，占用空间较大，且热回收效果较低。申请号为CN200620012475.3，发明名称为“一种太阳能和地能的浅部地层蓄能及利用装置”的专利中，记载：将两根8－180米的井管分别并列装设于在地下地层制成两个圆锥形井孔内，在井管与井孔内壁之间的空腔内填装圆锥筒状球制夹层成为蓄能井，在两个蓄能井的外周围制有防渗护围墙组成为蓄能库，在蓄能库两个蓄能井的井管内分别装设潜水电泵，两潜水电泵的输水管各分别对应连接太阳能制冷器、太阳能制热器以及太阳能集热器、散热器、散冷器、管道换向开关、温控调速器和空调器，以综合利用各种太阳能和低能，实现夏季制冷、冬季供热的能源反季节循环利用。但是该装置采用的蓄能库内的水温并不能达到供热需求，且不能利用空调的冷凝热或其他热源，在节能环保方面仍存在一定的不足。

实用新型内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型提出一种热泵耦合反季节地下蓄能系统，将热泵与地下蓄能系统耦合，充分利用热泵的冷凝热，提高地下蓄能效果，满足多季节供热需求。

为实现以上技术目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，包括热泵系统冷凝单元、地下土壤-热泵耦合蓄能器、地下储能单元、地下预置竖井和供热用户单元；地下土壤-热泵耦合蓄能器内设有蓄水槽、设于蓄水槽内的相变蓄热管道和冷水回水管道，相变蓄热管道内填充蓄热介质，蓄水槽内的水与蓄热介质间接换热，蓄水槽通过冷水回水管道和循环水泵连接至热泵系统冷凝单元；蓄水槽的一侧连通地下储能单元，地下储能单元包括干管、垂直设于干管上的多根毛细管和开关阀，蓄水槽内的水经干管和开关阀流入地下预置竖井；地下预置竖井包括储水腔和设于储水腔外围的空腔，储水腔的顶部通过管道分别与供热用户单元、蓄水槽连通，空腔与地下储能单元的干管相连通；储水腔内填充冷水，冷水与空腔内的热水间接换热后，经水泵送入蓄水槽和/或供热用户单元。

作为本实用新型的优选方案之一，地下-热泵耦合蓄能器中，蓄水槽内的水与热泵系统冷凝单元换热后，经回流口进入蓄水槽内，回流口与相变蓄热管道之间设有水轮，从回流口流出的热水驱动水轮旋转。

作为本实用新型的优选方案之一，所述水轮包括多个陀螺形转轴水轮，多个陀螺形转轴水轮沿圆周均匀同向布置。

作为本实用新型的优选方案之一，所述地下储能单元包括从高至低依次布设的多层干管，每根干管的上下两侧均匀布设多个毛细管，相邻两根干管之间的毛细管交错布置。

作为本实用新型的优选方案之一，所述干管和毛细管均采用膜片材料，水压增加时，膜片式干管/毛细管向两边扩充呈葫芦状。

作为本实用新型的优选方案之一，每根干管均设有温度仪，根据温度仪传回的温度启动储水腔内的水泵以使蓄水槽内的水位充足。

作为本实用新型的优选方案之一，地下预置竖井中，储水腔连接有多个高低不同的水泵，水泵的安装位置与多层干管的安装位置相对应。

作为本实用新型的优选方案之一，地下预置竖井中，储水腔的内壁设有多个可调直流喷头，可调直流喷头的安装位置与干管的位置相对应，每个可调直流喷头的进口端连通空腔，空腔内的热水经可调直流喷头向储水腔内喷洒。

作为本实用新型的优选方案之一，所述地下预置竖井中，空腔与储水腔的接触面为弧形。

作为本实用新型的优选方案之一，所述热泵系统冷凝单元为冷凝器或冷却塔，所述相变蓄热管道内填充的蓄热介质为聚乙二醇。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果为：

(1)采用地下土壤-热泵耦合蓄能器将热泵系统冷凝单元与地下蓄能系统耦合在一起，既可以充分利用热泵冷凝器或冷却塔散热出来的大量热源，又可以保证蓄能耦合器内水的热量，节能环保。

(2)采用由干管和毛细管构成的地下储能单元，充分吸收地下土壤热量，将蓄能耦合器流入的热量损失降至最低，以提高地下预置竖井内的水热量，从而满足四季供热需求。

(3)在竖井的储水腔内壁设置多个可调直流喷头，可提高对喷效果，以强化换热、促进水温均匀。

(4)空腔与竖井接触面设计为弧线形，可防止土壤的疏松。

(5)膜片式毛细管可增加与土壤接触面积、促进换热、便于蓄能；葫芦状膜片有利于在水压作用、流动挤压、冲击下受力发生变形，致使膜片内、外侧有一压差存在，旨在增强其与周围土壤的扰动，促进换热。

(6)陀螺形转轴水轮的采用，改变水流方向，使得热水水量和装有聚乙二醇管道的接触更加充足，增强换热。

附图说明

图1热泵耦合反季节地下蓄能系统示意图

图2可调直流喷头工作示意图

图3空腔与竖井接触面示意图

图4换热干管及毛细管局部放大图

图5带有陀螺形转轴的水轮装置放大图

图号说明

1、热泵空调系统冷凝器，2、水轮，3、地下土壤-热泵耦合蓄能器，4相变蓄热管道，5、Ⅰ区，6、Ⅱ区，7、Ⅲ区，8、Ⅳ区，9、冷水回水管道，10、循环水泵，11、干管及毛细管交汇处，12、毛细管，13、干管，14、1#温度仪，15、2#温度仪、16、3#温度仪，17、4#温度仪，18、空腔及竖井接触面，19、20、21、22水泵，23、空腔，24、储水腔，26、用户侧回流口，27、供热用户单元，28、29、30、31、可调直流喷头，32和33、葫芦形膜片，34、陀螺形转轴水轮。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步地描述，针对地下数百米内中的土壤和地下水因太阳辐射和地心热的联合作用下存在温度相对恒定的浅层地热能，因其储存量大、可再生等特点，本实用新型提出了一种热泵耦合反季节地下蓄能系统，本文附图仅示出一幅地下土壤储能蓄能系统图，而在实际工程中，需多组同步、多功能循环同时运作。

如图1所示，本实用新型所述热泵耦合反季节地下蓄能系统包括热泵系统冷凝器1、地下土壤-热泵耦合蓄能器3、地下储能单元、储水腔24和供热用户单元27；地下土壤-热泵耦合蓄能器3内设有蓄水槽、设于蓄水槽内的相变蓄热管道4和冷水回水管道9，相变蓄热管道4内填充聚乙二醇，蓄水槽内的水与聚乙二醇间接换热，蓄水槽通过冷水回水管道9和循环水泵10连接至热泵系统冷凝器1；蓄水槽的一侧连通地下储能单元，地下储能单元包括干管13、垂直设于干管上的多根毛细管12和开关阀K3、K4、K5，蓄水槽内的水经干管13和开关阀流入地下预置竖井；地下预置竖井包括储水腔24和设于储水腔24外围的空腔23。

储水腔24的顶部通过管道分别与供热用户单元27、蓄水槽连通，空腔23与干管13相连通；储水腔24内填充冷水，冷水与空腔23内的热水间接换热后，经水泵送入蓄水槽和/或供热用户单元27。

本申请所述系统在夏季工况下，运行原理如下：

夏季用户端供冷时，热泵空调冷凝器1向室外排放大量热量，通过同时启动地下土壤-热泵耦合蓄能器3中的循环水泵10和地下水位智能控制的竖井储水箱24里的水泵19、20、21、22。储水腔24中的冷水通过水泵作用流入到地下土壤-热泵耦合蓄能器3中，地下土壤-热泵耦合蓄能器3中的冷水通过循环水泵10流向冷凝器1处，冷凝器1排放的大量热和管道里的冷水换热，使得冷水热量增加，温度升高，变成热水。回流到地下土壤-热泵耦合蓄能器3中的热水和聚乙二醇管道4里的聚乙二醇通过导热、对流进行热量交换，此时由于聚乙二醇温度升高发生相变，吸收大量热水的热量，从而热水温度降低变成的冷水从冷水回水管道9再次通过循环水泵10流向冷凝器1处，以此循环往复、使得地下土壤-热泵耦合蓄能器3中水的温度逐渐升高。温度升高的热水通过干管13和干管连接的毛细管12储存起来，同时，干管13和毛细管12里的热水和周围土壤之间通过对流和导热进行热量传递，土壤的温度升高作为地下储能场，以便冬季供给住宅小区、办公区域等供热用户端27供暖使用。

本申请所述系统在冬季工况下，运行原理如下：

住宅小区、办公区域等用户冬季供暖时，不用启动热泵空调制热功能。直接采用热泵耦合反季节地下供暖系统，为住宅小区、办公区域用户供暖。可在设备机房设置智能控制装置，通过智能控制仪，打开(启动)干管13和地下预置竖井装置中的储水腔24外围的空腔23之间的阀门K₃、K₄、K₅，干管13里的热水流向空腔23内部，即地下土壤-热泵耦合蓄能器3的周围土壤、通过带有膜片的葫芦状的毛细管网传热、逐渐向储水腔24移动，将热量带入换热用的地下预置竖井内。储水腔24内的冷水经过对流和导热换热，启动储水腔24内的水泵19、20、21、22(根据换热需要，分别启动水泵19、20、21、22，可匹配组合启动2台、3台、4台等)，关闭阀门K₁打开阀门K₂，热水被送往住宅小区、办公区域用户27供暖，经过用户出来的、换热后的冷水，从用户侧回流口26流回到储水腔24内，完成一次循环，如此往复循环。

如图2所示，为提高蓄能耦合器3内水与相变蓄热管道4的换热效果，提高蓄水槽内的水温，蓄水槽内的水与热泵系统冷凝单元换热后，经回流口进入蓄水槽内，回流口与相变蓄热管道之间设有水轮2，从回流口流出的热水驱动水轮2旋转。优选地，所述水轮2包括7个陀螺形转轴水轮34，7个陀螺形转轴水轮34沿圆周均匀同向布置。水轮在没有水重力作用的时候处于静止状态。工作时从冷凝器1中回流的热水重力作用、带动水轮旋转，改变水流方向，使得热水水量和装有聚乙二醇管道4的接触更加充足，增强换热，同时地下土壤-热泵耦合蓄能器3中的水温更加均匀，流向干管13和毛细管12中的热水温度更加恒定，储存热量较小受到水温变化影响。

如图3所示，所述干管13和毛细管12均采用膜片材料，水压增加时，膜片式干管/毛细管向两边扩充呈葫芦状，干管13和毛细管12里的热水和周围土壤接触面积增加，土壤分子小幅度震动使得换热增加，以便更多热量储存到土壤中，土壤作为储能场存在，需要热水供应时，由于地下土壤-热泵耦合蓄能器3中持续的热水通过干管13和毛细管12流入空腔内，水压力作用到干管13和毛细管12上，周围土壤分子持续运动，土壤分子不断地将储存在土壤里的热量经过导热、对流换热到干管中的热水中，空腔25内热水水温被维持在恒定温度，和竖井24内冷水的换热更加充足，达到用户的使用量。

如图4所示，地下预置竖井中的储水腔24的内壁设有多个可调直流喷头28-31，可调直流喷头固定在空腔23外壁和储水腔24内壁，可调直流喷头方向相对设置。冬季向用户供暖时，空腔23阀门被打开，热水流向空腔23内部和储水腔24内的冷水经过对流、导热进行热量交换，储水腔24内的水的温度升高，达到用户所需热量，经过用户出来的冷水回流到储水腔24内。为了使竖井里的水温均匀，可调直流喷头28、29、30、31持续向竖井内部喷洒热水，从可调直流喷头中喷射出来的两股水流在井内相对喷出，产生水花撞击，对井内的水温干扰性加大，使得水温在扰动下更加均匀，水泵供向用户的水温更加稳定，用户使用更加舒适，不会出现忽冷忽热现象。

如图5所示，将地下预置竖井的储水箱24的壁面18设计为弧状，使得重力作用分散到两个不同的方向，沿弧线垂直方向由于空腔23内部水的重力挤压作用，F_n＝mg cosθ小于F_n＝mg，地下预置竖井在垂直方向上的重力作用减少，减轻竖井的承受力。沿弧线水平方向上的剪切力F分担了竖直方向上的重力，地下预置竖井装置更好的承重，竖井使用年限增加，同时防止土壤的疏松对竖井稳定性产生影响。

除上述常规夏季工况和冬季工况外，本申请所述系统还可实现同步多功能循环工况运行模式：

工况模式Ⅰ(设置可调直流喷头、加强扰动，强化换热、促进水温均匀)：户外寒冷天气：打开阀门K₃，储存在干管13和毛细管12内的热水流向储水腔24左右的空腔23内和储水腔24里的冷水换热，启动水泵19、20，储水腔24内的热水流向用户端27，冷水回流到储水腔24，为了使竖井内温度均匀，与干管13在同一水平线上的连接到空腔23外壁和储水腔24内壁的可调直流喷头28、29、30、31向储水腔24内部喷洒热水，根据干管13位置，可调直流喷头对称设置，两股水流在井内撞击，对井内的水加强扰动，使水温更加均匀。

工况模式Ⅱ(设置可调直流喷头、分区精准调用模块)：户外极寒天气：阀门K₃、K₄、K₅全部打开，干管13和毛细管12内里储存的热水全部流向储水腔24左右的空腔23内和竖井里的冷水换热。启动水泵19、20、21、22，储水腔24内的水温升高速度加快，水泵抽水供应更充足，与干管13在同一水平线上的连接到空腔23外壁和储水腔24内壁的可调直流喷头28、29、30、31也全部有充足的热水喷洒向储水腔24内部，使得储水腔24内部温度基本不受从用户端回流到储水腔24内冷水的影响，保持水温基本恒定且均匀，同时根据干管竖直位置的高低，从高到低分为的四个区分别装有温度仪14、15、16、17，通过温度仪传回的温度判断地下土壤-热泵耦合蓄能器3中水位高低，当模块Ⅰ区、Ⅱ区温度低于Ⅲ区、Ⅳ区时，启动水泵19、20将储水腔24里的水送流到地下土壤-热泵耦合蓄能器3中补充水位，使得水位恢复至充足状态，土壤中存储的热量被更多的带入到储水腔24内，用户供热持续且稳定。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本实用新型提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，包括热泵系统冷凝单元、地下土壤-热泵耦合蓄能器、地下储能单元、地下预置竖井和供热用户单元；

地下土壤-热泵耦合蓄能器内设有蓄水槽、设于蓄水槽内的相变蓄热管道和冷水回水管道，相变蓄热管道内填充蓄热介质，蓄水槽内的水与蓄热介质间接换热，蓄水槽通过冷水回水管道和循环水泵连接至热泵系统冷凝单元；

蓄水槽的一侧连通地下储能单元，地下储能单元包括干管、垂直设于干管上的多根毛细管和开关阀，蓄水槽内的水经干管和开关阀流入地下预置竖井；

地下预置竖井包括储水腔和设于储水腔外围的空腔，储水腔的顶部通过管道分别与供热用户单元、蓄水槽连通，空腔与地下储能单元的干管相连通；储水腔内填充冷水，冷水与空腔内的热水间接换热后，经水泵送入蓄水槽和/或供热用户单元。

2.根据权利要求1所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，地下-热泵耦合蓄能器中，蓄水槽内的水与热泵系统冷凝单元换热后，经回流口进入蓄水槽内，回流口与相变蓄热管道之间设有水轮，从回流口流出的热水驱动水轮旋转。

3.根据权利要求2所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，所述水轮包括多个陀螺形转轴水轮，多个陀螺形转轴水轮沿圆周均匀同向布置。

4.根据权利要求1所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，所述地下储能单元包括从高至低依次布设的多层干管，每根干管的上下两侧均匀布设多个毛细管，相邻两根干管之间的毛细管交错布置。

5.根据权利要求4所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，所述干管和毛细管均采用膜片材料，水压增加时，膜片式干管/毛细管向两边扩充呈葫芦状。

6.根据权利要求5所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，每根干管均设有温度仪，根据温度仪传回的温度启动储水腔内的水泵以使蓄水槽内的水位充足。

7.根据权利要求4所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，地下预置竖井中，储水腔连接有多个高低不同的水泵，水泵的安装位置与多层干管的安装位置相对应。

8.根据权利要求4所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，地下预置竖井中，储水腔的内壁设有多个可调直流喷头，可调直流喷头的安装位置与干管的位置相对应，每个可调直流喷头的进口端连通空腔，空腔内的热水经可调直流喷头向储水腔内喷洒。

9.根据权利要求1所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，所述地下预置竖井中，空腔与储水腔的接触面为弧形。

10.根据权利要求1所述的热泵耦合反季节地下蓄能供暖系统，其特征在于，所述热泵系统冷凝单元为冷凝器或冷却塔，所述相变蓄热管道内填充的蓄热介质为聚乙二醇。

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