CN216668017U - 一种多级取热的地源热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种多级取热的地源热泵系统，包括地热水循环及热交换循环，其中地热水循环及热交换循环在热泵机组内隔离换热，其中地热水循环包括依次连通的地热水源、除沙罐、板式换热罐、尾水混水装置及热泵机组；其中热交换循环包括依次连通的热水循环泵、空调系统分，集水器、热泵机组、冷却塔及板式换热罐；其中地热水循环及热交换循环还在板式换热罐内隔离换热；其中热泵机组为多级热泵机组，其中多级热泵机组的多个第一进液口均与地热水循环的进水管连通，多级热泵机组的多个第一出液口均与地热水循环的出水管连通，且上级热泵机组的出液口通过连接管连通相邻的下级热泵机组的进液口。该系统采用梯级取热技术，提高资源利用率，经济效益明显。

Description

一种多级取热的地源热泵系统

技术领域

本实用新型属于机械装置领域，涉及一种地源热泵系统，尤其是一种多级取热的地源热泵系统。

背景技术

城市供暖与制冷一直是备受人们关注的问题。长期以来，供暖与制冷既消耗了大量煤炭、石油、电力等能源，又造成了严重的环境污染。冬季，我国北方城市大多使用燃煤、燃油锅炉进行供暖，大量的二氧化碳、二氧化硫、煤尘等污染物排放到大气中，造成了雾霾严重和大气严重污染。夏季，使用空调制冷，必然加剧环境温度的上升，造成热的恶性循环。

而地热是一种在合理利用条件下可再生的清洁能源。地热资源广泛用于城市居民采暖、生活热水等领域。为了充分利用资源，创造更多的价值，对地热资源的开发应做到一水多用、综合利用。现已开发的地热井，尾水排放温度多在40℃以上，仍含有大量的热能，如果能有效的加以利用，就会带来巨大的经济效益和社会效益。应用水源热泵能有效地回收利用这部分能源——即40℃左右的尾水，可以制取最高可达75℃的热水进行梯次利用，降低了回灌水温度，既符合环保要求，有节约利用了有限的不可再生的能源，是环保型城市替代传统供暖方式的最佳选择。

通过公开专利检索，发现涉及地源热泵系统的专利文献较多，下面给出与本申请相关的两篇公开专利文献，通过结构的比对可以充分体现本实用新型申请的创造性：

地源热泵系统(CN201120136605.5)公开了一种地源热泵系统，包括土壤换热装置和补热装置，土壤换热装置具有热介质入口和冷介质出口，补热装置包括冷凝器、蒸发器、压缩机和第一阀，冷凝器、蒸发器和压缩机通过管路顺次连通形成闭合回路，第一阀与压缩机并联，冷凝器具有热介质出口和冷介质入口，热介质出口与热介质入口连通，冷介质出口与冷介质入口连通。由于上述热泵系统结构简单，且补热装置中的各部件均为空调系统中常用的部件，价格相对较低，因此能够降低地源热泵系统的成本。同时，由于补热装置的控制相对简单，不需要专门的自动化控制设备，因此，与现有的地源热泵系统相比，本实用新型的地源热泵系统具有较高的运行可靠性。

一种太阳能光热与地源热泵结合系统(CN201120402886.4)公开了一种太阳能光热与地源热泵结合系统，其用于对室内采暖和向地下补充热量，其包括地源热泵主系统、太阳能光热辅助系统、室内采暖系统以及控制装置，太阳能光热辅助系统采用并联或串联的方式与地源热泵主系统连接，控制装置包括若干阀门以及用于自动控制若干阀门的控制单元，若干阀门设置在地源热泵主系统与太阳能光热辅助系统中。太阳能光热与地源热泵结合系统，将太阳能与地源热泵结合在一起能够“取长补短，合理补给”，保障地下温度场的热平衡，从而保障地源热泵系统能够持续高效运行。

综上，上述对比文献与本实用新型申请在地源热泵系统连接方式、该系统内连接设备结构及地源热泵之间梯次连接换热方式均不相同。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种多级取热的地源热泵系统，该地源热泵系统设置有多级热泵机组，可对地热尾水进行多级换热，且将多级换热后不同温度的地热尾水用于采暖、生活用水等诸多方面。

一种多级取热的地源热泵系统，包括地热水循环及热交换循环，所述地热水循环及热交换循环在热泵机组内隔离换热，所述地热水循环包括依次连通的地热水源、除沙罐、板式换热器、尾水混水装置及热泵机组；所述热交换循环包括依次连通的热水循环泵、空调系统分，集水器、热泵机组、冷却塔及板式换热器；所述地热水循环及热交换循环还在板式换热器内隔离换热；所述热泵机组为多级热泵机组，其中多级热泵机组的多个第一进液口均与地热水循环的进水管连通，多级热泵机组的多个第一出液口均与地热水循环的出水管连通，且上级热泵机组的出液口通过连接管连通相邻的下级热泵机组的进液口，实现多级热泵机组之间依次连通；所述多级热泵机组的多个第二进液口均与热交换循环的进水管连通，多级热泵机组的多个第二出液口均与地热水循环的出水管连通，其中多级热泵机组的多个第二出液口还分别连接有不同功能的取热设备。

而且，所述对应多级热泵机组第一进液口位置的地热水循环进水管上均设置有第一进液阀；所述对应多级热泵机组第一出液口位置的地热水循环出水管上均设置有第一出液阀；所述多个连接管上均设置有连接阀。

而且，所述除沙罐包括除沙罐、过滤装置及搅拌机，其中搅拌机安装在除沙罐罐底中部，过滤装置吊装在过滤罐罐体及过滤罐封头之间，且过滤装置顶部连通除沙罐出水管；所述过滤罐罐体内下部设有沉淀池，沉淀池底部设有除沙罐排污管，沉淀池侧壁切向设置有除沙罐进水管。

而且，所述过滤装置包括吊装板、集水管及过滤装置，其中集水管安装在吊装板下部，且集水管上部连通除沙罐出水管；所述集水管侧壁制有密集均布的集水孔；所述过滤装置穿装在集水管上，集水管下端设置有螺纹连接的紧固封头。

而且，所述尾水混水装置包括混水泵、混水阀门及电动调节阀，其中混水阀门两端连通地热水循环的进水管及出水管，混水泵设置在地热水循环出水管上，且混水泵为混水阀门混水提供动力；所述电动调节阀设置在混水阀门与地热水循环出水管连接处的下游位置。

而且，所述不同功能的取热设备包括地热采暖设备或生活用水设备。

而且，所述热交换循环的热水循环泵还连接有可为热交换循环补充软化水的补水箱。

本实用新型的优点和经济效果是：

1、本实用新型的地源热泵系统设置有多级热泵机组，可对地热尾水进行多级换热，同时可通过调节地热水循环连接多级地源热泵处的电磁阀开闭，以及调节连接管上电磁阀的开闭，控制多级热机组的并联或串联关系，也可调节任意单台热泵机组工作或任意多台热泵机组同时工作，且将多级换热后不同温度的地热尾水分别用于采暖、生活用水等诸多方面。

2、本实用新型的地热水循环上设置了除沙罐，该除沙罐采用侧方进水，上方过滤出水，下方排污，同时下方进行搅拌的离心过滤方式，该方式便于对除沙罐过滤装置的拆装及清洗，且过滤装置安装在除沙罐内上部，在除沙罐内下部留有沉淀池空间，由搅拌机为除沙罐内的地源水提供离心力，有利于对地源水进行初步净化，防止杂质进入到地热水循环管路内阻塞管路。

3、本实用新型的板式换热器，可对地源水进行初步换热，该板式换热器适用于地下温度与地表温度差距较大的工况，有利于地热水循环与热交换循环更充分的换热，进而提高换热效率，降低回灌水的温度。

4、本实用新型的混水阀门及电动调节阀，实现了对地热水循环内水循环流速的控制，经多级热泵机组出液口排出的废水可通过混水阀门重新流入到多级热泵机组进液口，进行重新换热，而重新流入进液口的废水流量由电动调节阀控制，该设计是为了防止地热水循环内水流速过大，而导致的换热效率下降，回灌水温度升高的问题发生。

5、本实用新型的补水箱，可在补水箱中加入软化水，防止热交换循环管路水中碳酸钙离子含量过高，进而附着在管壁内部，造成管道阻塞，同时在管路中补充软化水，用以解决管路循环过长，内部流体消耗过大的问题发生，起到了及时补充循环水的作用。

6、本实用新型设置在热交换循环管路内的冷却塔，该冷却塔用于夏季，采暖需求下降，热交换循环内的热量无需用于采暖，而此时热交换循环管路内的温度会上升，进而缩小与地源水的温差，降低换热效率，而设置冷却塔，对热交换循环管内的水进行降温，有助于本实用新型系统的换热、夏季制冷及生活用热水功能实现。

附图说明

图1为本实用新型的系统连接示意图；

图2为本实用新型的多级热泵机组连接局部示意图；

图3为本实用新型的除沙罐结构示意图；

图4为本实用新型的热泵机组接口示意图。

图中：1-空调分、集水器；2-热泵机组；3-电动调节阀；4-混水阀门；5-热交换循环进水管；6-地热水循环出水管；7-热交换循环出水管；8-地热水循环进水管；9-板式换热罐；10- 除沙罐；11-地源水进口；12-地源水出口；13-冷却塔；14-补水箱；15-热水循环泵；16-连接管；17-第一进液阀；18-第一出液阀；19-第二进液阀；20-第二出液阀；21-出水管；22-封头；23-吊装板；24-集水孔；25-集水管；26-沉淀池；27-搅拌机；28-排污管；29-进水管；30-第二出液口；31-第二进液口；32-第一出液口；33-第一进液口；34-制热进水阀；35-制冷进水阀；36-制热出水阀；37-制冷出水阀。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。需要说明的是，本实施例是描述性的，不是限定性的，不能由此限定本实用新型的保护范围。

一种多级取热的地源热泵系统，包括地热水循环及热交换循环，地热水循环及热交换循环在热泵机组2内隔离换热，地热水循环包括依次连通的地热水源、除沙罐10、板式换热罐 9、尾水混水装置及热泵机组；热交换循环包括依次连通的热水循环泵15、空调系统分，集水器1、热泵机组、冷却塔13及板式换热罐；地热水循环及热交换循环还在板式换热罐内隔离换热；热泵机组为多级热泵机组，其中多级热泵机组的多个第一进液口33均与地热水循环的进水管29连通，多级热泵机组的多个第一出液口32均与地热水循环的出水管21连通，且上级热泵机组的出液口通过连接管连通相邻的下级热泵机组的进液口，实现多级热泵机组之间依次连通；多级热泵机组的多个第二进液口31均与热交换循环的进水管连通，多级热泵机组的多个第二出液口30均与地热水循环的出水管连通，其中多级热泵机组的多个第二出液口还分别连接有不同功能的取热设备。

对应多级热泵机组第一进液口位置的地热水循环进水管8上均设置有第一进液阀；对应多级热泵机组第一出液口位置的地热水循环出水管6上均设置有第一出液阀；多个连接管上均设置有连接阀。

除沙罐包括除沙罐封头、过滤装置及搅拌机27，其中搅拌机安装在除沙罐罐底中部，过滤装置吊装在除沙罐罐体及除沙罐封头22之间，且过滤装置顶部连通除沙罐出水管；除沙罐罐体内下部设有沉淀池26，沉淀池底部设有除沙罐排污管28，沉淀池侧壁切向设置有除沙罐进水管。

过滤装置包括吊装板23、集水管25及过滤装置，其中集水管安装在吊装板下部，且集水管上部连通除沙罐出水管；集水管侧壁制有密集均布的集水孔24；过滤装置穿装在集水管上，集水管下端设置有螺纹连接的紧固封头。

尾水混水装置包括混水泵、混水阀门4及电动调节阀3，其中混水阀门两端连通地热水循环的进水管及出水管，混水泵设置在地热水循环出水管上，且混水泵为混水阀门混水提供动力；电动调节阀设置在混水阀门与地热水循环出水管连接处的下游位置。

不同功能的取热设备包括地热采暖设备或生活用水设备。

热交换循环的热水循环泵还连接有可为热交换循环补充软化水的补水箱14。

为更清楚地描述本实用新型的使用方法及功能，下面提供一种实例：

该多级取热的地源热泵系统目前已应用到实际施工项目中，该项目采取了地热梯级利用过程，第一梯级是将开采出来的85℃地热水经过板式换热器提取热能供管网系统供热；之后进入多级热泵机组中进行多梯级换热，该项目中的第二梯级是将经过一级换热后的地热水 (50℃至55℃)进行再次换热，提取热能供地面辐射式采暖系统供热，其中经每级热泵机组换热后的地热水温度下降约7℃，且每级热泵机组的第二出液口均连接不同采暖设备，本项目中第二梯级热泵机组提取热能供地面辐射式采暖系统供热，第三梯级热泵机组提取热能供新开发的小区采暖，第四梯级热泵机组提取热能供小区生活用热水；最终热泵机组排出的地热水(8℃左右)由另一眼地热井(即地源水出口12)回灌到地下。至此完成了一个循环过程。回灌水温由传统供热排放温度43℃降为8℃，地热回灌率达到90％以上，实现了资源的循环利用；采用梯级利用技术，大大提高了资源利用率，使有限的地热资源能最大限度地发挥效用；该项目每年替代原煤6292.6吨，减排二氧化硫75吨、氮氧化物54.8吨、粉尘147吨，节约环境治理费31万元；运行成本约为13元/平方米，比常规供热方式节约6元/平方米，每年节约运行费约120万元，经济效益明显。

本实用新型多级取热的地源热泵系统主要分为两个循环：

1)地热水循环：地源热水由地源水进口11进入到地热水循环中：

a、由除沙罐进液口进入到罐体内过滤除沙，过滤后的沙浆由除沙罐排污管排出，清洁的地源水由除沙罐出水管排出并通入到地热水循环管路中。

b、经除沙罐过滤后的清洁地源水经地热水循环管路通入到板式换热器中，与热交换循环管路中的循环水进行第一梯级换热，经加热后的热交换循环水在冬季极冷气温或极冷地区可直接通往空调分、集水器进行供。

c、经第一梯级换热后的地源热水经地热水循环管路连通混水阀门，该混水阀门可将多级换热后的地热尾水与第一梯级换热后的地源热水按照比例混合，从而降低第一梯级换热后地源热水的温度，该比例混合的控制由电动调节阀实现。设置该混水工序的目的是为了防止夏季使用时供热需求较低，地源水热能无法释放，导致生活用热水等水温过高的问题发生。

d、经混水后的地源热水经地热水循环管路通入到多级热泵机组中进行多梯级换热，其中多级热泵机组的第一进液口均与地热水循环进水管连通，多级热泵机组的第一出液口均与地热水循环出水管连通，实现多级热泵机组相互并联；同时多级热泵机组还可以通过连接管实现串联，具体连接方式为上级热泵机组的出液口通过连接管连通相邻的下级热泵机组的进液口，且连接管上设置有控制阀门，可通过调节控制阀门开闭进而调节多级热泵机组之间的串、并联关系，同时多级热泵机组的第二出液口还分别连接有d、e、f接口，该d、e、f接口分别连接不同热需求的采暖及用水设备。

e、经多级热泵机组换热后的地热尾水(约为8℃)可直接连通热交换循环管路，并通入到空调分、集水器中，用于夏季空调制冷，且地热水循环与热交换循环管路具体连接方式为：地热水循环进水管连通5热交换循环进水管，二者连通处设置有35制冷进水阀，地热水循环出水管连通7热交换循环出水管，二者联通出设置37有制冷出水阀。本系统连接的制冷进、出水阀打开工序只应用于夏季制冷使用，冬季应用时上述两阀门处于常闭状态，具体工序如 f。

f、经多级热泵机组换热后的地热尾水(约为8℃)通入地热水循环出水管中，最终回灌到地下。

2)热交换循环：

热交换循环在冬季制热过程中为封闭的导热循环，在夏至制冷过程中为与地热水循环连通的开放式循环；其中热交换循环由热水循环泵提供管内水循环动力，由补水箱提供循环损耗的软化水；另外热交换循环还连通有空调分、集水器，以及多级热泵机组、冷却塔和板式换热器，其中空调分、集水器与多级热泵机组之间的热交换循环进水管上设置有34制热进水阀，

其中空调分、集水器与多级热泵机组之间的热交换循环出水管上设置有36制热出水阀，上述两阀门用于冬季制冷时直接控制板式换热器内第一梯级热交换完毕的热交换水通入空调分、集水器中进行制热工序。

另外，热交换进水管与热交换出水管之间还设置有冷却塔，该冷却塔用于夏季系统运行时对热交换循环管路内的热水进行冷却，用以防止生活用水温度过高。

另外，多级热泵机组的第二进液口均与热交换循环进水管连通，二者连通处设置有第二进液阀19；多级热泵机组的第二出液口均与热交换循环出水管连通，二者连通处设置有第二出液阀20。

本系统中采用的空调分、集水器，以及冷却塔、混水阀门、板式换热器、热水循环泵和集水箱均为现有技术的公知产品。

另外，该除沙罐使用时仅需将带压流体从地热水循环进水管通入到除沙罐中，由于过滤装置在除沙罐内上部吊装，且进水口设置在过滤装置下部，故随着除沙罐罐体内带压流体的增多，罐体内的气体会随之进入过滤装置最后由出水管排出罐体，更进一步地由于除沙罐体下部设置有搅拌机，故在注水时罐体内部会形成涡流，该涡流会将罐内过滤后的杂质旋涡状地引向除沙罐底部排污管位置，增加了排污效率与排污效果，防止罐内污物堆积而造成的过滤效率下降等问题。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种多级取热的地源热泵系统，其特征在于：包括地热水循环及热交换循环，所述地热水循环及热交换循环在热泵机组及板式换热罐内隔离换热；所述地热水循环包括依次连通的地热水源、除沙罐、板式换热罐、尾水混水装置及热泵机组；所述热交换循环包括依次连通的热水循环泵、空调系统分，集水器、热泵机组、冷却塔及板式换热罐；所述热泵机组为多级热泵机组，其中多级热泵机组的多个第一进液口均与地热水循环的进水管连通，多级热泵机组的多个第一出液口均与地热水循环的出水管连通，且上一级热泵机组的出液口通过连接管连通相邻的下一级热泵机组的进液口以进行多级热泵机组之间依次连通；所述多级热泵机组的多个第二进液口均与热交换循环的进水管连通，多级热泵机组的多个第二出液口均与地热水循环的出水管连通。

2.根据权利要求1所述的一种多级取热的地源热泵系统，其特征在于：所述对应多级热泵机组第一进液口位置的地热水循环进水管上均设置有第一进液阀；所述对应多级热泵机组第一出液口位置的地热水循环出水管上均设置有第一出液阀；所述多个连接管上均设置有连接阀。

3.根据权利要求1所述的一种多级取热的地源热泵系统，其特征在于：所述除沙罐包括除沙罐封头、过滤装置及搅拌机，其中搅拌机安装在除沙罐罐底中部，过滤装置吊装在除沙罐罐体及除沙罐封头之间，且过滤装置顶部连通除沙罐出水管；所述除沙罐罐体内下部设有沉淀池，沉淀池底部设有除沙罐排污管，沉淀池侧壁切向设置有除沙罐进水管。

4.根据权利要求3所述的一种多级取热的地源热泵系统，其特征在于：所述过滤装置包括吊装板、集水管及滤芯，其中集水管安装在吊装板下部，且集水管上部连通除沙罐出水管；所述集水管侧壁制有密集均布的集水孔；所述滤芯穿装在集水管上，集水管下端设置有螺纹连接的紧固封头。

5.根据权利要求1所述的一种多级取热的地源热泵系统，其特征在于：所述尾水混水装置包括混水泵、混水阀门及电动调节阀，其中混水阀门两端连通地热水循环的进水管及出水管，混水泵设置在地热水循环出水管上，且混水泵为混水阀门混水提供动力；所述电动调节阀设置在混水阀门与地热水循环出水管连接处的下游位置。

6.根据权利要求1所述的一种多级取热的地源热泵系统，其特征在于：所述热交换循环的热水循环泵还连接有可为热交换循环补充软化水的补水箱。

7.根据权利要求1所述的一种多级取热的地源热泵系统，其特征在于：所述多级热泵机组的多个第二出液口还分别连接有地热采暖和生活用水的取热设备。

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