CN201251322Y - 采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置 - Google Patents

Abstract

采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置，包括由带地下水库的水源性热源、水源热泵回路、变温空调负载回路、循环载热介质及连接管路，还包括由多个相互并联的储能水箱单元组成的储能水箱组，水源热泵回路与储能水箱组的各单元输入端并联连接，变温空调负载回路与储能水箱组的各单元输出端并联连接，由此，使得***具有较高的***冷热量输出储备容量与较高的***运行可靠性，并能通过储能运行使变温空调保持连续输出与输出温度平稳。并具有充足的地下水源性热源储存容量和较低的运行能耗成本。

Description

采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置

技术领域

本实用新型涉及水源热泵空调***，尤其是涉及一种采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置技术。

背景技术

水源热泵***是一种利用地下浅层地能，包括地下水、或地表水等的既可供热又可制冷的高效建筑节能空调***，水源热泵技术利用地下水以及地表水源的过程当中，因存在打井和地下水回灌的高成本问题、地表水受环境温度影响较大、换热对水体生态环境的影响等问题，使其应用受到了一定的限制。

土壤埋管式水源热泵***是通过埋设土壤换热器来实现载热介质与岩壤的换热，浅层埋管深度浅，受地表气温、太阳辐射等因素影响较大，***稳定性低；深层的垂直埋管采用高承压聚乙烯塑料U型管，相应的相关材料费用与地孔钻掘费用大。土壤埋管式水源热泵***对土壤换热器的材质及地质结构的要求比较高，在单位面积上地热换热能量级别低，***投资较其它水源热泵方式要高，所以一般适用于温控标准较低、面积较小的居住类单体建筑，在温控可靠性与标准要求较高的大型空调工程中应用相对困难。

随着空调节能技术的进步，人们又对温控可靠性与标准要求较高的场合根据需要温控的特性提出在不同时间段内要求输出不同空调温度的变温空调节能运行模式，采用变温供暖与制冷时，要求输出温度保持平稳，并且***运行的可靠性高，即当主要供暖与制冷的热泵发生故障时，***仍能保证温控对象不受影响，适合这种应用场合的情况有高档宾馆、人工气候室、植物工厂甚至农用温室等要求较高温控可靠性与标准的大型空调工程，并要求***带有储备热泵等，因而热泵功率要求大、设备投资也大。

由于水源热泵是一种间隙式工作的变功率输出设备，现有技术仅仅通过间隙式直接输送次级循环载热介质的换热方式提供空调冷热能量，即水源热泵在供暖与制冷运行的同时不能进行储能运行，因而不能实现可靠与稳定的连续输出，难以满足温控可靠性与标准要求较高场合的变温空调节能运行模式要求；此外，现有技术热源部分容量低、升温快也是导致输入温度变动大、设备功耗大的直接原因，对于采用现有的带地下水库的循环地热换热装置等进行变温空调运行时，也需要进一步增加水源性热源的地下储存容量，同时减少施工复杂性与影响占地面积，为此，还需要寻找一种能够降低变温空调运行水源热泵投资成本和提高***运行可靠性的方法。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置，该装置可以降低设备的投资及运行成本，提高空调***的效率、可靠性和实现非间歇性的温度平稳连续输出。

本实用新型提供一种采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置，由地下水库、与地下水库相连接的水源热泵，和与水源热泵相连接的空调负载，及多个相互并联的储能水箱祖等所组成，其特征是：每个储能水箱通过一个输入选通开关阀与所述水源热泵的输出端相连接，且每个储能水箱通过一个输出选通开关阀与所述变温空调负载相连接。

所述的储能水箱组是由一个或以上的储能水箱所组成，多个储能水箱间相互并联连接。

所述的地下水库中设有吸热单元和散热单元，吸热单元和散热单元经选择与所述的水源热泵相连通。所述的水源热泵是包括一个或一个以上相互并联连接的水源热泵，水源热泵与至少二个循环输送泵、若干个开关阀门组成可换向连接输出供冷或供热能量的水源热泵回路。

所述的地下水库是经非开挖的***施工成形的地下水库、或者是由经非开挖水平钻进与顶管施工方式成形的地下埋管等所组成的地下水库、或者上述的组合。

所述的地下埋管至少是从金属管、或塑料管、或玻璃纤维管、或钢筋混凝土预制管中选择其一，或是选择上述的组合。

所述的地下埋管由内、外套管组成，其内套管与外套管之间设有保温材料。所述的地下水库由沿地层深度方向上的多层组成，每相邻两层之间的管壁间距为3米到8米。

本实用新型的采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置的优点是：由于***采用了包括由多个相互并联的储能水箱单元组成的储能水箱组，且每个储能水箱通过一个输入选通开关阀与所述水源热泵的输出端相连接，使得***在温控可靠性与温控标准要求较高的变温空调运行时，具有充足的地下水源性热源储存容量和较低的运行能耗成本，且水源热泵与***设备投资成本比现有技术大幅度降低，运行效率比现有技术提高；又由于***采用了每个储能水箱通过一个输出选通开关阀与所述变温空调负载相连接，使得***具有较高的***冷热量输出储备容量与较高的***运行可靠性，并能通过储能运行使变温空调保持连续输出与输出温度平稳。

附图说明

图1是本实用新型实施例的采用地下水库和水源热泵的储能式变温空调***的工作循环流程示意图。

图2是本实用新型一种带地下水库的水源热泵变温空调装置应用于一个设施农业的应用实施例。

图3是本实用新型一种带地下水库的水源热泵变温空调装置应用于一个城市民用建筑的应用实施例。

图4是本实用新型中采用***施工成形的地下水库的结构示意图。

图5是本实用新型中采用非开挖水平钻进与顶管施工成形的地下水库的结构示意图。

具体实施说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

变温空调是根据空调对象的需要特性可在不同时间段内输出不同空调温度的节能技术。如在白天需要的输出较大，夜晚需要的输出较小，或者相反，要求变温输出较大时温度保持平稳，通常需要按照最大输出功率配置热泵，考虑***运行可靠性要求时还必须增加储备热泵的设置，典型的应用工况包括如植物工厂等农用建筑。降低变温空调运行中的运行能耗、提高可靠性与输出温度稳定性等的关键是提高***的储能特性，通过提高***的储能特性，还可以减少热泵的配置数量或与配置功率。

如图1、图2、图5所示是本实用新型一种带地下水库的水源热泵储能式变温空调装置设或备构成农用建筑或农用温室内应用的一个实施例，由地下水库1、水源热泵回路2、循环载热介质3、地热换热循环供水回路4、空调负载回路5、工作水箱6、储能水箱组B、控制器8、电控与手动换向阀组等组成。其中，地下水库包括钻进与顶管地下水库102、埋地连通管111、保湿渗水管112、维修人孔113、保温材料层114；其中循环载热介质3包括次级循环载热介质311和终级循环载热介质312；电控与手动换向阀组包括加热循环通路开关阀K1、制冷循环通路开关阀K2、储能水箱输入选通开关阀K3-1、K3-2、K3-3、储能水箱输出选通开关阀K4、K5、K6；地热换热循环供水回路4中包括地下水库1、供水管道401、除污装置411、单向阀412、供水泵413、工作水箱6、电控与手动换向阀组等。所述的水源热泵回路2是由一个或一个以上相互并联连接的热泵201、至少两个循环输送泵及若干个开关阀门等组成的，其至少两个循环输送泵、若干个开关阀门与热泵201之间形成可换向输出供冷或供热能量的水源热泵回路。所述的储能水箱组B是由一个或多个储能水箱7所组成，储能水箱输入选通开关阀K3-1、K3-2、K3-3、输出选通开关阀K4、K5、K6与储能水箱7经相互连接成为并联式储能水箱组B。

空调负载回路5包括一般的空调负载回路和采用变温空调方法调控负载输出温度的变温空调负载回路，变温空调负载回路还包括间隙性工作的变温空调负载回路和非间隙地连续工作的变温空调负载回路。变温空调负载回路中包括变温空调循环管路或采暖与制冷循环管路501，采暖与制冷循环管路中又包括采暖循环管511与制冷循环管512或其他空调负载。

如图1所示的地热换热循环回路A中包括地热换热循环供水回路4和水源热泵回路2。经地热换热循环供水回路4的地下水库向工作水箱6供水循环，再从工作水箱6通过水源热泵回路2，经控制器8控制加热循环通路开关阀K1或制冷循环通路开关阀K2，及储能水箱输入选通开关阀K3-1、K3-2、K3-3向储能水箱组B的各储能水箱7储存地下水库中采集的冷热能量，形成地热换热循环。空调换热循环回路C包括变温空调负载回路5、电控与手动换向阀组等，从储能水箱7，经控制器8控制加热循环通路开关阀K1或制冷循环通路开关阀K2，及储能水箱输出选通开关阀K4、K5、K6，向变温空调负载回路中的负载释放输出供应变温空调的冷热能量，形成换热与变温空调换热循环。所述的输出变温空调能量是包括间隙性输出的变温空调能量和非间隙性连续输出的变温空调能量。

采用本实用新型的一种带地下水库的水源热泵储能式变温空调装置的各工作循环间的流程及各工作循环回路之间的相互关系，可参见其循环流程示意图，如图1所示：循环***包括地热换热循环回路A、并联式储能水箱组B和变温空调换热循环回路C。其中，地热换热循环回路A中包括地热换热循环供水回路4及水源热泵回路2，地热换热循环回路A的循环从其地下水库中采集冷热能量，并通过其地热换热循环供水回路4、水源热泵回路2，对后置的并联式储能水箱组B的各单元分别进行循环冷热能量储存。变温空调换热循环回路C包括变温空调负载回路5，变温空调换热循环回路C的循环从前置的并联式储能水箱组B的各储能水箱分别进行循环取送储存的冷热能量，并对其变温空调负载回路5输出变温空调能量，而且，地热换热循环与变温空调换热循环可以同时进行或者分别进行。

在控制器8的控制下，地热换热循环回路A经其地热换热循环供水回路4及水源热泵回路2进行能量采集循环后，与储能水箱组间进行能量储存循环，同时，变温空调换热循环回路C可与储能水箱组B间进行能量取送循环，并与负载间进行采暖与制冷的变温空调换热循环。水源热泵或负载可以分别或同时与多个相互并联的储能水箱进行连通切换，构成能量采集循环与释放循环，两者既可分别工作、又可同时工作的储能式变温采暖与制冷空调运行，满足昼夜间空调循环不间断的高标准变温空调运行要求。当采暖与制冷的热泵设备发生故障需要检修时，由于储能水箱组的储能作用，可以使得***不停止对负载的变温空调运行输出，即***恒定地预先保留一定供应时段的冷热能量储备，用于保障热泵停止工作时，如故障检修或高峰供电时段的***变温空调输出，因而***具备较低的运行能耗成本、较高的储能容量与较高的***运行可靠性，并能通过储能运行使变温空调保持连续输出与温度平稳，且热泵配置功率可以降低，***设备投资成本比现有技术大幅度降低，设备运行效率比现有技术提高。

在冬季的变温采暖运行模式中，水源热泵回路的输入端可与工作水箱6相连接，地热换热循环供水回路4经工作水箱6与水源热泵回路2进行能量采集循环。水源热泵回路2的输出端与储能水箱组B相连接，在此，储能水箱组B可以是由一个或以上的储能水箱7所组成，多个储能水箱7间可以相互并联连接，经控制器8控制，可以实现在包括变温采暖或制冷等变温空调运行中的多个储能水箱单元分别与水源热泵输出端相互切换连接，即分别通过电控与手动换向阀组与变温空调换热循环回路相切换连通，其中所有电控阀门均由控制器8按各种运行模式下设定的阀门开关状态或参数控制阀门开关动作，此时，控制加热循环通路的循环泵P1、开关阀K1全部接通，控制制冷循环通路的循环泵P2、开关阀K2全部关闭，储能水箱输入选通开关阀K3-1、K3-2、K3-3及输出选通开关阀K4、K5、K6根据控制参数选通，变温空调所需的热量分别经储能水箱输出选通开关阀K4、K5或K6，连续不断地供给变温空调负载回路中的负载，由此实现同步工作的储能式变温空调运行，使变温空调输出时保持温度平稳

当变温空调运行时需要输出较大的能量时，由于预先在储能水箱中储存了足够的预备的冷热能量，选用水源热泵设备的功率可以减小，设备投资成本比现有技术大幅度降低，且水源热泵在工作中可以避免采用一个大体积水箱替代、避免在实时工作状态下储能水箱单元上层输出终级循环载热介质温度达到要求时的加热等待、或避免因储能水箱单元过大而加热变慢，导致输出温度不稳定而需要增大水源热泵功率的情形，使用效率可大大提高。除了可以增加储能水箱组的运输与安装方便性，还可以在一定程度上保障万一***出现部分事故时，备用储能水箱单元可以继续变温空调输出，提高***运行可靠性。

在夏季的变温制冷运行模式中，由采暖模式向制冷模式转换时，水源热泵回路2的冷凝端与蒸发端的连接可在控制器8的控制下，经换向阀组K1、K2切换进行相互对换连接，此时，控制制冷循环通路的循环泵P2、开关阀K2全部接通，控制采暖循环通路的循环泵P1、开关阀K1全部关闭，储能水箱输入选通开关阀K3-1、K3-2、K3-3根据控制参数选通，变温空调所需的冷量分别经储能水箱单元输出选通开关阀K4、K5或K6，从选通的储能水箱单元输出，连续不断地供给变温空调负载回路中的负载，由此构成同步工作的储能式变温供冷运行。

水源热泵可采用一种或一种以上的水源热泵，如采用电水源热泵、燃油或燃气水源热泵、或固体生物质能燃料的燃料水源热泵。采用一种或一种以上的不同水源热泵间经搭配和并联连接供选择使用的优点是，除了可选用对农用温室生产成本影响较大的低成本燃料，还可以将其中的另一种水源热泵作为备用，以防突发事件时对生产的影响，进一步增加农用温室变温空调***的运行保障与可靠性。

储能水箱组B中可以配用换热器，地热换热循环回路中的次级循环载热介质311可以是水、或是水溶液中含有固态相变储能材料的液态流体，变温空调换热循环回路中的终级循环载热介质312也可以是包括水或醇类的液体等，液体中可含有固态相变储能材料液态流体。

在同步工作的储能式连续运行中，储能水箱组可以用作地热换热循环采集冷热量的储存，并同时经变温空调换热循环向变温空调负载回路输出冷热源，能满足地热换热循环回路冷热量采集及储存与变温空调换热循环回路冷热量供应输出同时运行、变温空调非间隙性即连续输出的高标准温控要求与高效运行要求，因而可以提高农用温室变温空调***输出温度的稳定性。

在分别工作的储能式间隙运行中，储能水箱组可单独用作地热换热循环采集冷热量的储存，也可单独经变温空调换热循环向变温空调负载回路输出冷热源。当采用峰谷电时段进行额外储备部分地热换热循环采集冷热量的储存，供作高峰用电时段变温空调输出时的储能冷热供应源时，可以配置如两个或两个以上较小功率的水源热泵对储能水箱组的不同水箱进行正常输出储能和备用储能的交替切换工作运行，由此，在带有备用水源热泵能保证***运行可靠性的同时，还可以降低***运行的能耗成本及提高设备利用率，并降低水源热泵等设备的投资成本。

变温空调负载回路中的负载如采暖或制冷循环管511、512可在农用温室内架空设置，通过采暖或制冷管内的循环冷热水产生管壁换热，对农用温室进行变温空调。除了对空气加热外，还可采用将上述采暖循环管511作如图所示的并联分叉，将其中一路或多路埋入农用温室土壤中作地中热式土壤埋管采暖加热，取得更好的农用温室内地面与地下热差平衡效果，夏季制冷时则可将土壤埋管的手动开关阀关闭。

如图1、图3、图4及图5所示是本实用新型一种带地下水库的水源热泵储能式变温空调装置或设备用于住宅建筑、或商用建筑、或工业建筑中应用的另一个实施例，它由地下水库1、水源热泵回路2、循环载热介质3、地热换热供水循环回路4、空调负载回路5、储能水箱组B、控制器8、吸热与散热单元9、电控与手动换向阀组等组成。如图3、图4及图5所示，地热换热循环供水回路4包括地下水库1、供水管道401、单向阀412、供水泵413、工作水箱6、电控与手动换向阀组K1、K2等。空调负载回路包括采暖与制冷循环管路501，采暖与制冷循环管路中又包括采暖循环管511、与制冷循环管512；循环载热介质3包括次级循环载热介质311、终级循环载热介质312；地下水库包括地下***固壁水库101、与之相连接的钻进与顶管地下水库102、埋地连通换热管111、保湿渗水管112、维修人孔113、保温材料层114；电控与手动换向阀组包括加热循环通路开关阀K1、制冷循环通路开关阀K2、储能水箱输入选通开关阀K3-1、K3-2、储能水箱输出选通开关阀K4-1、K4-2、K5-1、K5-2。空调负载回路5包括一般的空调负载回路和采用变温空调方法调控负载输出温度的变温空调负载回路。

地热换热与地热换热循环回路：地热换热循环回路A中包括地热换热循环供水回路4、水源热泵回路2。经设置在地热换热循环供水回路地下水库1中的吸热单元和散热单元9经开关阀门选择与水源热泵相连通。吸热与散热单元9可采用换热盘管，向水源热泵回路2提供循环采集的冷热能量，经控制器8控制加热循环通路开关阀K1或制冷循环通路开关阀K2，及储能水箱单元选通开关阀K3-1、K3-2，再通过水源热泵回路向储能水箱组B的各储能水箱7储存地下水库中采集的冷热能量，形成地热换热循环。

空调换热与变温空调换热循环回路：变温空调换热循环回路C中包括变温空调负载回路5、电控与手动换向阀组K1、K2等。控制器8控制加热循环通路开关阀K1或制冷循环通路开关阀K2，及储能水箱单元输出选通开关阀K4-1、K4-2、K5-1、K5-2，从储能水箱7向空调负载回路中的负载释放供应变温空调的冷热能量，形成换热与变温或不变温的空调换热循环。输出变温空调能量包括间断的变温空调能量和不间断地连续输出变温空调能量。

为了实现住宅建筑、商用建筑、或工业建筑室内需要的变温空调运行，可采用储能式的变温采暖运行，即水源热泵的蒸发端与设置在地下水库中的蒸发吸热盘管相连通后，进行吸热间接变温采暖运行；并且还可采用储能式的制冷运行，水源热泵的冷凝端与设置在地下水库中的冷凝散热盘管相连通后，进行散热间接变温制冷运行，或者可采用工作水箱6直接与设置在地下水库中的冷水输送管路相连通后进行的直接变温供冷运行。

变温空调负载回路中的负载可以是风机盘管或散热器511、512，或是温水型空调机等换热设备。除了对空气加热外，还可采用将上述采暖循环管511的采暖换热段作并联分叉，将其中一路或多路埋入建筑各房间内的地板中进行地板辐射采暖加热。为了更好地调节建筑各房间内空调的温度均匀性，变温采暖制冷循环管路中还可包括液流分配器。当储能水箱组中设置液-液换热器时，次级循环载热介质311可以是水，终级循环载热介质312可以是包括水或醇类的液体及液体中含有固态相变储能材料的液态流体。

地下水库可以包括一个或一个以上的地下水库，除了图4所示的采用包括经非开挖的***施工成形的循环地热换热式地下固壁水库101，还可采用如图5所示的经非开挖水平钻进与顶管施工方式埋管铺设的、适于建造直径大于660毫米以上的封闭管状容腔式循环地热换热式地下水库102，或是两者的结合，当封闭管状容腔式循环地热换热式地下水库的管径较大时，还可在地下水库上设置人孔113供作日后的维修维护进出；构成所述的封闭管状容腔的地下埋管可以是金属管、或塑料管、或玻璃纤维管、或钢筋混凝土预制管等、或是上述的组合。图5中所示的是一种采用***施工成形的地下固壁水库与经非开挖水平钻进与顶管施工方式埋管铺设成形的封闭管状容腔式地下水库进行贯通相交的组合，借用前者成为后者的维修人孔通道可以显著地减少施工作业量，此外，也可以采用非贯通相交的组合，相互间经埋地连通换热管111连接。当采用内、外套管组合的地下埋管时，其内套管与外套管间可设有保温材料层114，如与内管和外管相连的硬泡EPS发泡保温材料层，以利于提高储能保温式地下水库的保温效率，并构成储能保温式地下水库；当金属管采用钢管时，其内、外表面均可经表面防腐蚀涂层处理。

地下水库与其埋地连通换热管111组成土壤换热器，地下水库间经埋地连通管相连通，埋地连通换热管间的相邻间隔D的范围在1.5-6米，最佳的相邻间隔为3-4米，具体根据土壤组成与地下的湿度控制条件决定，一般地下埋设层的湿度状况下，如选择间隔为3米，可以取得较好的换热效率。

所述的地下水库包括经非开挖***施工成形的地下固壁水库、或经非开挖水平钻进与顶管施工成形的地下水库、或是上述的组合。当地下储能的容量不足需要进行储能容量扩容时，可采用两者组合的方式进行事后追加补救最为简单。采用非开挖水平钻进与顶管施工成形的地下水库时，可沿地层深度方向上进行上下相间的多层叠加设置，其上下层可同向设置或交叉向设置，其上下层之间叠加设置的最佳管壁间距在3-8米；此外，采用在水平方向上设置地下水库时，还可相间加设竖埋式土壤埋管的地热换热装置进行冷热量输出的补偿调节，以此构成地下立体式的储能保温场或储能换热场。所述的竖埋式土壤埋管的地热换热装置包括如中国专利ZL200520040450.X“一种竖埋式地热换热装置”所公布的土壤埋管的地热换热装置。

当建筑的地下岩土结构较为复杂时，往往还需要采用上述两者的组合，以此增加地下水库的储能容量和储能密度。地下水库设施在地表G以下，其最佳设置深度H是距地表G以下5米开始到第一储水层的深度，这样可以取得较理想的施工条件和较理想的岩土换热层换热湿度及保温与换热效果。此外，埋地换热管外壁钻地孔洞内可设置吸水保湿填料，当第一储水层较深时，可在埋地连通换热管换热影响区内可按一定的间隔距离夯压或钻管设置保湿渗水管112，定时从地面灌水用于保持埋地换热管设置深度上换热影响区域的传热湿度，以利于提高换热储能式地下水库的地热换热效率。地下水库可设置在农业温室、住宅建筑、商用建筑或工业建筑占地面积的地下或包括周围的辅助占地面积以内，这样可以完全免除对于建筑的占地等不良影响。

Claims (8)

1.采用地下水库与热泵的储能式变温空调装置，由地下水库、与地下水库相连接的水源热泵，和与水源热泵相连接的空调负载，及多个相互并联的储能水箱组所组成，其特征是：每个储能水箱通过一个输入选通开关阀与所述水源热泵的输出端相连接，且每个储能水箱通过一个输出选通开关阀与所述变温空调负载相连接。

2.根据权利要求1所述的变温空调装置，其特征是：所述的储能水箱组是由一个或一个以上的储能水箱所组成，多个储能水箱间相互并联连接。

3.根据权利要求1所述的变温空调装置，其特征是：所述的地下水库中设有吸热单元和散热单元，吸热单元和散热单元经选择与所述的水源热泵相连通。

4.根据权利要求2所述的的变温空调装置，其特征在于，所述的水源热泵是包括一个或一个以上相互并联连接的水源热泵，水源热泵与至少二个循环输送泵、若干个开关阀门组成可换向连接输出供冷或供热能量的水源热泵回路。

5.根据权利要求1所述的变温空调装置，其特征是：所述的地下水库是经非开挖的***施工成形的地下水库、或者是由经非开挖水平钻进与顶管施工方式成形的地下埋管所组成的地下水库、或者上述的组合。

6.根据权利要求5所述的变温空调装置，其特征是：所述的地下埋管至少是从金属管、或塑料管、或玻璃纤维管、或钢筋混凝土预制管中选择其一，或是选择上述的组合。

7.根据权利要求5所述的变温空调装置，其特征是：所述的地下埋管由内、外套管组成，其内套管与外套管之间设有保温材料。

8.根据权利要求7所述的变温空调装置，其特征是：所述的地下水库由沿地层深度方向上的多层组成，每相邻两层之间的管壁间距为3米到8米。

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