地源熱泵空調/製冷複合系統的製作方法

2023-05-15 06:29:16

專利名稱：地源熱泵空調/製冷複合系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種以地埋管地源熱泵為冷熱源的地源熱泵空調/製冷複合系統，屬 於建築環境與設備工程及製冷工程技術領域。
技術背景
地源熱泵系統是一種利用地下淺層地熱資源(包括地下水、地下巖土或地表水等)，既 可供熱又可製冷的高效節能裝置。其中地埋管地源熱泵系統較少受環境條件的限制，因而正 日益受到重視。它利用地下土壤溫度相對穩定的特性，在投入少量高位能的基礎上，通過埋 在地下的地埋管換熱器與大地進行冷熱交換，實現夏季製冷、冬季供暖，還可以提供生活用 熱水。
在地源熱泵空調系統全年運行過程中，冬季通過熱泵從地下吸收熱量後對建築供熱，同 時地下埋管周圍的溫度降低；夏季通過熱泵把建築物中的熱量傳輸給大地，對建築物降溫， 同時地下埋管周圍的溫度升高。如果在一年中冬季從地埋管換熱器中抽取的熱量與夏季向地 埋管換熱器輸入的熱量平衡，則地埋管換熱器在數年的長時間運行後，地下的年平均溫度沒 有變化，對地埋管換熱器的長期性能沒有影響。但是，在很多情況下地埋管換熱器全年的冷 熱負荷是不平衡的。例如在北方建築物冬季的供暖負荷和供暖時間遠大於夏季的空調負荷和 空調時間，而在南方情況則相反。在這種情況下，地埋管換熱器的吸熱和放熱不平衡，多餘 的熱量(或冷量)就會在地下積累，引起地下年平均溫度的變化，進而影響地埋管換熱器的 出力'
^負荷佔優的地源熱泵複合系統是在普通的地源熱泵系統中加入輔助散熱裝置構成。開 式冷卻塔和閉式冷卻塔是冷負荷佔優地區複合式地源熱泵系統中最常見的輔助散熱裝置，技 術上較容易實現。
熱負荷佔優的地源熱泵複合系統由於從地下的吸熱大於向地下的排熱，需要尋求輔助熱 源。 一種設想是採用太陽能作為輔助熱源，但地源熱泵+太陽能集熱器複合系統的經濟性較 差，而且存在設置太陽能集熱器需佔空間的限制。另一種可用的辦法是地源熱泵+鍋爐輔助 加熱，它的缺點是需要消耗較多的常規化石燃料。本專利是針對以上背景提出的一種適合熱 負荷佔優的地源熱泵系統的新的解決方案。
在超市，尤其在一些大型超市中，己廣泛採用空氣調節系統，同時還有大量冷藏櫃、冷 藏貨架等製冷設備。在餐飲業，包括快餐店，也常常有製冰機、冷藏櫃等製冷設備。冷藏庫 和冷凍食品加工更是使用大規模的製冷設備。這些製冷設備都會產生大量的熱量。在這些需 要製冷的場合中，中小型的製冰機和冷櫃常常採用風冷的冷卻方式，而且製冷系統常常通過 冷凝器將熱量直接排入室內空調空間，增加了室內空調負荷。大型的製冷設備通常通過風冷 或水冷(冷卻塔)將熱量排到室外大氣中，排放的熱量不能進行有效利用。在這種情況下， 提出一種將空調系統與製冷系統相結合，並且利用地源熱泵作為冷熱源的複合系統，即地源 熱泵空調/製冷複合系統。它的最主要的特點是把各種製冷設備的冷凝器都採用水冷方式，並 在夏季向地源熱泵系統的地埋管換熱器排放製冷的廢熱，增加向大地的排熱量；冬季將製冷 排放的廢熱回收利用為空調用熱泵機組供熱，提高空調熱泵的熱效率，以實現或改善熱負荷 佔優的地源熱泵空調系統的全年的冷熱負荷平衡。
在己有空調製冷技術專利中，如02271552《帶冷藏櫃的櫃式空調器》、200520104609《空 調、冷凍、冷藏、保鮮一體機》等諸多的空調冷藏一體機，僅能夠在夏季使用。在冬季空調 需要供熱，而冷凍、冷藏、保鮮需要的仍然是製冷時，該一體機就無法進行工作。在90104316 《電冰箱空調器》中，空調器製冷系統和電冰箱製冷系統間斷交替工作。另外，己有的這些
專利都是小型裝置，不是大型的系統裝置，而且都不涉及地埋管換熱器。而在已有的地源熱 泵技術中，多為地源熱泵空調技術，或將地源與太陽能相結合的技術，沒有將地源熱泵空調 技術與製冷系統聯合應用
實用新型內容
本實用新型的目的就是為了克服已有技術的不足，提供一種能滿足可持續發展對製冷空 調行業在節能和環保上的要求，且具有結構簡單，使用方便等優點的地源熱泵空調/製冷複合 系統。
為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案
一種地源熱泵空調/製冷複合系統，它包括地埋管換熱器系統、空調熱泵系統、空調末端 系統、製冷系統和換熱介質循環系統五個子系統，所述地埋管換熱器系統為地埋管地源熱泵 的主要冷熱源，並使熱負荷佔優的地源熱泵系統能夠在複合系統內有輔助熱源提供，從而滿 足全年的空調用戶和製冷用戶需要；其中，地埋管換熱器系統通過換熱介質循環系統的管路 分別與空調熱泵系統和製冷系統連接，空調熱泵系統通過換熱介質循環系統的管路與空調末 端系統連接；通過換熱介質循環系統的調整，實現冷熱量傳遞的控制。
所述地埋管換熱器系統由多個換熱管以串聯和/或並聯方式連接，各換熱管與換熱介質循 環系統連接。
所述空調熱泵系統包括至少一對換熱器I、換熱器II、至少一個壓縮機I、 一個四通閥和 至少一個節流裝置I;其中，換熱器I的出入口與換熱介質循環系統的管路相連，並在換熱器 I入口處的三通和換熱器I出口處三通將地埋管換熱器系統和製冷系統連接起來；換熱器II 的出入口分別與空調末端和循環泵I相連；節流裝置和四通閥分別安裝在換熱器I、換熱器II 間的管路上，其中四通閥通過管路與壓縮機I連接。
所述空調末端系統為各空調用戶的空調末端，它與空調熱泵系統中的循環泵I連接，循 環水在循環泵I作用下將空調熱泵系統提供的冷/熱量傳遞給各空調末端。
所述換熱介質循環系統包括循環泵II和循環泵III、閥門組以及與各系統連接的全部管路， 其中閾門組由閥門I、閥門II、閥門III和閥門IV組成橋式連接。
所述製冷系統為單個製冷系統或多個製冷系統同時存在，而且多個製冷系統可以串聯連 接也可以並聯連接；每個製冷系統包括冷凝器，它的一端與節流裝置II、蒸發器和壓縮機II 依次連接，壓縮機II則與冷凝器的另一端連接，同時冷凝器兩端還與換熱介質循環系統中的 閥門組和循環泵III連接。
所述閥門組中閥門I、閥門IV的動作相同，閥門II、閥門III的動作相同；閥門I與閥門 II的動作相反，閥門III與閥門IV的動作相反，閥門動作的切換與空調熱泵系統中製冷劑的 流向相關，當換熱器I作為冷凝器時，閥門I、閥門IV開，閥門II、閥門III關；當換熱器I
作為蒸發器時，閥門n、閥門m開，閥門i、閥門iv關，各閥門動作的轉換可通過自控來完成。
所述閥門組中各閱門在夏季時，閥門i、閥門iv開通，閥門n、閥門ni關閉，在循環泵
II的作用下，使經過地埋管換熱器系統的換熱介質在換熱器I入口的三通分流 一部分介質 直接進入換熱器，使其作為空調熱泵系統的冷凝器； 一部分介質在循環泵II作用下通過閥門 I進入製冷系統，吸收各製冷系統冷凝器排出的熱量後溫度升高，通過閥門IV流向換熱器I 出口的三通，與通過換熱器I的介質合流，再流經地埋管換熱器系統與大地換熱。
所述閥門組中各閥門在冬季時，閥門n與閥門m開通，閥門i與閥門iv關閉，流過地
埋管換熱器系統和製冷系統的介質在換熱器I入口的三通合流進入換熱器I，共同為空調熱泵 系統供熱，而在換熱器I出口的三通分流， 一部分介質流向地埋管換熱器系統與大地換熱，
一部分介質在循環泵m作用下通過閥門ii,吸收製冷系統的熱量，升溫後通過閾門m流向 換熱器i入口的三通。
本實用新型地源熱泵空調/製冷複合系統主要由五部分組成地埋管換熱器系統、空調熱 泵系統、空調末端系統、製冷系統和換熱介質循環系統。地埋管換熱器系統由可以是豎直u 型埋管、水平埋管、樁埋管或連續螺旋埋管等地下換熱管組成，實現管內換熱介質與土壤的 熱交換。空調熱泵系統包含2個換熱器、壓縮機、節流裝置和四通換向閥，四通換向閥實現
熱泵系統冬夏季製冷劑工質流向的轉變，從而使2個換熱器實現相反的冬夏季蒸發器與冷凝
器的作用。空調熱泵系統中冬夏工況的轉換也可以採用循環介質機外轉換的形式。空調末端 系統由換熱器、循環水泵和空調末端用戶組成，通過循環水泵將冷量(夏)或熱量(冬)帶 到各空調末端用戶。製冷系統可以是為滿足冷凍、冷藏用戶或製冰用戶等的需要而設置的常 年製冷系統，由蒸發器、冷凝器、壓縮機和節流裝置組成。各製冷系統可以並聯連接，也可 以串聯連接，由需要而定。換熱介質循環系統通過管路將地埋管換熱器系統與製冷系統相連， 由循環泵、管路和閥門組成。聯繫換熱介質循環系統和空調熱泵系統的換熱器在夏季為冷凝 器，冬季為空調熱泵系統的蒸發器。
夏季，地下換熱管中的介質將空調熱泵系統和製冷系統排出的熱量排入大地，熱量擴散 出去後介質溫度降低，又由循環泵泵入換熱器中吸熱。這兩部分熱量都將儲存在地埋管換熱 器周圍的地下巖土中，供冬季供熱之用。冬季，地下換熱管中的介質吸收大地中的熱量，通 過循環泵在換熱器中為空調熱泵系統供熱。同時，換熱介質將製冷系統冷凝器排出的熱量回 收，增加了可供給空調熱泵系統的熱量，並且提高了空調熱泵系統的效率。
這種地源熱泵空調/製冷複合系統的優點為(1)以清潔、可再生的地下淺層地熱資源 為能源的地源熱泵來提供大部分能量，既可供熱又可製冷，具有地源熱泵系統所具有的高效、 節能、環保等優點。(2)夏季可直接將製冷系統排放的熱量由循環液帶走，儲存於地下巖土 中，增加向大地的排熱量；同時，由於室內的冷藏冷凍或製冰等裝置採用水冷冷卻，無熱風 直吹人體，並且可以減少室內的空調冷負荷，實現空調節能。(3)冬季可回收利用冷凍冷藏 製冰等製冷系統排出的熱量，並因蒸發器溫度的提高而增加了空調用熱泵機組的效率，具有 更髙的節能性，且更有利於地源熱泵系統的全年冷熱負荷平衡。(4)水冷式製冷裝置的效率 高於風冷式的製冷裝置，且價格較低，因此利用地源熱泵空調系統己有的地埋管換熱器作為 製冷裝置的散熱設備，採用水冷的製冷設備可以降低製冷裝置的初投資，並提高製冷系統的 效率，實現節能的目的。


圖1是地源熱泵空調/製冷複合系統原理示意圖。
圖中，1.地埋管換熱器，2.循環泵I, 21.循環泵II, 22.循環泵III, 3.換熱器I, 31.換熱器II, 4.壓縮機I, 41.壓縮機II， 5.四通閥，6.節流裝置I, 61.節流裝置II, 7.空調末端，8.閥門I, 81.閥門II, 82.閎門III, 83.閥門IV, 9.冷凝器，10.蒸發器。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施作進一步的描述
圖1包括地埋管換熱器系統、空調熱泵系統、空調末端系統、製冷系統和換熱介質循環 系統五個子系統。所述地埋管換熱器系統連接空調熱泵系統和製冷系統兩個不同特性的負荷， 組成獨特的地源熱泵複合系統，使熱負荷佔優的地源熱泵空調系統能夠在系統內有輔助熱源 提供，從而滿足全年的空調用戶和製冷用戶需要。其中，地埋管換熱器系統通過換熱介質循 環系統的管路分別與空調熱泵系統和製冷系統連接，空調熱泵系統通過換熱介質循環系統的 管路與空調末端系統連接；通過換熱介質循環系統的調整，實現冷熱量傳遞控制。
所述地埋管換熱器系統由多個地下換熱管l以串聯和/或並聯方式連接，各換熱管與換熱 介質循環系統連接。
空調熱泵系統包括一對換熱器I3、換熱器I131、 一個壓縮機I4、 一個四通閥5和一個 節流裝置I6;其中，換熱器I3的出入口與換熱介質循環系統的管路相連，並在換熱器I3入
口處的三通和換熱器I3出口處三通將地埋管換熱器系統和製冷系統連接起來；換熱器II 31 的出入口分別與空調末端和循環泵12相連；節流裝置I 6和四通閥5分別安裝在換熱器13、 換熱器I131間的管路上，其中四通閥5通過管路與壓縮機I4連接。
空調末端系統為各空調用戶的空調末端7，它與空調熱泵系統中的循環泵I2連接，循環 水在循環泵12作用下將空調熱泵系統提供的冷量或熱量傳遞給各空調末端7。
換熱介質循環系統包括循環泵II 21和循環泵III 22、閥門組以及與各系統連接的全部管 路，其中閥門組由闔門I8、閥門1181、閥門III82和閥門IV83組成橋式連接。
製冷系統為單個製冷系統或多個製冷系統同時存在，而且多個製冷系統可以串聯連接也 可以並聯連接；每個製冷系統包括冷凝器9，它的一端與節流裝置I161、蒸發器10和壓縮機 1141依次連接，壓縮機II41則與冷凝器9的另一端連接，同時冷凝器9兩端還與換熱介質循 環系統中的閥門組和循環泵III22連接。
閥門組中閥門I8、閥門IV83的動作相同，閥門1181、閥門III82的動作相同；閥門I8與 閥門II81的動作相反，閥門III82與閥門IV83的動作相反，閥門動作的切換與空調熱泵系統 中製冷劑的流向相關，當換熱器13作為冷凝器時，閥門18、閥門IV83開，閥門1181、閥門 IU82關；當換熱器I3作為蒸發器時，閥門1181、閥門III82開，閥門18、閥門IV83關，各閥 門動作的轉換可通過自控來完成。
夏季閥門II81與閥門IV83開通，閥門II81與閥門III82關閉。換熱介質循環系統中降 溫後的換熱介質在循環泵I121的作用下流向換熱器I3方向，在換熱器I3入口的三通處分流， 一部分換熱介質直接流向換熱器I3，其它介質在循環泵I121的作用下通過閥門I8，流向製冷 系統的冷凝器9，吸收冷凝器9排出的熱量後升高溫度，再通過閥門IV83流向換熱器I3出口 的三通，與直接流過換熱器I3的介質匯合，將熱量通過地下換熱管1排向大地。散熱後溫度 降低的地下換熱介質通過循環泵1121作用再進行循環。換熱器13的出入口分別與空調熱泵系 統的節流裝置16和四通閥5相連，換熱器1131的出入口分別與四通閥5和節流裝置16相連， 四通閥5連接壓縮機I4,通過四通閥5實現冬夏季壓縮機I4內製冷劑流向的轉變。
冬季閥門1181與閥門III82開通，閥門18與閥門IV83關閉。換熱介質循環系統中升溫 後的換熱介質在循環泵1121的作用下流向換熱器13方向，在換熱器13入口的三通處與吸收 製冷系統冷凝器9排出熱量後升溫後的換熱介質合流。合流的換熱介質經過的行程為換熱器 13出口的三通分支、閥門1181、循環泵I1122、冷凝器9，閥門ni82,換熱器I3入口的三通， 從而回收了冷凝器9的熱量，增加了換熱器I3中可提供給空調熱泵系統的能量。在換熱器I3 中換熱後溫度降低的介質通過其出口的三通一部分流向地下換熱管1,另外一部分介質進行 製冷系統的行程循環。換熱器13的出入口分別與地源熱泵系統的四通閥5和節流裝置16相 連，換熱器I131的出入口分別與節流裝置I6和四通閥5相連，四通閥5連接壓縮機I4。
權利要求1、一種地源熱泵空調/製冷複合系統，它包括地埋管換熱器系統、空調熱泵系統、空調末端系統、製冷系統和換熱介質循環系統五個子系統，其特徵是，所述地埋管換熱器系統為空調熱泵的主要冷熱源，製冷系統排出的廢熱成為熱負荷佔優的地源熱泵空調系統的輔助熱源，構成一種新型的地源熱泵複合系統，從而滿足全年的空調用戶和製冷用戶需要；其中，地埋管換熱器系統通過換熱介質循環系統的管路分別與空調熱泵系統和製冷系統連接；空調熱泵系統通過空調換熱介質循環系統的管路與空調末端系統連接；通過換熱介質循環系統的調整，實現冷熱量傳遞控制。
2、 根據權利要求1所述的地源熱泵空調席lj冷複合系統，其特徵是，所述地埋管換熱器 系統由豎直U型埋管或水平埋管或樁埋管或連續螺旋埋管等形式的多個換熱管以串聯和/或 並聯方式連接，各換熱管與換熱介質循環系統連接。
3、 根據權利要求1所述的地源熱泵空調席lj冷複合系統，其特徵是，所述空調熱泵系統 包括至少一對換熱器I、換熱器II、至少一個壓縮機I、 一個四通閥和至少一個節流裝置I; 其中，換熱器I的出入口與換熱介質循環系統的管路相連，並在換熱器I入口處的三通和換 熱器I出口處三通將地埋管換熱器系統和製冷系統連接起來；換熱器II的出入口分別與空調 末端和循環泵I相連；節流裝置和四通閥分別安裝在換熱器I、換熱器II間的管路上，其中四 通閥通過管路與壓縮機I連接。
4、 根據權利要求1所述的地源熱泵空調/製冷複合系統，其特徵是，所述空調末端系統 為各空調用戶的空調末端，它與空調熱泵系統中的循環泵I連接，循環水在循環泵I作用下 將空調熱泵系統提供的冷量傳遞給各空調末端。
5、 根據權利要求1所述的地源熱泵空調席lj冷複合系統，其特徵是，所述換熱介質循環 系統包括循環泵ii和循環泵m、閥門組以及與各系統連接的全部管路，其中閥門組由閥門I、 閥門II、閥門III和閥門IV組成橋式連接。
6、 根據權利要求1或5所述的地源熱泵空調席ij冷複合系統，其特徵是，所述製冷系統為單個製冷系統或多個製冷系統同時存在，都採用水冷的方式冷卻；每個製冷系統包括冷凝器，它的一端與節流裝置II、蒸發器和壓縮機II依次連接，壓縮機II則與冷凝器的另一端連 接，同時冷凝器兩端還與換熱介質循環系統中的閥門組和循環泵III連接。
7、 根據權利要求6所述的地源熱泵空調/製冷複合系統，其特徵是，所述閥門組中閥門I、 閥門iv的動作相同，閥門n、閥門m的動作相同；閥門I與閥門II的動作相反，閥門III 與閥門IV的動作相反，閥門動作的切換與空調熱泵系統中製冷劑的流向相關，當換熱器I作 為冷凝器時，閥門I、閥門IV開，閥門II、閥門III關；當換熱器i作為蒸發器時，閥門n、閥門m開，閥門i、閥門iv關，各閥門動作的轉換可通過自控來完成。
8、 根據權利要求7所述的地源熱泵空調/製冷複合系統，其特徵是，所述閥門組中各閥 門在夏季時，閥門I、閾門IV開通，閥門II、閥門III關閉，在循環泵II的作用下，使經過地埋管換熱器系統的換熱介質在換熱器I入口的三通分流一部分介質直接進入換熱器使其作 為空調熱泵系統的冷凝器一部分介質在循環泵II作用下，通過閥門I進入製冷系統，吸收各製冷系統冷凝器排出的熱量後溫度升高，通過閥門IV流向換熱器I出口的三通，與通過換熱器I的介質合流，再流經地埋管換熱器系統與大地換熱。
9、 根據權利要求2所述的換熱介質循環系統，其特徵是，所述閥門組中各閥門在冬季時，閥門n與閥門m開通，閥門i與閥門iv關閉，流過地埋管換熱器系統和製冷系統的介質在 換熱器i入口的三通合流進入換熱器i，共同為空調熱泵系統供熱，而在換熱器i出口的三通 分流， 一部分介質流向地埋管換熱器系統與大地換熱， 一部分介質在循環泵m作用下通過閥 門n,吸收製冷系統的熱量，升溫後通過閥門m流向換熱器i入口的三通。
專利摘要本實用新型公開了一種地源熱泵空調/製冷複合系統。它包括地埋管換熱器系統、空調熱泵系統、空調末端系統、製冷系統和換熱介質循環系統五個子系統。地埋管換熱器系統為地源熱泵空調系統的主要冷熱源，製冷系統採用水冷方式冷卻，其排出的廢熱為熱負荷佔優的地源熱泵空調系統的全年輔助熱源，從而構成獨特的地源熱泵複合系統，滿足空調用戶和製冷用戶全年的需要，並保證系統長期運行的性能。其中，地埋管換熱器系統通過換熱介質循環系統的管路分別與空調熱泵系統和製冷系統連接，空調熱泵系統通過換熱介質循環系統的管路與空調末端系統連接；通過換熱介質循環系統的調整，實現冷熱量傳遞控制。本實用新型節能性高，系統初投資少，運行可靠高效。
文檔編號F25B30/06GK201203296SQ20082002237
公開日2009年3月4日 申請日期2008年5月16日 優先權日2008年5月16日
發明者劉俊紅, 吳建華, 方肇洪, 王恩琦, 強 趙 申請人:山東方亞地源熱泵空調技術有限公司