以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置的製作方法

2023-06-09 17:57:36 2

專利名稱：以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置的製作方法
技術領域：
以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置技術領域[0001]本實用新型是一種以地熱能為單一輔助冷熱源的、優化的水環熱泵式空調裝置， 特別適用於建築內年冷熱負荷結構變化較大的公共建築與民用建築。
背景技術：
[0002]傳統的水環熱泵空調裝置由室內的小型水/空氣熱泵機組、水循環環路、輔助設備(如冷卻塔、加熱設備、蓄熱裝置等)三部分組成，具有有效利用建築內餘熱，節省常規空調所需的冷熱源設備和機房空間等優點。水環熱泵空調裝置是供熱時以循環水為加熱源， 製冷時以其為排熱源，因此當水環熱泵空調裝置制熱運行的吸熱量小於製冷運行的放熱量時，循環環路中的水溫升高，反之會降低，為了維持系統保持一定的性能係數，則需增設輔助加熱和冷卻裝置。[0003]因此，雖然目前的水環熱泵空調裝置能夠滿足部分同事供熱製冷需求，但是還存在以下主要問題系統需設置冷卻塔、鍋爐等輔助加熱製冷裝置，而這是有悖於能量分級利用的，嚴重浪費了高位能並導致設備複雜化，從而不利於監測控制；用戶端採用單元式機組，壓縮機在室內，導致其室內噪聲甚至大於風機盤管的噪聲；傳統的水環熱泵控制方法是採用冷卻塔、加熱設備、蓄熱裝置相配合，根據循環水系統的溫度劃分功能區進行控制，但是因為用戶端採用的是分散的單元式機組，不同用戶的空調使用情況差異較大，因此直接導致控制不利，降低系統性能。[0004]因此，如何改進輔助冷熱源系統以及用戶空調裝置形式，提高系統性能和用戶使用靈活性具有十分重要的意義。發明內容[0005]技術問題本實用新型為了解決目前水環熱泵空調裝置需要設置高品位輔助冷熱源裝置，且用戶端採用分散的單元式機組造成的控制、噪聲、性能等方面的問題，提供了一種以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，可以採用低品位地熱能作為輔助冷熱源、優化的水環熱泵空調裝置。[0006]技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，該空調裝置包括地源端系統、與地源端系統連通的用戶端空調裝置、接收用戶端空調裝置排熱量和吸熱量的閉式循環水系統和用於控制地源端和用戶端空調裝置的自動控制系統；[0007]其中地源端系統包括壓縮機、四通閥、氣液分離器，以及由水-水換熱器、蒸發換熱器、冷凝換熱器、膨脹閥、第一閥門、第二閥門、第三閥門、第四閥門組成的功能切換區；[0008]用戶端空調裝置包括供熱端換熱器和製冷端換熱器；[0009]閉式循環水系統為接受水_水換熱器、蒸發換熱器、以及末端用戶供熱端換熱器和製冷端換熱器排熱量和吸熱量的循環水系統，其中安裝有溫度傳感器用以控制循環水溫度；[0010]自動控制系統包括溫度傳感器、控制面板和控制程序電路板；其中，[0011]壓縮機出口與四通閥第一埠連接，四通閥的第二埠與氣液分離器入口相連， 氣液分離器的出口與壓縮機入口相連；[0012]四通閥的第三埠和第四埠分別與蒸發換熱器和冷凝換熱器相連，蒸發換熱器與冷凝換熱器通過膨脹閥相連；蒸發換熱器循環水的出口端與供熱端換熱器和製冷端換熱器相連，並通過第二閥門回到蒸發換熱器；[0013]地源端循環水通過第三閥門與水-水換熱器相連，通過第四閥門與冷凝換熱器相連；[0014]水-水換熱器的用戶端分別與供熱端換熱器和製冷端換熱器通過第一閥門連接， 接受用戶端的吸熱和放熱量；[0015]溫度傳感器的溫度探頭接入閉式循環水系統中，並布置在供熱端換熱器和製冷端換熱器入口的上遊幹管區域，使功能切換時溫度傳感器的探頭端監測在水_水換熱器用戶端與土壤進行熱交換後的水溫。[0016]優選的，蒸發換熱器、冷凝換熱器內的換熱工質分別為循環水和製冷工質，水-水換熱器中換熱工質一端為循環水，另一端為地源端循環水；[0017]優選的，水-水換熱器採用板式換熱器，蒸發換熱器、冷凝換熱器採用板式、套管式換熱器。[0018]優選的，地源端取熱方式採用垂直埋管或者水平埋管。[0019]優選的，用戶端空調裝置採用傳統的水環熱泵系統中用戶單體制冷機組，或採用製冷供熱分開、根據用戶需求劃分的半集中式空調機組中任一種。[0020]優選的，半集中式空調機組採用風冷式空調器或用多聯機變頻空調器。[0021]有益效果該優化水環熱泵空調裝置中，可根據用戶需求和冷熱負荷結構的不同採用冷熱集中式、半集中式空調機組，滿足不同的空調末端功能、使用時間和控制需求；並且空調機組可採用風冷式空調器，也可採用多聯機變頻空調器，具有更大的靈活性，能夠滿足不同的末端需求。


[0022]圖I為本實用新型的以地熱能為單一輔助冷熱源的優化的水環熱泵空調裝置結構示意圖。[0023]圖中，壓縮機I、四通閥2、氣液分離器3，水-水換熱器4、蒸發換熱器5、冷凝換熱器6、膨脹閥7、第一閥門8、第二閥門9、第三閥門10、第四閥門11、功能切換區12 ;供熱端換熱器13、製冷端換熱器14 ;溫度傳感器15，驅動控制器16。
具體實施方式
[0024]
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明。[0025]本實用新型提供的以地熱能為單一輔助冷熱源的優化的水環熱泵空調裝置，包括地熱能末端系統、閉式循環水系統、半集中式/分體式供熱和製冷空調裝置、自動控制系統等部分。其中，地熱能末端系統主要包括壓縮機、四通閥、一個水-水換熱器、兩個水-工質換熱器等。為了解決上述技術問題，本實用新型通過以下幾個方面實現技術更新。4[0026]以地熱能為單一冷熱源，可以有效減少設備控制單元，通過功能切換區閥門控制切換，以及地源端機組的附加加熱製冷完成循環水系統的升溫、降溫，一次穩定內區常年製冷區的冷凝溫度，有效提高內區製冷性能。由於地熱能的穩定性，系統可以通過地熱端機組的供熱製冷切換，使地熱能作為該單一輔助低品位冷熱源，而無需分別加設高品位的輔助冷、熱源及蓄熱裝置。[0027]系統通過監控循環水用戶進水溫度決定功能切換，具體來說，系統運行模式包括四種自給模式(模式一)時，建築內餘熱可自行滿足需求，地源端系統全部關閉；自給模式不能滿足需求時，啟動地源端循環換熱模式(模式二)，即閉式循環水系統利用地熱能直接換熱，地源端機組關閉、水泵運行；當循環換熱模式中的閉式循環水系統中的溫度超過設定上限時，啟動附加製冷模式(模式三)，即地源端機組開啟製冷工況，在地源端蒸發換熱器內完成閉式循環水的溫度調節直至滿足要求；當閉式循環水系統中溫度低於設定下限，地源端機組開啟附加供熱工況(模式四)，地源端冷凝換熱器內完成閉式循環水的溫度調節直至滿足要求。四種運行模式的切換實現了建築內餘熱和低品位地熱能的充分利用。[0028]由上述控制方法可以看出，只有在模式三、四中才會開啟地源端機組進行附加供熱和製冷。具體調節控制時可根據用戶需求設置閉式循環水系統中需滿足的基本溫度(一般為13 35°C)，而土壤溫度就在此範圍內，大部分建築內冷熱負荷結構下採用模式二即可滿足要求，因此，地源端附加供熱和製冷量很小，相應的地源端機組的裝機容量也大大降低。[0029]用戶端分散的單元機組會造成用戶側噪聲過大，並且由於用戶使用差異較大，增大控制難度。在該優化水環熱泵空調裝置中，可根據用戶需求和冷熱負荷結構的不同採用冷熱集中式、半集中式空調機組，滿足不同的空調末端功能、使用時間和控制需求；並且空調機組可採用風冷。[0030]本實用新型提供了以地熱能為單一輔助冷熱源的、優化的水環熱泵式空調裝置。 發明主要針對傳統水環熱泵空調裝置運行過程中需分別加設冷、熱源裝置造成的高品位能源浪費等問題，以及傳統系統中由於循環水系統溫度不能穩定控制、從而導致常年製冷內區製冷係數較低的缺點，通過加設地熱端裝置，採用智能控制的方法，根據建築負荷的不同構成充分利用低品位地熱能，加強系統同時供熱製冷性能的穩定性。同時由於地熱能穩定性的特點，該系統可廣泛適用於不同的氣候類型。系統主要由地熱能末端系統、閉式循環水系統、半集中式供熱和製冷空調裝置、自動控制系統組成。地源端系統的運行控制模式包括模式一，建築內餘熱可自行滿足需求，地源端系統關閉；模式二，閉式循環水系統利用地熱能直接換熱，地源端機組關閉、水泵運行；模式三，閉式循環水系統中溫度超過設定上限，地源端機組開啟製冷工況，地源端蒸發換熱器內完成閉式循環水的溫度調節直至滿足要求；模式四，閉式循環水系統中溫度低於設定下限，地源端機組開啟供熱工況，地源端冷凝換熱器內完成閉式循環水的溫度調節直至滿足要求。通過四種模式的切換，空調裝置充分利用建築內餘熱，同時高效利用低品位地熱能。[0031]參見圖1，本實用新型提供的以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，該空調裝置包括地源端系統、與地源端系統連通的用戶端空調裝置、接收用戶端空調裝置排熱量和吸熱量的閉式循環水系統和用於控制地源端和用戶端空調裝置的自動控制系[0032]其中地源端系統包括壓縮機I、四通閥2、氣液分離器3，以及由水-水換熱器4、蒸發換熱器5、冷凝換熱器6、膨脹閥7、第一閥門8、第二閥門9、第三閥門10、第四閥門11組成的功能切換區12 ；[0033]用戶端空調裝置包括供熱端換熱器13和製冷端換熱器14 ；[0034]閉式循環水系統為接受水_水換熱器4、蒸發換熱器5、以及末端用戶供熱端換熱器13和製冷端換熱器14排熱量和吸熱量的循環水系統，其中安裝有溫度傳感器15用以控制循環水溫度；[0035]自動控制系統包括溫度傳感器15、控制面板和控制程序電路板；其中，[0036]壓縮機I出口與四通閥2第一埠連接，四通閥2的第二埠與氣液分離器3入口相連，氣液分離器3的出口與壓縮機I入口相連；[0037]四通閥2的第三埠和第四埠分別與蒸發換熱器5和冷凝換熱器6相連，蒸發換熱器5與冷凝換熱器6通過膨脹閥7相連；蒸發換熱器5循環水的出口端與供熱端換熱器13和製冷端換熱器14相連，並通過第二閥門9回到蒸發換熱器5 ；[0038]地源端循環水通過第三閥門10與水-水換熱器4相連，通過第四閥門10與冷凝換熱器6相連；[0039]水-水換熱器4的用戶端分別與供熱端換熱器13和製冷端換熱器14通過第一閥門8連接，接受用戶端的吸熱和放熱量；[0040]溫度傳感器15的溫度探頭接入閉式循環水系統中，並布置在供熱端換熱器13 和製冷端換熱器14入口的上遊幹管區域，使功能切換時溫度傳感器15的探頭端監測在水_水換熱器4用戶端與土壤進行熱交換後的水溫。[0041]蒸發換熱器5、冷凝換熱器6內的換熱工質分別為循環水和製冷工質，水_水換熱器4中換熱工質一端為循環水，另一端為地源端循環水；[0042]水-水換熱器4採用板式換熱器，蒸發換熱器5、冷凝換熱器6採用板式、套管式換熱器。[0043]地源端取熱方式採用垂直埋管或者水平埋管。[0044]用戶端空調裝置採用傳統的水環熱泵系統中用戶單體制冷機組，或採用製冷供熱分開、根據用戶需求劃分的半集中式空調機組中任一種。[0045]半集中式空調機組採用風冷式空調器或用多聯機變頻空調器。[0046]選用的空調機組，可採用分為風冷式空調器，也可採用多聯機變頻空調器來同時滿足建築內供熱和製冷的需求。[0047]在本實用新型中，根據不同的建築內的冷熱負荷結構，通過設定閉式循環水系統中用戶換熱器進口的控制溫度上下限，分為四種運行模式。
以下結合附圖對四種運行模式的適用條件和調節方式進行說明。[0048]模式一自給模式。此時建築內餘熱可自行滿足需求，溫度傳感器15感知溫度在用戶設定溫度限內，此時壓縮機I關閉，四通閥2不動作，功能調節閥門9開啟，閥門8、10、 11關閉，地源端水泵關閉。[0049]冷卻水的流程冷卻水流經用戶端供熱段換熱器13和用戶製冷端換熱器14，分別釋放熱量和獲得熱量之後，經功能調節閥9重新進入用戶供熱、製冷端換熱器13、14。此時， 僅利用建築內部餘熱即可滿足同時供熱製冷系統的性能需求。[0050]模式二 當自給模式不能滿足需求時，啟動地源端循環換熱模式，即模式二，此時彼時循環水系統直接利用地熱能換熱，而不必開啟地源端附加冷熱源機組。在模式二下，溫度傳感器15感知溫度超出用戶設定限，此時壓縮機I關閉，四通閥2不動作，功能調節閥門
8、10開啟，閥門9、11關閉，地源端水泵開啟。冷卻水的流程冷卻水流經用戶端供熱段換熱器13和用戶製冷端換熱器14，分別釋放熱量和獲得熱量之後，經功能調節閥8進入水-水換熱器4與地源端循環水換熱。此時，僅利用建築內部餘熱已不能滿足同時供熱製冷系統的性能需求，閉式循環水系統利用地熱能直接換熱滿足用戶需求。模式三在模式二運行工況下，當循環換熱模式中的閉式循環水系統中的溫度仍超過設定上限時，啟動附加製冷模式，即模式三。此時地源端機組開啟製冷工況，在地源端蒸發換熱器內完成閉式循環水的溫度調節直至滿足要求。在模式二下，溫度傳感器15感知溫度超出用戶設定上限，此時壓縮機I開啟，四通閥2動作調節製冷劑流向完成製冷工況設定，功能調節閥門9、11開啟，閥門8、10關閉，地源端水泵開啟。冷卻水的流程冷卻水流經用戶端供熱段換熱器13和用戶製冷端換熱器14，分別釋放熱量和獲得熱量之後，經功能調節閥9進入蒸發換熱器5，與來自製冷工況下的製冷劑換熱。製冷劑的流程製冷劑經壓縮機I壓縮後，通過四通閥2轉向進入冷凝換熱器6與來自地源端U型管中的水換熱，經膨脹閥7膨脹，進入蒸發換熱器5與閉式循環水換熱，從而調節閉式循環水的溫度滿足設定需求。模式四在模式二運行工況下，當循環換熱模式中的閉式循環水系統中的溫度仍低於設定上限時，啟動附加供熱模式，即模式四。此時地源端機組開啟供熱工況，在地源端冷凝換熱器內完成閉式循環水的溫度調節直至滿足要求。在模式二下，溫度傳感器15感知溫度超過用戶設定下限，此時壓縮機I開啟，四通閥2動作調節製冷劑流向完成供熱工況設定，功能調節閥門9、11開啟，閥門8、10關閉，地源端水泵開啟。冷卻水的流程冷卻水流經用戶端供熱段換熱器13和用戶製冷端換熱器14，分別釋放熱量和獲得熱量之後，經功能調節閥9進入冷凝換熱器5，與來自供熱工況下的製冷劑換熱。製冷劑的流程製冷劑經壓縮機I壓縮後，通過四通閥2轉向進入冷凝換熱器5與閉式循環水換熱，經膨脹閥7膨脹，進入蒸發換熱器6與來自地源端U型管中的水換熱，從而調節閉式循環水的溫度滿足設定需求。自動控制方式可採用自動控制和手動控制，或者兩者兼有。其中自動控制的驅動控制器主要包括溫度傳感器控制面板和控制程序電路板，可以採用PLC電路板控制但不限於這一種控制方式。本實用新型是有效利用地熱能為單一輔助冷熱源的優化的水環熱泵式空調裝置。發明主要針對傳統的可滿足建築同時供熱製冷需求的水環熱泵系統中存在的問題，即系統需設置冷卻塔、鍋爐等輔助加熱製冷裝置，這有悖於能量分級利用，嚴重浪費了高位能並導致設備複雜化，此外還有用戶端採用單元式機組，造成用戶端工況變化差異較大增大了系統的控制難度。本實用新型中的空調裝置主要包括地熱能末端系統、閉式循環水系統、半集中式/分體式供熱和製冷空調裝置、自動控制系統等部分，充分利用建築內餘熱以及低品位地熱能。本實用新型中空調裝置的四種運行模式符合能量分級利用，能夠滿足具有不同冷熱負荷結構的建築，具有靈活性和廣泛適用性本實用新型涉及的磁場自增速永磁風力發電機結構簡單，具有轉矩密度高、低速大轉矩直驅能力強、輸出轉矩波動小、功率因數高的優點。以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本實用新型所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求1.一種以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，其特徵在於，該空調裝置包括地源端系統、與地源端系統連通的用戶端空調裝置、接收用戶端空調裝置排熱量和吸熱量的閉式循環水系統和用於控制地源端和用戶端空調裝置的自動控制系統；其中地源端系統包括壓縮機(I)、四通閥(2)、氣液分離器(3)，以及由水-水換熱器(4)、蒸發換熱器(5)、冷凝換熱器(6)、膨脹閥(7)、第一閥門(8)、第二閥門(9)、第三閥門(10)、第四閥門(11)組成的功能切換區(12)；用戶端空調裝置包括供熱端換熱器(13)和製冷端換熱器(14);閉式循環水系統為接受水-水換熱器(4)、蒸發換熱器(5)、以及末端用戶供熱端換熱器(13)和製冷端換熱器(14)排熱量和吸熱量的循環水系統，其中安裝有溫度傳感器(15) 用以控制循環水溫度；自動控制系統包括溫度傳感器(15)、控制面板和控制程序電路板；其中，壓縮機(I)出口與四通閥(2)第一埠連接，四通閥(2)的第二埠與氣液分離器(3) 入口相連，氣液分離器(3 )的出口與壓縮機(I)入口相連；四通閥(2)的第三埠和第四埠分別與蒸發換熱器(5)和冷凝換熱器(6)相連，蒸發換熱器(5)與冷凝換熱器(6)通過膨脹閥(7)相連；蒸發換熱器(5)循環水的出口端與供熱端換熱器(13)和製冷端換熱器(14)相連，並通過第二閥門(9)回到蒸發換熱器(5);地源端循環水通過第三閥門(10)與水-水換熱器(4)相連，通過第四閥門(10)與冷凝換熱器(6)相連；水-水換熱器(4)的用戶端分別與供熱端換熱器(13)和製冷端換熱器(14)通過第一閥門(8)連接，接受用戶端的吸熱和放熱量；溫度傳感器(15)的溫度探頭接入閉式循環水系統中，並布置在供熱端換熱器(13)和製冷端換熱器(14)入口的上遊幹管區域，使功能切換時溫度傳感器(15)的探頭端監測在水-水換熱器(4)用戶端與土壤進行熱交換後的水溫。
2.根據權利要求書I所述的以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，其特徵在於，蒸發換熱器(5)、冷凝換熱器(6)內的換熱工質分別為循環水和製冷工質，水-水換熱器(4 )中換熱工質一端為循環水，另一端為地源端循環水。
3.根據權利要求書I所述的以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，其特徵在於，水-水換熱器(4)採用板式換熱器，蒸發換熱器(5)、冷凝換熱器(6)採用板式、套管式換熱器。
4.根據權利要求書I所述的以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，其特徵在於，地源端取熱方式採用垂直埋管或者水平埋管。
5.根據權利要求書I所述的以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，其特徵在於，用戶端空調裝置採用傳統的水環熱泵系統中用戶單體制冷機組，或採用製冷供熱分開、根據用戶需求劃分的半集中式空調機組中任一種。
6.根據權利要求書5所述的以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，其特徵在於，半集中式空調機組採用風冷式空調器或用多聯機變頻空調器。
專利摘要本實用新型公開了一種以地熱能為單一輔助冷熱源的水環熱泵式空調裝置，其特徵在於，該空調裝置包括地源端系統、與地源端系統連通的用戶端空調裝置、接收用戶端空調裝置排熱量和吸熱量的閉式循環水系統和用於控制地源端和用戶端空調裝置的自動控制系統；其中地源端系統包括壓縮機(1)、四通閥(2)、氣液分離器(3)，以及由水-水換熱器(4)、蒸發換熱器(5)、冷凝換熱器(6)、膨脹閥(7)、第一閥門(8)、第二閥門(9)、第三閥門(10)、第四閥門(11)組成的功能切換區(12)。用戶端空調裝置包括供熱端換熱器(13)和製冷端換熱器(14)。本實用新型充分利用建築內餘熱，同時高效利用低品位地熱能。
文檔編號F25B30/06GK202747504SQ201220255000
公開日2013年2月20日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者陳九法, 陳義波, 徐寶江, 陳軍偉, 龐麗穎, 高龍 申請人:東南大學