CN104482691B - 一种从环境取热的土壤源热泵***及运行方法 - Google Patents

Abstract

一种从环境取热的土壤源热泵***及运行方法，属于供热空调领域。该***在常规土壤源热泵基础上增加第二换热器及其附件，可提供采暖空调、全年生活热水和非采暖期补热。根据不同气候、负荷特征，第二换热器可实现多种不同的运行模式。非采暖期，若室外气温较高，第二换热器可从环境取热、经热泵机组提升温度后向土壤补热；若室外气温进一步升高或太阳辐射较强，第二换热器可直接从环境取热向土壤补热。非采暖期或采暖初末期，第二换热器可从环境取热、经热泵机组提升温度后向用户供生活热水或供暖。第二换热器通过增大补热、减小取热，以低初投资和高节能性，有效维持了北方地区土壤源热泵的土壤全年热平衡，保障了***长期稳定高效运行。

Description

一种从环境取热的土壤源热泵***及运行方法

技术领域

本发明涉及一种从环境取热的土壤源热泵***及运行方法，属于供热空调领域。本技术可有效解决北方地区土壤源热泵***的土壤热不平衡问题，维持***长年稳定高效运行，特别适用于建筑热负荷较大，且干燥缺水的北方地区。

背景技术

我国的北方地区主要采用基于化石燃料燃烧的集中采暖方式，该方式总体能效不高造成了较大的能源消耗，并且由于污染物的排放一定程度上加剧了雾霾的出现。土壤源热泵以土壤为低位能源，***性能受气温影响较小，具有较强的适应性，作为一种清洁高效的采暖空调形式，近年来在我国的应用越来越广。但土壤的热不平衡问题是制约其性能及发展的关键问题。当土壤源热泵应用于北方地区以热负荷为主的建筑时，***从土壤的全年累计取热量明显大于排热量，将造成土壤温度下降，进而***性能下降、甚至无法运行。现有的解决方案中，增加埋管数量、增大地埋管间距等将造成初投资的增加且只能减缓土壤温度下降，不能从根本上解决土壤热不平衡问题；增加太阳能集热器作为辅助设备，将会带来较高的初投资、且运行可靠性差。

为此，探索一种同时具有较高经济性和节能性的北方地区土壤源热泵***土壤热不平衡问题解决方案，将有助于推动土壤源热泵在北方地区的合理推广与应用，替代化石燃料燃烧供暖，对节能减排具有重大意义。

发明内容

基于上述问题，本发明提出一种可从环境取热的土壤源热泵***及运行方法，该***及方法可提供冬季采暖、夏季空调、全年生活热水、非采暖季补热，解决北方地区土壤源热泵***的土壤热不平衡问题，维持***长期稳定高效运行。

本发明的技术方案如下：

一种从环境取热的土壤源热泵***，包括热泵机组、地埋管、用户、地源侧集水器、地源侧分水器、地源侧水泵、用户侧水泵、用户侧分水器、第一阀门和用户侧集水器；所述热泵机组用户侧的出口依次连接用户侧水泵、用户侧分水器、第一阀门、用户和用户侧集水器回到热泵机组用户侧，构成热泵机组用户侧供暖供冷回路；所述热泵机组地源侧的出口依次连接地源侧集水器、地埋管、地源侧分水器和地源侧水泵回到热泵机组地源侧，构成热泵机组地源侧制暖制冷回路；其特征在于：所述的从环境取热的土壤源热泵***还包括第一换热器、第二换热器、第二换热器水泵、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门；所述的第一换热器的热泵机组用户侧出口依次连接用户侧集水器、热泵机组用户侧、用户侧水泵、用户侧分水器和第二阀门回到第一换热器，构成第一换热器的热泵机组用户侧回路；所述的第二换热器的用户侧出口依次连接第三阀门、第一换热器的第二换热器侧和第二换热器水泵回到第二换热器，构成第二换热器热泵补热回路；所述的第二换热器的用户侧出口依次连接第六阀门、地源侧集水器、地埋管、地源侧分水器、第七阀门和第二换热器水泵回到第二换热器，构成第二换热器直接补热回路；所述的第二换热器的用户侧出口依次连接第四阀门、热泵机组地源侧、第五阀门和第二换热器水泵回到第二换热器，构成第二换热器直接供暖回路。

上述技术方案中，所述的热泵机组采用在制冷制热工况转换模式下的制冷剂侧切换或外部水路侧切换两种结构形式。

上述技术方案中，所述的第二换热器采用风冷换热器、太阳能集热器和溶液喷淋式换热器中的一种或几种的组合。

本发明提供的一种从环境取热的土壤源热泵的运行方法，其特征在于所述方法包括以下几种独立的运行模式：

a.土壤源热泵供热或供冷模式：关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门和第二换热器水泵；地埋管出水经地源侧分水器和地源侧水泵进入热泵机组地源侧，为热泵机组提供低位热源或冷源，然后，经地源侧集水器回到地埋管；用户回水经用户侧集水器进入热泵机组用户侧被加热或降温，然后，经用户侧水泵、用户侧分水器和第一阀门回到用户，用于供暖、供生活热水或供冷；

b.第二换热器热泵补热模式：关闭第一阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门，用户停止供热或供冷；第二换热器的用户侧通过与环境换热制取热水经第三阀门进入第一换热器的第二换热器侧放热，然后，经第二换热器水泵回到第二换热器；热泵机组用户侧出水经用户侧水泵、用户侧分水器和第二阀门进入第一换热器的热泵机组用户侧被加热，然后，经用户侧集水器回到热泵机组用户侧放热；地埋管出水经地源侧分水器和地源侧水泵进入热泵机组地源侧被加热，然后，经地源侧集水器回到地埋管；该模式下，第二换热器与热泵机组结合，实现了从环境取热、经热泵机组提升温度后向土壤补热；

c.第二换热器直接补热模式：关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、用户侧水泵和地源侧水泵，热泵机组停止运行；地埋管出水经地源侧分水器、第七阀门、第二换热器水泵进入第二换热器的用户侧被加热，然后，经第六阀门和地源侧集水器回到地埋管；该模式下，第二换热器实现了从环境取热并直接向土壤补热；

d.第二换热器热泵供热模式：关闭第二阀门、第三阀门、第六阀门、第七阀门和地源侧水泵；第二换热器的用户侧通过与环境换热制取热水经第四阀门进入热泵机组地源侧放热，然后，经第五阀门、第二换热器水泵回到第二换热器；用户回水经用户侧集水器到热泵机组用户侧被加热，然后经用户侧水泵、用户侧分水器、第一阀门回到用户；该模式下，第二换热器与热泵机组结合，实现了从环境取热、经热泵机组提升温度后向用户直接供热，满足用户供暖、供生活热水的需求。

本发明所述方法中，其特征在于：所述模式a与模式c组合，可实现同时供生活热水和补热、或同时供冷和补热。

本发明在常规土壤源热泵基础上增加第二换热器及其附件，根据室外空气温度的变化和负荷特征，***可实现多种运行模式。夏季或冬季，常规土壤源热泵***向土壤中排热或从中取热，向用户提供空调、采暖和生活热水。非采暖季，当室外空气温度较高时，第二换热器可从环境取热、经热泵机组提升温度后向土壤补热，实现第二换热器热泵补热模式；当室外空气温度进一步升高或太阳辐射较强时，第二换热器可直接从环境取热向土壤补热，实现第二换热器直接补热模式。非采暖期需供应生活热水时，可采用第二换热器从环境取热、经热泵机组提升温度后向用户供热，实现第二换热器的热泵供热，满足用户生活热水需求，大大减少热泵机组从地下的取热。采暖初末期，当室外空气温度较高或太阳辐射较强时，可采用第二换热器从环境取热、经热泵机组提升温度向用户供热，实现第二换热器热泵供热模式，满足用户采暖需求。第二换热器热泵供热模式减少了***从地下的取热，缩小了土壤全年热不平衡；同时，由于空气温度较高或太阳辐射较强，第二换热器的出水温度可能比地埋管换热器的出水温度高，因而，第二换热器热泵供热模式比常规土壤源热泵供热能效比更高。

本发明与现有供热空调***相比具有如下突出性优点：

①增加第二换热器作为辅助设备，所需的初投资较低，且管道连接形式简单，适用于新建或改建的土壤源热泵工程；②第二换热器热泵供热模式可减少***从土壤中的取热，同时第二换热器直接补热和第二换热器热泵补热模式又可增大向土壤的补热量，使得土壤全年的取热量与“补热+排热量”基本相等，有效解决了土壤源热泵在北方地区热负荷为主的建筑中出现的土壤热不平衡问题，保证了土壤源热泵的长期可靠运行；③第二换热器可充分利用空气中的热能或太阳能进行补热或直接供热，***运行能耗较少、运行费用较低。相对于传统化石燃料燃烧的供暖方式，具有较高的一次能源效率和明显的节能性。

总的来说，本发明以低初投资、低运行能耗和简单的***连接形式，解决北方地区常规土壤源热泵***的土壤热不平衡问题，具有较高的节能性和经济性，有助于土壤源热泵***在北方地区的合理推广与应用。

附图说明

图1是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***的结构原理图。

图2是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***土壤源热泵供热或供冷模式的示意图。

图3是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***第二换热器热泵补热模式的示意图。

图4是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***第二换热器直接补热模式的示意图。

图5是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***第二换热器热泵供热模式的示意图。

其中：1-用户；2-第一换热器；3-第三阀门；4-第二换热器；5-第二换热器水泵；6-第四阀门；7-第五阀门；8-第六阀门；9-地源侧集水器；10-地埋管；11-第七阀门；12-地源侧分水器；13-地源侧水泵；14-热泵机组；15-用户侧水泵；16-用户侧分水器；17-用户侧集水器；18-第一阀门；19-第二阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和运行方式做进一步说明。

图1是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***的结构原理图，包括热泵机组14、地埋管10、用户1、地源侧集水器9、地源侧分水器12、地源侧水泵13、用户侧水泵15、用户侧分水器16、第一阀门18和用户侧集水器17；所述热泵机组14用户侧的出口依次连接用户侧水泵15、用户侧分水器16、第一阀门18、用户1和用户侧集水器17回到热泵机组14用户侧，构成热泵机组用户侧供暖供冷回路；所述热泵机组14地源侧的出口依次连接地源侧集水器9、地埋管10、地源侧分水器12和地源侧水泵13回到热泵机组14地源侧，构成热泵机组地源侧制暖制冷回路；所述的从环境取热的土壤源热泵***还包括第一换热器2、第二换热器4、第二换热器水泵5、第二阀门19、第三阀门3、第四阀门6、第五阀门7、第六阀门8和第七阀门11；所述的第一换热器2的热泵机组用户侧出口依次连接用户侧集水器17、热泵机组14用户侧、用户侧水泵15、用户侧分水器16和第二阀门19回到第一换热器2，构成第一换热器的热泵机组用户侧回路；所述的第二换热器4的用户侧出口依次连接第三阀门3、第一换热器2的第二换热器侧和第二换热器水泵5回到第二换热器4，构成第二换热器热泵补热回路；所述的第二换热器4的用户侧出口依次连接第六阀门8、地源侧集水器9、地埋管10、地源侧分水器12、第七阀门11和第二换热器水泵5回到第二换热器4，构成第二换热器直接补热回路；所述的第二换热器4的用户侧出口依次连接第四阀门6、热泵机组14地源侧、第五阀门7和第二换热器水泵5回到第二换热器4，构成第二换热器直接供暖回路。

所述的一种从环境取热的土壤源热泵***，所述的热泵机组14采用在制冷制热工况转换模式下的制冷剂侧切换或外部水路侧切换两种结构形式。所述的第二换热器4采用风冷换热器、太阳能集热器和溶液喷淋式换热器中的一种或几种的组合。

本发明所述的从环境取热的土壤源热泵的运行方法，包括以下几种独立的运行模式：

a.土壤源热泵供热或供冷模式：当用户具有供暖、供生活热水或供冷需求，且第二换热器不满足运行条件时，关闭第二阀门19、第三阀门3、第四阀门6、第五阀门7、第六阀门8、第七阀门11和第二换热器水泵5；地埋管10出水经地源侧分水器12和地源侧水泵13进入热泵机组14地源侧，为热泵机组14提供低位热源或冷源，然后，经地源侧集水器9回到地埋管10；用户回水经用户侧集水器17进入热泵机组14用户侧被加热或降温，然后，经用户侧水泵15、用户侧分水器16和第一阀门18回到用户1，采用土壤源热泵用于供暖、供生活热水或供冷；

b.第二换热器热泵补热模式：当非采暖期的室外空气温度较高时，且用户该时刻无生活热水需求时，关闭第一阀门18、第四阀门6、第五阀门7、第六阀门8和第七阀门11，用户1停止供热或供冷；第二换热器4的用户侧通过与环境换热制取热水经第三阀门3进入第一换热器2的第二换热器侧放热，然后，经第二换热器水泵5回到第二换热器4；热泵机组14用户侧出水经用户侧水泵15、用户侧分水器16和第二阀门19进入第一换热器2的热泵机组用户侧被加热，然后，经用户侧集水器17回到热泵机组14用户侧放热；地埋管10出水经地源侧分水器12和地源侧水泵13进入热泵机组14地源侧被加热，然后，经地源侧集水器9回到地埋管10；该模式下，第二换热器4与热泵机组14结合，实现了从环境取热、经热泵机组提升温度后向土壤补热；该模式下，室外气温较高，热泵机组具有较高的能效比，同时具有补热水温较高、补热量大的特点；

c.第二换热器直接补热模式：当非采暖期的室外空气温度进一步升高或太阳能辐射较强时，关闭第一阀门18、第二阀门19、第三阀门3、第四阀门6、第五阀门7、用户侧水泵15和地源侧水泵13，热泵机组14停止运行；地埋管10出水经地源侧分水器12、第七阀门11、第二换热器水泵5进入第二换热器4的用户侧被加热，然后，经第六阀门8和地源侧集水器9回到地埋管10；该模式下，室外气温比模式b更高或太阳辐射更强，第二换热器4可直接从环境获得较多对流或辐射热量制取较高温度的热水，不通过热泵机组14而直接向土壤补热，相对于模式b具有更高的能效比。

d.第二换热器热泵供热模式：采暖初末期或非采暖期，当室外空气温度较高或太阳辐射较强时，关闭第二阀门19、第三阀门3、第六阀门8、第七阀门11和地源侧水泵13，地埋管10停止运行；第二换热器4的用户侧通过与环境换热制取热水经第四阀门6进入热泵机组14地源侧放热，然后，经第五阀门7、第二换热器水泵5回到第二换热器4；用户回水经用户侧集水器17到热泵机组14用户侧被加热，然后经用户侧水泵15、用户侧分水器16、第一阀门18回到用户1。采暖初末期，采用第二换热器4从环境取热并通过热泵机组14提升温度后向用户1供暖，可减少***从土壤的取热量，减缓土壤热不平衡现象；此外，特别是采暖末期，经过整个供暖季的取热，地埋管10的出水温度较低，而采用第二换热器4从环境取热制取热水温度较高，该模式下热泵机组14的能效比比土壤源热泵更高。类似地，当非采暖期用户1有生活热水需求，同时室外气温较高或太阳辐射较强时，采用该模式制取生活热水与土壤源热泵相比具有同样的优势。

上述几种运行模式中，若模式a与模式c组合，可实现非采暖期的同时供生活热水和补热、或夏季的同时供冷和补热。

图2是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***土壤源热泵供热或供冷模式的示意图，当用户具有供暖、供生活热水或供冷需求，且第二换热器不满足运行条件时，地埋管10出水经地源侧分水器12和地源侧水泵13进入热泵机组14地源侧，为热泵机组14提供低位热源或冷源，然后，经地源侧集水器9回到地埋管10；用户回水经用户侧集水器17进入热泵机组14用户侧被加热或降温，然后，经用户侧水泵15、用户侧分水器16和第一阀门18回到用户1，采用土壤源热泵用于供暖、供生活热水或供冷。

图3是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***第二换热器热泵补热模式的示意图，与图2所示运行模式不同的是，该模式下用户1停止供暖或供冷；当非采暖期的室外空气温度较高时，且用户该时刻无生活热水需求时，第二换热器4的用户侧通过与环境换热制取热水经第三阀门3进入第一换热器2的第二换热器侧放热，然后，经第二换热器水泵5回到第二换热器4；热泵机组14用户侧出水经用户侧水泵15、用户侧分水器16和第二阀门19进入第一换热器2的热泵机组用户侧被加热，然后，经用户侧集水器17回到热泵机组14用户侧放热；地埋管10出水经地源侧分水器12和地源侧水泵13进入热泵机组14地源侧被加热，然后，经地源侧集水器9回到地埋管10；该模式下，第二换热器4与热泵机组14结合，实现了从环境取热、经热泵机组提升温度后向土壤补热；该模式下，室外气温较高，热泵机组具有较高的能效比，同时具有补热水温较高、补热量大的特点。

图4是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***第二换热器直接补热模式的示意图，与图2所示运行模式不同的是，热泵机组14停止运行；当非采暖期的室外空气温度进一步升高或太阳能辐射较强时，地埋管10出水经地源侧分水器12、第七阀门11、第二换热器水泵5进入第二换热器4的用户侧被加热，然后，经第六阀门8和地源侧集水器9回到地埋管10；该模式下，室外气温比模式b更高或太阳辐射更强，第二换热器4可直接从环境获得较多对流或辐射热量制取较高温度的热水，不通过热泵机组14而直接向土壤补热，相对于模式b具有更高的能效比。

图5是本发明提供的从环境取热的土壤源热泵***第二换热器热泵供热模式的示意图，与图2所示运行模式不同的是，采暖初末期或非采暖期，当室外空气温度较高或太阳辐射较强时，第二换热器4的用户侧通过与环境换热制取热水经第四阀门6进入热泵机组14地源侧放热，然后，经第五阀门7、第二换热器水泵5回到第二换热器4；用户回水经用户侧集水器17到热泵机组14用户侧被加热，然后经用户侧水泵15、用户侧分水器16、第一阀门18回到用户1。采暖初末期，采用第二换热器4从环境取热并通过热泵机组14提升温度后向用户1供暖，可减少***从土壤的取热量，减缓土壤热不平衡现象；此外，特别是采暖末期，经过整个供暖季的取热，地埋管10的出水温度较低，而采用第二换热器4从环境取热制取热水温度较高，该模式下热泵机组14的能效比比土壤源热泵更高。类似地，当非采暖期用户1有生活热水需求，同时室外气温较高或太阳辐射较强时，采用该模式制取生活热水与土壤源热泵相比具有同样的优势。

Claims (4)

1.一种从环境取热的土壤源热泵***，包括热泵机组(14)、地埋管(10)、用户(1)、地源侧集水器(9)、地源侧分水器(12)、地源侧水泵(13)、用户侧水泵(15)、用户侧分水器(16)、第一阀门(18)和用户侧集水器(17)；所述热泵机组(14)的用户侧出口依次连接用户侧水泵(15)、用户侧分水器(16)、第一阀门(18)、用户(1)和用户侧集水器(17)回到热泵机组(14)用户侧，构成热泵机组用户侧供暖供冷回路；所述热泵机组(14)地源侧的出口依次连接地源侧集水器(9)、地埋管(10)、地源侧分水器(12)和地源侧水泵(13)回到热泵机组(14)地源侧，构成热泵机组地源侧制暖制冷回路；其特征在于：所述的从环境取热的土壤源热泵***还包括第一换热器(2)、第二换热器(4)、第二换热器水泵(5)、第二阀门(19)、第三阀门(3)、第四阀门(6)、第五阀门(7)、第六阀门(8)和第七阀门(11)；所述的第一换热器(2)的热泵机组用户侧出口依次连接用户侧集水器(17)、热泵机组(14)用户侧、用户侧水泵(15)、用户侧分水器(16)和第二阀门(19)回到第一换热器(2)，构成第一换热器的热泵机组用户侧回路；所述的第二换热器(4)的用户侧出口依次连接第三阀门(3)、第一换热器(2)的第二换热器侧和第二换热器水泵(5)回到第二换热器(4)，构成第二换热器热泵补热回路；所述的第二换热器(4)的用户侧出口依次连接第六阀门(8)、地源侧集水器(9)、地埋管(10)、地源侧分水器(12)、第七阀门(11)和第二换热器水泵(5)回到第二换热器(4)，构成第二换热器直接补热回路；所述的第二换热器(4)的用户侧出口依次连接第四阀门(6)、热泵机组(14)地源侧、第五阀门(7)和第二换热器水泵(5)回到第二换热器(4)，构成第二换热器直接供暖回路。

2.根据权利要求1所述的一种从环境取热的土壤源热泵***，其特征在于：所述的热泵机组(14)采用在制冷制热工况转换模式下的制冷剂侧切换或外部水路侧切换两种结构形式。

3.根据权利要求1所述的一种从环境取热的土壤源热泵***，其特征在于：所述的第二换热器(4)采用风冷换热器、太阳能集热器和溶液喷淋式换热器中的一种或几种的组合。

4.采用如权利要求1所述***的一种从环境取热的土壤源热泵的运行方法，其特征在于所述方法包括以下几种独立的运行模式：

a.土壤源热泵供热或供冷模式：关闭第二阀门(19)、第三阀门(3)、第四阀门(6)、第五阀门(7)、第六阀门(8)、第七阀门(11)和第二换热器水泵(5)；地埋管(10)出水经地源侧分水器(12)和地源侧水泵(13)进入热泵机组(14)地源侧，为热泵机组(14)提供低位热源或冷源，然后，经地源侧集水器(9)回到地埋管(10)；用户回水经用户侧集水器(17)进入热泵机组(14)用户侧被加热或降温，然后，经用户侧水泵(15)、用户侧分水器(16)和第一阀门(18)回到用户(1)，用于供暖、供生活热水或供冷；

b.第二换热器热泵补热模式：关闭第一阀门(18)、第四阀门(6)、第五阀门(7)、第六阀门(8)和第七阀门(11)，用户(1)停止供热或供冷；第二换热器(4)的用户侧通过与环境换热制取热水经第三阀门(3)进入第一换热器(2)的第二换热器侧放热，然后，经第二换热器水泵(5)回到第二换热器(4)；热泵机组(14)用户侧出水经用户侧水泵(15)、用户侧分水器(16)和第二阀门(19)进入第一换热器(2)的热泵机组用户侧被加热，然后，经用户侧集水器(17)回到热泵机组(14)用户侧放热；地埋管(10)出水经地源侧分水器(12)和地源侧水泵(13)进入热泵机组(14)地源侧被加热，然后，经地源侧集水器(9)回到地埋管(10)；该模式下，第二换热器(4)与热泵机组(14)结合，实现了从环境取热、经热泵机组提升温度后向土壤补热；

c.第二换热器直接补热模式：关闭第一阀门(18)、第二阀门(19)、第三阀门(3)、第四阀门(6)、第五阀门(7)、用户侧水泵(15)和地源侧水泵(13)，热泵机组(14)停止运行；地埋管(10)出水经地源侧分水器(12)、第七阀门(11)、第二换热器水泵(5)进入第二换热器(4)的用户侧被加热，然后，经第六阀门(8)和地源侧集水器(9)回到地埋管(10)；该模式下，第二换热器(4)实现了从环境取热并直接向土壤补热；

d.第二换热器热泵供热模式：关闭第二阀门(19)、第三阀门(3)、第六阀门(8)、第七阀门(11)和地源侧水泵(13)；第二换热器(4)的用户侧通过与环境换热制取热水经第四阀门(6)进入热泵机组(14)地源侧放热，然后，经第五阀门(7)、第二换热器水泵(5)回到第二换热器(4)；用户回水经用户侧集水器(17)到热泵机组(14)用户侧被加热，然后经用户侧水泵(15)、用户侧分水器(16)、第一阀门(18)回到用户(1)；该模式下，第二换热器(4)与热泵机组(14)结合，实现了从环境取热、经热泵机组提升温度后向用户(1)直接供热，满足用户供暖、供生活热水的需求；

e.模式a与模式c组合：实现同时供生活热水和补热、或同时供冷和补热。