CN100520229C - 一种多元闭路土壤源水-水热泵*** - Google Patents

一种多元闭路土壤源水-水热泵*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多元闭路土壤源水-水热泵***，水-水热泵(7)的源侧出口连接有第一循环水泵(6)，水-水热泵(7)通过第一循环水泵(6)与第一阀门(8)、地下耦合换热器、第二阀门(9)串联组成第一源侧回路，水-水热泵(7)通过第一循环水泵(6)与第三阀门(4)、换热器(3)、第四阀门(5)串联组成第二源侧回路，换热器的另一换热端通过第二循环水泵(2)连接有冷却塔(16)；第二阀门(9)前与第三阀门(4)后连接有第五阀门(10)，第四阀门(5)前与第一阀门(8)后连接有第六阀门(12)。本发明是一种适合于夏热冬冷地区夏季空调负荷大于冬季采暖负荷的工程中，可大幅降低这一类工程中热泵***的初投资，提高***能源效率和可靠性的多元闭路土壤源水-水热泵***。

Description

一种多元闭路土壤源水-水热泵***
技术领域
本发明涉及一种热泵***，特别是涉及一种由冷却塔和闭路地下耦合换热器组成的多元闭路土壤源水-水热泵***。
背景技术
纯土壤源热泵***是以地下土壤作为热源或热汇的热泵***，多用在采暖空调工程中。为了充分利用地下土壤结构中热量，根据一定的不保证率下的采暖负荷(最大吸热量)，或一定的不保证率下的供冷负荷(最大排热量)确定地下耦合换热器的大小，使设计的地下热交换器足够大，加之地下热交换器的造价高，致使整个热泵***成本高。这样的***仅适合用以采暖为主的寒冷地区(如我国的东北地区)和冷热负荷基本平衡的冬冷夏凉地区(如我国的华北地区)。这些地区使用纯土壤源热泵作为供热***是非常有利的。虽然以最大吸热量设计地下换热器，***初始投资高，但冬天可以充分利用地下土壤的热量，提高***的能源利用效率，达到节能的目的；夏天将空调排热量排入地下，不致产生热污染(城市热岛效应)。
对于夏热冬冷地区(如我国的长江流域地区)，夏季空调的排热量比冬季采暖所需吸热量要大很多。如果按夏季排热量来设计地下热交换器，***初投资显然过高，对保证***在冬季采暖制热时的吸热量和***效率有太大的余量；而在夏季向土壤排热时，由于夏季运行时间长，可能会使地下耦合热交换器回水温度过高而降低制冷效率，降低***的制冷能力和可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适合于夏热冬冷地区夏季空调负荷大于冬季采暖负荷的工程中，可大幅降低这一类工程中热泵***的初投资，提高***能源效率和可靠性的多元闭路土壤源水-水热泵***。
为了解决上述技术问题，本发明提供的多元闭路土壤源水-水热泵***，包括水-水热泵，所述的水-水热泵的源侧出口连接有第一循环水泵，所述的水-水热泵通过所述的第一循环水泵与第一阀门、地下耦合换热器、第二阀门串联组成第一源侧回路，所述的水-水热泵通过所述的第一循环水泵与第三阀门、换热器、第四阀门串联组成第二源侧回路，所述的换热器的另一换热端通过第二循环水泵连接有冷却塔；第五阀门一端连接在所述的第二阀门和所述的地下耦合换热器之间，另一端连接在所述的第三阀门与所述的换热器之间，第六阀门一端连接在所述的第四阀门与所述的换热器之间，另一端连接在所述的第一阀门与所述的地下耦合换热器之间。
所述的第一源侧回路中的地下耦合换热器为竖直U型耦合换热器或水平耦合换热器。
所述的换热器为板式换热器。
采用上述技术方案的多元闭路土壤源水-水热泵***，地下土壤源换热器回路中的地下耦合换热器为竖直U型换热器或水平地下耦合换热器，地下耦合换热器容量根据采暖不保证率下的最大采暖负荷所需吸热量来确定，以充分保证冬季采暖时所需吸热量和可靠运行。板式换热器和冷却塔的容量根据空调不保证率下最大夏季空调负荷时所需排热量与地下耦合换热器在夏季排热时的排热量之差来确定。由于冷却塔工作时，循环水与外界空气直接接触，容易受到污染，因此采用板式换热器将冷却塔的循环水与热泵源侧循环水隔离，保证热泵源侧整个回路是封闭的，延长***使用寿命。通过第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门为电动阀或电磁阀(***为自动控制方式)或第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门为球阀(***为手动控制方式)的组合开和关，使热泵***有两种工况(冬季采暖工况，即制热工况，和夏季空调工况，即制冷工况)和六种工作模式，即两个回路单独工作(循环水只通过板式换热器或地下耦合换热器)、并联工作(循环水同时通过板式换热器和地下换热器)或串联工作(串联模式1、循环水先流过地下耦合换热器再流过板式换热器；串联模式2.循环水先流过板式换热器再流过地下耦合换热器)模式；排热工作模式(夏季地下耦合换热器的回水温度较高时，热泵停止运行期间，开启冷却塔和热泵循环水泵，用冷却塔向空气排放土壤蓄存热量)。
本发明的特点：1、本***适用于以空调为主，其空调工况下的排热量大于供热工况下的吸热量的地区或建筑，如夏热冬冷地区的建筑。2、由于相同排热量的冷却塔+板式换热器比地下耦合换热器的造价低得多，本专利***设备初始投资比纯地下耦合地源热泵***低很多。3、热泵***在冬季采暖时，能充分利用地下土壤的热量，具有较高的性能系数，降低能耗。4、热泵***在夏季供冷时，利用地下耦合换热器将空调排热排入土壤中，既能充分利用土壤温度低的特性提高制冷效率，节约能耗，又减小向大气的排热量(减小热污染)，改善建筑周围的气候环境。当空调负荷大、地下耦合换热器的出水温度较高时，开启冷却塔，降低回水温度，提高这冷效率，节约能耗，***可靠性高。5、***既可手动控制，又可自动控制，控制简单易行。6、***工作模式多，便于优化***运行以提高***的能源效率，达到节能目的。
综上所述，本发明是一种适合于夏热冬冷地区夏季空调负荷大于冬季采暖负荷的工程中，可大幅降低这一类工程中热泵***的初投资，提高***能源效率和可靠性的多元闭路土壤源水-水热泵***。
附图说明
下面结合附图1和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
参见附图1，水-水热泵7的源侧出口连接有第一循环水泵6，水-水热泵7通过第一循环水泵6与第一阀门8、地下耦合换热器13、第二阀门9串联组成第一源侧回路，水平地下耦合换热器13出口管设有温度传感器11，水-水热泵7通过第一循环水泵6、第三阀门4、板式换热器3、第四阀门5串联组成第二源侧回路，板式换热器3的另一换热端通过第二循环水泵2连接有冷却塔16，冷却塔16进口管分流设有第七排水用球阀1，冷却塔16出口管分流设有第八排水用球阀15，冷却塔16出口与板式换热器3之间设有排污器14；第二阀门9前与第三阀门4后连接有第五阀门10，第四阀门5前与第一阀门8后连接有第六阀门12。
第一源侧回路中的地下耦合换热器还可以为竖直U型耦合换热器或水平耦合换热器。
***为自动控制方式时第一阀门8、第二阀门9、第三阀门4、第四阀门5、第五阀门10、第六阀门12为电动阀或电磁阀，***为手动控制方式时第一阀门8、第二阀门9、第三阀门4、第四阀门5、第五阀门10、第六阀门12为球阀。
参见图1，本发明的多元闭路土壤源水-水热泵***设计为冬季采暖和夏季空调两种工况。
当处于冬季采暖工况时，由于地下耦合换热器13是按***最大吸热量设计的，因此，关闭第三阀门4、第四阀门5、第五阀门10和第六阀门12以及第二循环水泵2和冷却塔16风机。只开启第一循环水泵6，第一阀门8和第二阀门9，热泵***处于地下耦合换热器13单独工作模式，以保证热泵有最佳的制热效率。
当处于夏季空调工况时，为了降低***能耗，避免热污染，应优先采用水平地下耦合换热器单独工作模式。这时，关闭第三阀门4、第四阀门5、第五阀门10和第六阀门12以及第二循环水泵2和冷却塔16风机，只开启第一循环水泵6，第一阀门8和第二阀门9。当地下耦合换热器13的回水温度高于某值会导致***的制冷效率下降时，才采用串联、并联或排热工作模式。
当***需要并联模式运行时，关闭第五阀门10和第六阀门12，同时开启第一阀门8、第二阀门9、第三阀门4、第四阀门5以及第一循环水泵6、第二循环水泵2和冷却塔16风机。
当***需要串联模式1运行时，关闭第二阀门9、第三阀门4、第六阀门12，同时开启第一阀门8、第四阀门5、第五阀门10以及第一循环水泵6、第二循环水泵2和冷却塔16风机。
当***需要串联模式2运行时，关闭第一阀门8、第四阀门5、第五阀门10，同时开启第二阀门9、第三阀门4、第六阀门12，以及第一循环水泵6、第二循环水泵2和冷却塔16风机。
只有***长期处于工作状态导致地下耦合换热器13进回水温较高且进回水温差变得很小的情况下；或地下耦合换热器3回路需要检修时，才启用冷却塔回路单独工作模式。这时，关闭第一阀门8、第二阀门9、第五阀门10、第六阀门12，开启第一循环水泵6、第二循环水泵2和冷却塔16风机。
当***需要排热模式运行时(一般在夜间)，水-水热泵7停止运行，其他部件按串联模式1或2运行。
如果热泵***采用手动控制方式，第一阀门8、第二阀门9、第三阀门4、第四阀门5、第五阀门10、第六阀门12均采用手动球阀。操作人员根据室外空气温度和水平地下耦合换热器13出水温度判断热泵***的工作模式，采用手动方式开启和关闭相应的阀门和循环水泵。
如果***采用计算机自动控制方式，第一阀门8、第二阀门9、第三阀门4、第四阀门5、第五阀门10、第六阀门12均采用电动阀或电磁阀。第一循环水泵6和第二循环水泵2、冷却塔16风机需用固态继电器控制。计算机控制器预先设计出两种工况和六种工作模式。操作人员在计算机操作界面上选择运行工况和工作模式，或者计算机根据室外空气温湿度和地下耦合换热器的回水温度自动确定工作模式，计算机自动控制电动阀或电磁阀、循环水泵和风机的开启和关闭。

Claims (3)

1、一种多元闭路土壤源水-水热泵***，包括水-水热泵(7)，其特征是：所述的水-水热泵(7)的源侧出口连接有第一循环水泵(6)，所述的水-水热泵(7)通过所述的第一循环水泵(6)与第一阀门(8)、地下耦合换热器、第二阀门(9)串联组成第一源侧回路，所述的水-水热泵(7)通过所述的第一循环水泵(6)与第三阀门(4)、换热器、第四阀门(5)串联组成第二源侧回路，所述的换热器的另一换热端通过第二循环水泵(2)连接有冷却塔(16)；第五阀门(10)一端连接在所述的第二阀门(9)和所述的地下耦合换热器之间，另一端连接在所述的第三阀门(4)与所述的换热器之间，第六阀门(12)一端连接在所述的第四阀门(5)与所述的换热器之间，另一端连接在所述的第一阀门(8)与所述的地下耦合换热器之间。
2、根据权利要求1所述的多元闭路土壤源水-水热泵***，其特征是：所述的第一源侧回路中的地下耦合换热器为竖直U型耦合换热器或水平地下耦合换热器(13)。
3、根据权利要求1或2所述的多元闭路土壤源水-水热泵***，其特征是：所述的换热器为板式换热器(3)。
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