CN220321657U - 一种地热热泵系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种地热热泵系统，包括深埋于地下的热能采集管道(1)、真空泵(2)和与所述热能采集管道的上端闭环连接的蒸汽压缩机(3)、冷凝器(4)和冷媒液压罐(5)，所述真空泵通过管道与热能采集管道相连接，所述冷凝器的一端设有冷媒蒸汽入口(6)和热介质出口(7)，另一端设有液态冷媒出口(8)和热介质入口(9)，所述蒸汽压缩机与冷媒蒸汽入口通过管道相连接，所述液态冷媒出口与冷媒液压罐通过管道相连接。本实用新型结构简单，功率小，能耗低，应用范围广，适用于低温地热的应用场景，可在居民区灵活安装，节约大量的管网工程，供热稳定，综合能效系数高，有望应用于北方煤改电工程中。
Description
技术领域
本实用新型涉及地能热泵技术领域，特别是涉及一种地热热泵系统。
背景技术
地热热泵系统，又称为地源热泵(Ground Source heat pump)，是以地源能(土壤、地下水、地表水、低温地热水和尾水)作为热泵夏季制冷的冷却源、冬季采暖供热的低温热源，同时是实现采暖、制冷和生活用热水的一种系统。地热热泵系统可以用来替代传统制冷机和锅炉进行空调、采暖和供热的模式，是改善城市大气环境和节约能源的一种有效途径，也是国内地源能利用的一个新发展方向。
传统的地热技术一般是采用循环水从岩层获得热量后，再经地面换热器换热利用，但这种方案，需要消耗较大的抽水功率，同时存在水与冷媒的换热温差，使SCOP(热泵的综合能效系数)系数大为降低，一般均在5以下。
中国专利文献上公开了“组合型深层地热热泵系统”，其公告号为CN 105716328A，该发明将液态的热媒介通过管道输送到深层地下管道，吸收深层地下热量后气化，返回热泵控制器；气化的热媒介与循环水进行热交换，热媒介被液化，循环水被加热，加热后的循环水被输送到热能应用单位，循环后返回热泵控制器；被液化的热媒介再次被输送到深层地下管道。但是，该发明未预先排出深层地下管道中残留的空气，不利于冷媒与深层地下热量发生热交换，且该系统气化的热媒介并没有进一步被压缩升温，直接从地热获取的热量有限，仅适用于高温地热的情形，当地热的温度很低，不能够够提供足够的热量给循环水，无法满足高温热能应用单位的供热需求。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种地热热泵系统，用于解决现有地热热泵系统仅适用于高温地热，能耗大，综合能效系数较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型是通过包括如下的技术方案实现的。
本实用新型提供一种地热热泵系统，包括深埋于地下的热能采集管道、真空泵和与所述热能采集管道的上端闭环连接的蒸汽压缩机、冷凝器和冷媒液压罐，所述真空泵通过管道与热能采集管道相连接，所述冷凝器的一端设有冷媒蒸汽入口和热介质出口，另一端设有液态冷媒出口和热介质入口，所述蒸汽压缩机与冷媒蒸汽入口通过管道相连接，所述液态冷媒出口与冷媒液压罐通过管道相连接；
所述蒸汽压缩机用于抽出热能采集管道内的冷媒蒸汽，并加压后形成高温冷媒蒸汽；所述冷媒蒸汽由位于热能采集管道的液态冷媒吸收深层地下的热能发生汽化后形成；
所述冷凝器用于将高温冷媒蒸汽与热介质进行热交换；冷媒蒸汽发生液化后回流至冷媒液压罐内，热介质被加热后输送至热能应用单位。
本实用新型的地热热泵系统通过向岩层深处预埋一条热能采集管道，采用真空泵抽出管内真空后，向管内注入液态冷媒，液态冷媒吸收深层地下的热能后，发生汽化后形成冷媒蒸汽，通过蒸汽压缩机加压后，使冷媒蒸汽温度上升形成高温冷媒蒸汽，然后经冷凝器冷凝成液态冷媒再回流至热能采集管道内循环使用。高温冷媒蒸汽在冷凝器内液化过程中，将相变潜热传递给用热介质，使得热介质获得热量，输送至热能应用单位。本实用新型在采热过程中，几乎不消耗电能，而且可获得清洁干净的冷媒蒸汽，使循环系统工作可靠，SCOP系数极高，结构简单，能耗低，应用范围广，适用于低温地热的应用场景，可在居民区灵活安装，节约大量的管网工程，供热稳定，综合能效系数高，有望应用于北方煤改电工程。
优选的，所述热介质采用水、海水、水蒸气和熔岩等可以发生热传导的介质。
优选地，所述热能采集管道内部中空形成有冷媒容纳腔，所述热能采集管道由下到上包括采热段和保温段，所述采热段内的液态冷媒与深层地下的热能发生热交换后汽化形成冷媒蒸汽进入保温段。采热段有利于高效发生热交换，可以采用任意一种不与冷媒反应的热传导材料；保温段采用隔热材料，防止冷媒吸收到的深层地下的热能在输出时发生热损耗，上述结构可以提高热泵的综合能效系数。
优选地，所述保温段外包裹有保温层，所述保温层采用导热系数较小的隔热材料，如岩棉和硅酸隔热棉等。
优选地，所述保温段部分外露于地面且封闭设置，所述保温段的两侧设有抽气口和冷媒注入口，所述抽气口与真空泵相连接，所述冷媒注入口与冷媒液压罐通过管道相连接；所述保温段顶部设有冷媒蒸汽排出口，所述冷媒蒸汽排出口通过管道与蒸汽压缩机相连接。
优选地，所述冷媒液压罐的上端设有冷媒进料口，下端设有冷媒出料口，所述冷媒出料口与冷媒注入口通过管道相连接。
优选地，所述液态冷媒出口与冷媒进料口之间的管道设有第一节流阀，所述冷媒出料口与冷媒注入口之间的管道设有第二节流阀。节流阀有利于精准调节液态冷媒的流量，可控性强。
优选地，所述热能采集管道位于地下的深度为50～5000m，便于更好的吸收深层地下的热能。
如上所述，本实用新型的地热热泵系统，具有以下有益效果：通过向岩层深处预埋一条热能采集管道，采用真空泵抽出管内真空后，向管内注入液态冷媒，液态冷媒吸收深层地下的热能后，发生汽化后形成冷媒蒸汽，通过蒸汽压缩机加压后，使冷媒蒸汽温度上升形成高温冷媒蒸汽，然后经冷凝器冷凝成液态冷媒再回流至热能采集管道内循环使用。高温冷媒蒸汽在冷凝器内液化过程中，将相变潜热传递给用热介质，使得热介质获得热量，输送至热能应用单位。本实用新型结构简单，功率小，能耗低，应用范围广，适用于低温地热的应用场景，可在居民区灵活安装，节约大量的管网工程，供热稳定，综合能效系数高，有望应用于北方煤改电工程中。
附图说明
图1显示为地热热泵系统的结构示意图。
图2显示为地热热泵系统的工作原理图。
附图标号说明
1 热能采集管道
2 真空泵
3 蒸汽压缩机
4 冷凝器
5 冷媒液压罐
6 冷媒蒸汽入口
7 热介质出口
8 液态冷媒出口
9 热介质入口
10 冷媒容纳腔
11 保温层
12 抽气口
13 冷媒注入口
14 冷媒蒸汽排出口
15 冷媒进料口
16 冷媒出料口
17 第一节流阀
18 第二节流阀
19 岩层
A 采热段
B 保温段
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。
请参阅图1和图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
如图1所示，本实用新型提供一种地热热泵系统，包括深埋于地下的长度为1000m的热能采集管道1、真空泵2和与所述热能采集管道的上端闭环连接的蒸汽压缩机3、冷凝器4和冷媒液压罐5，所述热能采集管道内部中空形成有冷媒容纳腔10，所述热能采集管道由下到上包括600m的采热段A和400m的保温段B，所述采热段内的液态冷媒与深层地下的热能发生热交换后汽化形成冷媒蒸汽进入保温段，所述保温段外包裹有保温层11；所述保温段部分外露于地面且封闭设置，所述保温段的两侧设有抽气口12和冷媒注入口13，所述抽气口与真空泵相连接，所述冷媒注入口与冷媒液压罐通过管道相连接；所述保温段顶部设有冷媒蒸汽排出口14，所述冷媒蒸汽排出口通过管道与蒸汽压缩机相连接，所述冷凝器的一端设有冷媒蒸汽入口6和热介质出口7，另一端设有液态冷媒出口8和热介质入口9，所述蒸汽压缩机与冷媒蒸汽入口通过管道相连接，所述液态冷媒出口与冷媒液压罐通过管道相连接；所述冷媒液压罐的上端设有冷媒进料口15，下端设有冷媒出料口16，所述冷媒出料口与冷媒注入口通过管道相连接。所述液态冷媒出口与冷媒进料口之间的管道设有第一节流阀17，所述冷媒出料口与冷媒注入口之间的管道设有第二节流阀18。
所述蒸汽压缩机用于抽出热能采集管道内的冷媒蒸汽，并加压后形成高温冷媒蒸汽；所述冷媒蒸汽由位于热能采集管道的液态冷媒吸收深层地下岩层19的热能发生汽化后形成；所述冷凝器用于将高温冷媒蒸汽与热介质进行热交换；冷媒蒸汽发生液化后回流至冷媒液压罐内，热介质被加热后输送至热能应用单位。
结合1和图2，热介质以水为例，本实用新型的工作原理如下：
向岩层19深处预埋一条热能采集管道1，采用真空泵2抽出管内空气，使得冷媒容纳腔10内为真空负压状态，通过冷媒液压罐5向冷媒容纳腔内注入液态冷媒，液态冷媒沿管道流入采热段A，并吸收深层地下的热能后，发生汽化后形成冷媒蒸汽，冷媒蒸汽沿管道向上扩散至保温段B，从冷媒蒸汽排出口14排出，经过蒸汽压缩机3加压后，温度进一步升高形成高温冷媒蒸汽，高温冷媒蒸汽从进入冷媒蒸汽入口6进入冷凝器4，与水发生热交换，使得水获得热量，输送至热能应用单位；与此同时，高温冷媒蒸汽被冷凝成液态冷媒再回流至冷媒液压罐内，再次回流至热能采集管道内循环使用。
该实施例中地下岩层温度为25℃，获得的冷媒蒸汽按15℃设计，可获得热量功率约为150KW，冷媒蒸汽加压耗电功率约为25KW，可以获得42℃热水，满足一般居明供热要求，SCOP可达到6。
综上所述，本实用新型结构简单，功率小，能耗低，应用范围广，适用于低温地热的应用场景，可在居民区灵活安装，节约大量的管网工程，供热稳定，综合能效系数高，有望应用于北方煤改电工程中。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种地热热泵系统，其特征在于，包括深埋于地下的热能采集管道(1)、真空泵(2)和与所述热能采集管道的上端闭环连接的蒸汽压缩机(3)、冷凝器(4)和冷媒液压罐(5)，所述真空泵通过管道与热能采集管道相连接，所述冷凝器的一端设有冷媒蒸汽入口(6)和热介质出口(7)，另一端设有液态冷媒出口(8)和热介质入口(9)，所述蒸汽压缩机与冷媒蒸汽入口通过管道相连接，所述液态冷媒出口与冷媒液压罐通过管道相连接；
所述蒸汽压缩机用于抽出热能采集管道内的冷媒蒸汽，并加压后形成高温冷媒蒸汽；所述冷媒蒸汽由位于热能采集管道的液态冷媒吸收深层地下的热能发生汽化后形成；
所述冷凝器用于将高温冷媒蒸汽与热介质进行热交换；冷媒蒸汽发生液化后回流至冷媒液压罐内，热介质被加热后输送至热能应用单位。
2.根据权利要求1所述的地热热泵系统，其特征在于：所述热能采集管道内部中空形成有冷媒容纳腔(10)，所述热能采集管道由下到上包括采热段A和保温段B，所述采热段内的液态冷媒与深层地下的热能发生热交换后汽化形成冷媒蒸汽进入保温段。
3.根据权利要求2所述的地热热泵系统，其特征在于：所述保温段外包裹有保温层(11)。
4.根据权利要求2所述的地热热泵系统，其特征在于：所述保温段部分外露于地面且封闭设置，所述保温段的两侧设有抽气口(12)和冷媒注入口(13)，所述抽气口与真空泵相连接，所述冷媒注入口与冷媒液压罐通过管道相连接；所述保温段顶部设有冷媒蒸汽排出口(14)，所述冷媒蒸汽排出口通过管道与蒸汽压缩机相连接。
5.根据权利要求4所述的地热热泵系统，其特征在于：所述冷媒液压罐的上端设有冷媒进料口(15)，下端设有冷媒出料口(16)，所述冷媒出料口与冷媒注入口通过管道相连接。
6.根据权利要求5所述的地热热泵系统，其特征在于：所述液态冷媒出口与冷媒进料口之间的管道设有第一节流阀(17)，所述冷媒出料口与冷媒注入口之间的管道设有第二节流阀(18)。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的地热热泵系统，其特征在于：所述热能采集管道位于地下的深度为50～5000m。
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