CN106382767B - 地下水量贫乏区域的地热综合利用*** - Google Patents

地下水量贫乏区域的地热综合利用*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及能源供热和空调技术领域，特别是涉及一种地下水量贫乏区域的地热综合利用***，包括：热泵***、室外地源换热***、室内空调末端***和太阳能发电***。供热时，通过室外地源换热***吸取土壤中的热量，经后，将热能传递到室内空调末端***，对室内供热；制冷时，热泵***做功，通过室内空调末端***吸取室内的热量，并通过室外地源换热***散热，实现室内制冷的目的；热泵***做功所需要的电能由太阳能发电***直接提供。通过本发明提供的技术方案，能最大化的利用浅层地热能源，满足地下水量贫乏区域对地源热泵***供热和供冷的稳定需求。

Description

地下水量贫乏区域的地热综合利用***
技术领域
本发明涉及能源供热和空调技术领域，特别是涉及一种地下水量贫乏区域的地热综合利用***。
背景技术
随着人们环保意识的逐步加深，人们迫切的希望利用一种清洁能源取代燃煤锅炉来满足人们的生活需要。地源热泵空调作为一种清洁、节能、环保新技术很快被人们认识和接受。但因不同地方环境和地貌的差异，地源热泵***的推广应用中经常会出现一些差强人意的地方，导致***运行不稳定。尤其是在一些地下水量不足的地方，少量的循环水无法满足高负荷制冷工况下的散热需求，传统的地源热泵***仅能满足冬季供热的需求，而无法稳定制冷，达不到地源热泵***稳定供热和制冷的预期效果。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，能最大化的利用浅层地热能源，并以太阳能作为补充，满足地下水量贫乏区域对地源热泵***供热和供冷的稳定需求。
本发明提供的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，包括：热泵***、室外地源换热***、室内空调末端***和太阳能发电***；所述热泵***包括：压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器、入口四通换向阀和出口四通换向阀，压缩机、蒸发器、膨胀阀和冷凝器依次相连形成回路；所述室外地源换热***包括：换热器和地热循环泵，换热器的出口与地热循环泵的入口通过管道连接；所述室内空调末端***包括：风机盘管和风机循环泵，风机盘管的出口与风机循环泵的入口通过管道连接；蒸发器的入口与入口四通换向阀的两个端口连接后，分别与地热循环泵的出口和风机循环泵的出口连接；冷凝器的入口与入口四通换向阀的另两个端口连接后，分别与地热循环泵的出口和风机循环泵的出口连接；蒸发器的出口与出口四通换向阀的两个端口连接后，分别与换热器入口和风机盘管的入口连接；冷凝器的出口与出口四通换向阀的另两个端口连接后，分别与换热器入口和风机盘管的入口连接；所述太阳能发电***包括：太阳能电池组、汇流箱、蓄电池和逆变器，太阳能电池组产生的直流电经汇流箱汇流后先进入蓄电池储存，再通过逆变器将蓄电池的直流电逆变成供所述热泵机组直接使用的正弦交流电。
本发明通过所述室外地源换热***吸收土壤中的热量为所述热泵***供能，再通过输入所述太阳能发电***提供的少量电能，实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热媒和夏季制冷的冷媒，通过所述室内空调末端***实现与室内的冷热交换，达到室内冬暖夏凉的效果；供热和制冷工况的切换，通过所述热泵***入口四通换向阀和出口四通换向阀控制循环水的流向来实现。
在供热工况下，室外地源换热***中的室外循环水通过所述换热器在地埋孔内吸取土壤热量后，由所述地热循环泵送入所述热泵***；所述热泵***通过入口四通换向阀和出口四通换向阀控制循环水的流向，使室外循环水先进入所述蒸发器放热，将热量传递给热媒，降温后返回地埋孔再次吸热，形成室外循环。所述热泵***通过所述压缩机做功，将在所述蒸发器吸收完热量的热媒传递给所述冷凝器，并在所述冷凝器中完成热媒与室内空调末端***中的室内循环水的热交换；传热降温后的热媒通过所述膨胀阀减压后，重新流入所述蒸发器再次吸热，形成热泵供热循环。室内循环水吸取所述冷凝器的热量达到供暖温度后，通过所述风机循环泵输送到所述风机盘管，完成室内放热，降温后返回冷凝器再次吸热，形成室内循环。室内空气吸收风机盘管带来的热量，达到供暖效果。
在制冷工况下，室外地源换热***中的室外循环水通过所述换热器在地埋孔内将热量释放给土壤，后由所述地热循环泵送入所述热泵***的冷凝器，吸收冷媒中的热量，而后返回地埋孔再次释放热量，形成室外循环。所述热泵***做功，将在所述冷凝器中完成放热的冷媒传递给所述蒸发器，并在所述蒸发器中吸收室内空调末端***中室内循环水的热量；吸热升温后的冷媒重新流入所述冷凝器再次放热，形成热泵制冷循环。经所述蒸发器放热降温的室内循环水，通过所述风机循环泵输送到所述风机盘管吸取室内热量，而后返回所述蒸发器再次放热，完成室内循环，实现室内降温的目的。
同时，利用热泵***做功的卡诺循环原理：Q2＝Q1+W(Q2为用户利用的能、Q1为***提取的地热能、W为***使用的电能)，在水量不足，制冷负荷较大时，必需加大电能的功率来提高热泵***做功效率和水循环的速度，才能满足制冷需求。其中增加的电能由***中的太阳能发电***提供。
进一步地，上述换热器为圆柱形，换热器的上端面设有换热器入口和换热器出口，换热器入口与换热器内部设置的螺旋状的进流道上端相连，换热器出口与换热器中心设置的出流道的上端相连，进流道和出流道的另一端在换热器内部靠近底端的位置相连。通过螺旋状的进流道，加大室外循环水与土壤之间的热交换面积，提高单位循环水的换热效率，在循环水量较少的情况下，保证单次循环的热交换量。
进一步地，上述换热器材质为铜合金，导热系数高，增大单次循环中循环水的热交换量。
进一步地，上述地热循环泵为螺杆泵；螺杆泵电能驱动型热泵，可提取更多热量。
进一步地，上述冷凝器的出口处设置有流量控制阀，通过该流量控制阀调节循环水流量，实现调节热泵***对单次循环水做功时间的目的，达到控制室内温度的效果。
进一步地，上述流量控制阀为温度控制阀，且该流量控制阀的温度传感器设置在冷凝器上。温度传感器内的感温液体体积随着冷凝器中的温度变化相应的膨胀或收缩。冷凝器中温度高于设定值时，感温液体膨胀，推动上述流量控制阀的阀芯向下调小阀门，减少循环水的流量，以增加冷凝时间，降低冷媒或热媒的温度；冷凝器中温度低于设定值时，感温液体收缩，复位弹簧推动上述流量控制阀的阀芯调大阀门，增加循环水的流量，以减少冷凝时间，提高冷媒或热媒的温度；通过对冷媒和热媒的温度控制，实现室内温度的自动控制。
进一步地，上述太阳能发电***还包括一个控制器，该控制器与上述温度传感器相连，按***需要自动控制太阳能电池组的功率，提高太阳能电池组的使用寿命。
进一步地，上述室外地源换热***还包括一个冷却塔，该冷却塔与上述换热器通过管道并联。在机组制冷工况时，若检测到地热孔中的土壤温度过高，则通过上述冷却塔辅助降温，达到冷却水温的标准。
进一步地，上述冷却塔靠近出口四通换向阀一端的连接管道上设置有冷却塔阀门，上述换热器靠近出口四通换向阀一端的连接管道上设置有换热器阀门；通过上述冷却塔阀门和换热器阀门的组合，可选择的控制冷却塔和换热器的同时开启，或单一开启，弥补水量较小时循环水散热效率的不足，满足同制冷负荷下的散热需求，实现夏季稳定制冷。
进一步地，上述地热循环泵的出口和换热器的入口之间设置有压力平衡阀，用以平衡室外循环***的循环水压力，避免因压力不均导致的地热循环泵损坏或功率不稳。
采用以上技术方案，本发明实现了在地下水量贫乏区域，利用地热***对室内稳定供热和供冷的目的。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明换热器的结构示意图；
图3为本发明太阳能发电***的结构示意图；
图4为本发明供热工况结构原理示意图；
图5为本发明制冷工况结构原理示意图；
图6为本发明含冷却塔的制冷工况结构原理示意图。
附图标记：1-热泵***；11-冷凝器；12-膨胀阀；13-蒸发器；14-压缩机；15-入口四通换向阀；151～154-入口四通换向阀端口；16-出口四通换向阀；161～164-出口四通换向阀端口；17-流量控制阀；18-温度传感器；2-室外地源换热***；21-换热器；211-换热器入口；212-换热器出口；213-进流道；214-出流道；22-地热循环泵；23-压力平衡阀；24-冷却塔；25-冷却塔阀门；26-换热器阀门；3-室内空调末端***；31-风机盘管；32-风机循环泵；4-太阳能发电***；41-太阳能电池组；42-汇流箱；43-蓄电池；44-逆变器；45-控制器
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围，凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
实施例1：如图1至图5所示，本发明提供的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，包括：热泵***1、室外地源换热***2、室内空调末端***3和太阳能发电***4。热泵***1包括：冷凝器11、膨胀阀12、蒸发器13、压缩机14、入口四通换向阀15和出口四通换向阀16；压缩机14、蒸发器13、膨胀阀12和冷凝器11依次通过管道相连，形成冷媒或热媒流通的回路。
室外地源换热***2包括：换热器21和地热循环泵22；该换热器21为铜合金材料的圆柱形，导热性能优异，其上端面设有换热器入口211和换热器出口212，换热器入口211与换热器21内部设置的螺旋状的进流道213上端相连，换热器出口212与换热器21中心设置的出流道214的上端相连，进流道213 和出流道214的另一端在换热器21内部靠近底端的位置相连形成通路，加大室外循环水与土壤之间的热交换面积，在循环水量较少的情况下，保证单次循环的热交换量；地热循环泵22为电能驱动型螺杆泵，热量提取更高；换热器出口212与地热循环泵22的入口通过管道连接。
室内空调末端***3包括：风机盘管31和风机循环泵32，风机盘管31的出口与风机循环泵32的入口通过管道连接。蒸发器13的入口与入口四通换向阀15的端口151和端口153连接后，分别与地热循环泵22的出口和风机循环泵32的出口连接；冷凝器11的入口与入口四通换向阀15的端口152和端口154连接后，分别与地热循环泵22的出口和风机循环泵32的出口连接；蒸发器13的出口与出口四通换向阀16的端口162和端口164连接后，分别与换热器入口211和风机盘管31的入口连接；冷凝器11的出口与出口四通换向阀16的端口161和端口163连接后，分别与换热器入口211和风机盘管31的入口连接；通过入口四通换向阀15和出口四通换向阀16控制循环水的流向，形成不同的室外循环回路和室内循环回路，从而实现供热和制冷工况的切换。
室外地源换热***2吸收土壤中的热量为热泵***1供能，热泵***1做功遵循卡诺循环原理，即Q2＝Q1+W(Q2为用户利用的能、Q1为***提取的地热能、W为***使用的电能)，通过输入太阳能发电***4提供的少量电能，可以实现低温位热能向高温位转移。太阳能发电***4包括太阳能电池组41、汇流箱42、蓄电池43、逆变器44和控制器46；太阳能电池组41产生的直流电经汇流箱42汇流后先进入蓄电池43储存，再通过逆变器44将蓄电池的直流电逆变成可供热泵***1直接使用的正弦交流电，且该太阳能发电***4的发电功率由控制器45自动调节，调节依据来源于冷凝器11上温度传感器18的温度信息。水体分别作为冬季热泵供暖的热媒和夏季制冷的冷媒，通过室内空调末端***3实现与室内的冷热交换，达到室内冬暖夏凉的效果。
同时，冷凝器11的出口处设置有流量控制阀17，且该流量控制阀17为温度控制阀，其温度传感器18设置在冷凝器11上。温度传感器18的控制作用为比例调节，其内的感温液体体积随着冷凝器11中的温度变化均匀的膨胀或收缩。冷凝器11中温度高于设定值时，感温液体膨胀，推动流量控制阀17的阀芯向下调小阀门，减少循环水的流量，以增加冷凝时间，降低冷媒或热媒的温度；冷凝器11中温度低于设定值时，感温液体收缩，复位弹簧推动流量控制阀17的阀芯调大阀门，增加循环水的流量，以减少冷凝时间，提高冷媒或热媒的温度；通过流量控制阀17调节循环水流量，控制热泵***1对单次循环水的做功时间，实现对冷媒和热媒的温度控制，达到自动控制室内温度的目的。
如图4所示，***供热时，室外地源换热***2中的室外循环水通过换热器21在地埋孔内吸取土壤热量后，由地热循环泵22送入热泵***1中。此时，入口四通换向阀15的第一端口151和第四端口154打开，第二端口152和第三端口153关闭；出口四通换向阀16的第二端口162和第三端口163打开，第一端口161和第四端口164关闭；使室外循环水先进入蒸发器13放热，将热量传递给热媒，降温后返回地埋孔再次吸热，形成室外循环。热泵***1通过压缩机14做功，将在蒸发器13中吸收完热量的热媒传递给冷凝器11，并在冷凝器11中完成热媒与室内空调末端***3中的室内循环水的热交换；传热降温后的热媒通过膨胀阀12减压后，重新流入蒸发器13再次吸热，形成热泵供热循环。室内循环水吸取冷凝器11的热量达到供暖温度后，通过风机循环泵32输送到室内的风机盘管31，完成室内放热，降温后返回冷凝器11再次吸热，形成室内循环。室内空气吸收风机盘管31带来的热量，达到供暖效果。
如图5所示，***制冷时，入口四通换向阀15的第一端口151和第四端口154关闭，第二端口152和第三端口153打开；出口四通换向阀16的第二端口162和第三端口163关闭，第一端口161和第四端口164打开；室外地源换热***2中的室外循环水通过换热器21在地埋孔内将热量释放给土壤，后由地热循环泵22送入热泵***1的冷凝器11吸收冷媒中的热量，而后返回地埋孔再次释放热量，形成室外循环。热泵***1做功，将在冷凝器11中完成放热的冷媒传递给蒸发器13，并在蒸发器13中吸收室内循环水的热量，吸热升温后的冷媒重新流入冷凝器11再次放热，形成热泵制冷循环。经蒸发器13放热降温的室内循环水，通过风机循环泵32输送到风机盘管31吸取室内热量，而后返回蒸发器13再次放热，完成室内循环，实现室内降温的目的。
实施例2：如图6所示，本实施例所包括的部件，各部件的结构以及各部件之间的关系与实施例1相同，所不同的是，还包括冷却塔24、冷却塔阀门25、换热器阀门26和压力平衡阀23。
冷却塔24与换热器21通过管道并联，且冷却塔24靠近出口四通换向阀16一端的连接管道上设置冷却塔阀门25，换热器21靠近出口四通换向阀16一端的连接管道上设置换热器阀门26，通过冷却塔阀门25和换热器阀门26的组合，可选择的控制冷却塔24和换热器21的同时开启，或单一开启。地热循环泵22的出口和换热器入口211之间设置压力平衡阀23，平衡室外循环***2的循环水压力，避免因压力不均导致的地热循环泵22损坏或功率不稳。
***供热时，不需要冷却塔24工作。此时，冷却塔阀门25闭合将冷却塔24孤立，同时开启热器阀门26，保证室外循环的畅通，实现与实施例1相同的供热循环。
***制冷时，***循环状态与实施例的制冷循环相同。热泵***1制冷时的负荷增大，但因循环水量较少，限制***的散热能力，可能会导致地热孔中局部土壤的温度过高，无法稳定制冷。当检测到地热孔中的土壤温度过高时，打开冷却塔阀门25开启冷却塔24，通过冷却塔24辅助降温，弥补水量较小时循环水散热效率的不足，满足制冷负荷下的较大的散热需求，实现夏季稳定制冷的目的。
本发明提供的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，在缺水区域，采用地源热泵技术与太阳能发电技术相结合的方式，并通过高换热效率的土壤换热器，最大化的利用浅层地热能源，在夏季制冷时，加大电能的做功，整体提高***的功率，保证稳定的制冷负荷，满足地下水量贫乏区域对地源热泵***供热和供冷的稳定需求。

Claims (8)

1.一种地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，包括：热泵***、室外地源换热***、室内空调末端***和太阳能发电***；
所述热泵***包括：压缩机、蒸发器、膨胀阀、冷凝器、入口四通换向阀和出口四通换向阀，压缩机、蒸发器、膨胀阀和冷凝器依次相连形成回路；
所述室外地源换热***包括：换热器和地热循环泵，换热器的出口与地热循环泵的入口通过管道连接；
所述室内空调末端***包括：风机盘管和风机循环泵，风机盘管的出口与风机循环泵的入口通过管道连接；
蒸发器的入口与入口四通换向阀的两个端口连接后，分别与地热循环泵的出口和风机循环泵的出口连接；冷凝器的入口与入口四通换向阀的另两个端口连接后，分别与地热循环泵的出口和风机循环泵的出口连接；蒸发器的出口与出口四通换向阀的两个端口连接后，分别与换热器入口和风机盘管的入口连接；冷凝器的出口与出口四通换向阀的另两个端口连接后，分别与换热器入口和风机盘管的入口连接；
所述太阳能发电***包括：太阳能电池组、汇流箱、蓄电池和逆变器，太阳能电池组产生的直流电经汇流箱汇流后先进入蓄电池储存，再通过逆变器将蓄电池的直流电逆变成供所述热泵机组直接使用的正弦交流电；
所述冷凝器的出口处设置有流量控制阀，所述流量控制阀为温度控制阀，所述温度控制阀的温度传感器设置在冷凝器上，温度传感器内的感温液体体积随着冷凝器中的温度变化均匀的膨胀或收缩，冷凝器中温度高于设定值时，感温液体膨胀，推动流量控制阀的阀芯向下调小阀门，当冷凝器中温度低于设定值时，感温液体收缩，复位弹簧推动流量控制阀的阀芯调大阀门。
2.根据权利要求1所述的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，所述换热器为圆柱形，换热器的上端面设有换热器入口和换热器出口，换热器入口与换热器内部设置的螺旋状的进流道上端相连，换热器出口与换热器中心设置的出流道的上端相连，进流道和出流道的另一端在换热器内部靠近底端的位置相连。
3.根据权利要求2所述的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，所述换热器材质为铜合金。
4.根据权利要求1所述的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，所述地热循环泵为螺杆泵。
5.根据权利要求1所述的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，所述太阳能发电***还包括一个控制器，所述控制器与所述温度传感器相连，控制太阳能电池组的功率。
6.根据权利要求1所述的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，所述室外地源换热***还包括一个冷却塔，所述冷却塔与所述换热器通过管道并联。
7.根据权利要求6所述的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，所述冷却塔靠近出口四通换向阀一端的连接管道上设置有冷却塔阀门，所述换热器靠近出口四通换向阀一端的连接管道上设置有换热器阀门。
8.根据权利要求1所述的地下水量贫乏区域的地热综合利用***，其特征在于，所述地热循环泵的出口和换热器的入口之间设置有压力平衡阀。
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