CN206055821U - 一种高效浅层地能—空气源热泵系统 - Google Patents

Abstract

一种高效浅层地能—空气源热泵系统，包括机房单元和机房冷热源单元两部分。机房冷热源单元是指采用浅层地能系统，空气在冬季从土壤中取热，夏季从土壤中取冷过程中涉及的系统结构；机房单元是指将经过地埋管系统预冷或预热的空气作为置于封闭机房内的空气源热泵的冷热源，向被调节对象提供冷量或热量的系统结构。本实用新型将土壤源热泵室外埋地换热器和空气源热泵相结合，采用预热(或预冷)后的循环空气作为空气源热泵的热(冷)源，提高(或降低)了传统热泵式空调器的蒸发温度(或冷凝温度)，提高了热泵的性能系数COP，系统综合能源利用效率比起传统空气源热泵大大提高。

Description

一种高效浅层地能—空气源热泵系统

技术领域

本实用新型属于空气源热泵空调及地源(包括地下水、地表水及土壤的热能)热泵技术领域，特别是一种低投资、高能效的获取浅层地能的空气源热泵系统。

背景技术

目前，开发利用新能源和可再生能源已成为许多国家解决能源与环境问题的重要发展策略。利用太阳能、地热能和空气中的能源等自然能的生态建筑应运而生。

空气作为低温热源，取之不尽、用之不竭。使用空气源热泵,可以省去锅炉房和冷却水系统,供热无污染,能量利用系数高。但是其运行性能受室外空气状态参数的影响较大,如在夏季室外气温较高(或冬季室外气温较低)时,空气源热泵的COP值和制冷(热)量减小,造成室内温度无法维持；且在冬季室外温度过低时，空气源热泵系统蒸发温度过低，COP急剧下降，系统能耗升高，甚至不能正常启动。同时由于空气的热容量较小,为了获得足够的冷热量,需要较大的空气量,风机的容量较大，造成初投资高、能源利用率低。

地源热泵是利用地球表面浅层水源(如地下水、河流和湖泊)和土壤源中吸收的太阳能和地热能，并采用热泵原理，既可供热又可制冷的高效节能空调系统。地热资源按温度有低中高之分,地热界把低于90℃的划为低温地热,浅层低温地热资源主要来自太阳的热辐射,由于土壤的蓄能效应,使得浅层土壤中的热量供应稳定可靠,成为可再生能源中的一支新兴力量。地表浅层地热资源的温度一年四季相对稳定,冬季比环境温度高,夏季比环境空气温度低,是一种十分理想的中央空调可利用的冷热源。根据目前土壤源热泵的实际工程，地埋管换热器是铺设在地下200m范围内的土壤层中，具有相对稳定的低品位地表热能。对于超过20m深度的处于增温带，温度随深度增加而升高，可用地能越多。但是深度越大，钻井费用越多，施工复杂，增加了初投资。浅层地能的存在是基于地层与环境的温度差，当地层太浅时，虽然地层温度比当地环境温度高，但在当地冻土层下的土壤温度都只是稍高于0℃，因而取出的热能品味很低，无法满足建筑需求。

为了降低系统能耗，实现更好的节能，提供一种新型的结合浅层地能和空气源热泵的高效热泵系统，克服两种热源在使用时的缺陷，大大提高了换热效率。

发明内容

本实用新型的目的在于改进传统空气源热泵的室外换热系统，提供了高效浅层地能—空气源热泵。本实用新型的热泵装置利用深度5m以内的浅层地能使循环空气与土壤换热，在冬季提高了蒸发温度，夏季降低了冷凝温度，有效解决了普通空气源热泵冬季制热量衰减，夏季制冷量减少的难题，大大提高了热泵性能系数COP，达到节能高效。同时解决了空气源热泵在环境温度太低(-20℃以下)无法启动的问题，实现可靠运行的目的。

本实用新型的目的可以通过下述技术措施来实现：

本实用新型的浅层地能—空气源热泵系统包括机房单元和机房冷热源单元两部分；

机房冷热源单元是指采用浅层地能系统，循环空气冬季从土壤中取热，夏季从土壤中取冷过程中涉及的系统结构。机房单元是指将经过埋管系统预热或预冷的循环空气作为置于机房内的空气源热泵的冷热源，向被调节对象提供冷量或热量的系统结构。其中：

机房冷热源单元包括进风段竖直埋管、土壤—空气换热埋管、凝水器和出风段竖直埋管。所述的土壤-空气换热埋管应根据实际情况设置一定坡度，建议为1～2度倾角以凝水，且间隔一定距离设置凝水器以定期排除凝结水。

机房单元由机房和封闭换热室两部分组成。其特征在于：所述的机房包括压缩机，四通换向阀，膨胀阀，室内换热器(冬季做冷凝器，夏季做蒸发器)及循环水泵，通过管路依次连接。所述的室内换热器的换热介质采用水；所述的循环水泵设置在循环水管路的送水管侧(冬季供应热水，夏季供应冷冻水)，将通过室内换热器换热后的循环水送入建筑内空调末端风机盘管系统。所述的封闭换热室包含鼓风机、空气源热泵的室外换热器部分(空气换热器)，与进风段竖直埋管相连的进风井道和与出风段竖直埋管相连的出风井道；所述的进风井道和出风井道分布在空气换热器的左右两侧且相距一定的距离。

本实用新型中的进风井道的水平段入口应距地面1.5～2m，以减少尘土及污染物的吸入，防止进入的尘土及污染物积累在埋管内壁影响空气与土壤换热效果；同时为保证空气的洁净度，以延长土壤—空气换热埋管的使用寿命，进风应经过过滤才能进入土壤—空气换热埋管吸收土壤能，完成空气的升温或降温过程。

本实用新型中的鼓风机设置在封闭换热室中，进风井道水平段的入口处，鼓风机向地层内的土壤—空气换热埋管内鼓风，回风直接回到封闭机房。

本实用新型中的封闭换热室，外壁铺设一定厚度的保温层以保证绝热封闭的环境，防止热损失及空气渗透。夏季时换热室内的温度完全可以达到10～15℃，这一温度的空气作为空气源热泵的冷源，将传统热泵式空调的冷凝温度降低了10～15℃，因而可以大幅提高热泵的制冷系数，降低空调耗电量，实现了高效运行；冬季时机房内温度可以达到0℃，远高于环境温度，可以大幅提高热泵的供热系数，达到节能目的。

本实用新型中的土壤—空气换热埋管的埋管方式采用水平同程式埋管，埋管深度至少1m以上，且在当地冻土深度的2倍左右为宜；管道与管道之间保持一定距离b，建议大于b>10m，此距离很好满足埋管内空气与土壤之间的稳定传热，且相互之间的影响可以忽略不计。

本实用新型中的循环空气，是将封闭换热室内空气经过空气换热器换热以后再送入到土壤—空气换热埋管内进行加热或冷却

本实用新型相比现有技术具有如下优点：(1)可同时从地能和空气两种资源巨大的可再生能源中获取热量和冷量，在使热泵机组的性能系数COP和稳定性明显提高的同时，使空气源热泵的应用范围更加广泛，尤在室外环境温度(-20℃以下)情况下适用；(2)克服地源热泵在取地能时费用太高和污染地层及地下水危险的问题(3)采用循环风式系统，封闭换热室内回风的空气温度，夏季比室外温度要低，冬季比室外温度要高，因此循环风系统的地埋管进口空气温度比直流式系统入口空气温度要低(或高)，循环风系统比直流式更高效。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理图。

图2为本实用新型的土壤—空气换热埋管的结构原理图

图3为本实用新型的送风井道部分结构原理图

图4为本实用新型的出风井道部分结构原理图

图1中：2—土壤—空气换热埋管，4—凝水器，5—封闭换热室，6—机房，7—鼓风机，9—空气换热器，12—压缩机，13—室内换热器，14-1—制冷膨胀阀，14-2—制热膨胀阀，15—四通阀，16—循环水泵，17—冬季供应热水(夏季冷冻水)，18—冬季回水(夏季冷却水)。

图2中：1—进风段竖直埋管，2—土壤—空气换热埋管，3—出风段竖直埋管。

图3中：1—进风段竖直埋管，7—鼓风机，8—进风井道，11—过滤器。

图4中：3—出风段竖直埋管，10—出风井道。

具体实施方式

本实用新型以下将结合实施例与附图作进一步描述：

如图1所示，本实用新型的高效浅层地能—空气源热泵系统包括机房单元和机房冷热源单元两部分。

机房冷热源单元包括进风段竖直埋管1、土壤—空气换热埋管2、出风段竖直埋管3、凝水器4。这四部分依次连接，构成了完成空气预热或预冷过程的系统。

机房单元包括封闭换热室5和机房6两部分。

所述的封闭换热室5包括鼓风机7、进风井道8、空气换热器9、出风井道10、和过滤器11、；所述的机房6包括压缩机12、室内换热器13、膨胀阀14、四通阀15、循环水泵16。送风井道8的水平段中心线距地面高度1～2m左右，水平段的入口处设置过滤器11。鼓风机7接到送风井道8的水平段，依次为进风段竖直埋管1、土壤—空气换热埋管2、出风段竖直埋管3，出风段竖直埋管3接到出风井道10，最终回到封闭换热室5。送风井道8和出风井道10位于空气换热器9的左右两侧并有一定的距离。

本实用新型中在送风井道的水平段入口处设置了过滤器，避免虫、尘土及污染物进入土壤—空气换热埋管，保证管道内清洁，以免影响换热效果和管道使用寿命。

本实用新型中提出的土壤—空气换热埋管利用5m以内的浅层地能的思路。对于较寒冷或较炎热的地区，虽然由于地层温度限制，空气流过地埋管以后不能达到室内采暖和制冷所要求达到的温度，但其作为第一级预热或预冷，也有很大的节能效果。而且最关键的是比超过20m深度的地能利用节省钻井投资和埋管材料投资并减小施工难度和环境污染问题。

土壤—空气换热埋管的埋管方式采用水平同程式。水平埋管沿气流方向以1～2度倾角布置以凝水，且间隔一定距离设置凝水器4以定期排除凝结水。

本实用新型的工作流程如下：

制热运行：所述的鼓风机7向地层内的土壤—空气换热埋管2鼓风，鼓入的空气经过土壤—空气换热埋管2与土壤间接换热获取一定热量后，经过出风段竖直埋管3从出风井道10吹出，提高了空气源热泵热源温度，即提高了空气换热器9(冬季做蒸发器)的蒸发温度。从出风井道10吹出预热后的空气回到封闭换热室5，与空气换热器9内的制冷剂换热，制冷剂蒸发吸热后，流经压缩机12压缩为高温高压制冷剂蒸汽，经四通阀15进入室内换热器放热给换热介质循环水，冷凝后的低温高压制冷剂液体经制热膨胀阀14-2回到室外空气换热器。经过空气换热器9换热后的空气再次由鼓风机7鼓入土壤—空气换热埋管2进行空气预热后，从出风井道吹出与空气换热器换热继续进行循环。

制冷运行：所述的鼓风机7向地层内的土壤—空气换热埋管2鼓风，鼓入的空气经过土壤—空气换热埋管2与土壤间接换热获取一定冷量后，经过出风段竖直埋管3从出风井道10吹出，降低了空气源热泵冷源温度，即降低了空气换热器9(夏季做冷凝器)的冷凝温度。从出风井道10吹出预冷后的空气回到封闭换热室5，与空气换热器9内的制冷剂换热，冷凝放热后的低温高压制冷剂液体经制冷膨胀阀14-1流经室内换热器蒸发，与风机盘管回水换热，降低冷却水温度后，经四通阀15进入压缩机12压缩为高温高压制冷剂蒸汽，回到室外空气换热器9。经过空气换热器9换热后的空气再次由鼓风机7鼓入土壤—空气换热埋管2进行空气预冷后，从出风井道吹出与空气换热器换热继续进行下一轮循环。

Claims (8)

1.一种高效浅层地能—空气源热泵系统，其特征在于：包括机房单元和机房冷热源单元两部分；机房冷热源单元是指采用浅层地能系统，循环空气冬季从土壤中取热，夏季从土壤中取冷过程中涉及的系统结构，机房单元是指将经过地埋管系统预热或预冷的循环空气作为置于机房内的空气源热泵的冷热源，向被调节对象提供冷量或热量的系统结构，机房单元和机房冷热源单元两部分相连形成流通的高效浅层地能—空气源热泵系统。

2.根据权利要求1所述的高效浅层地能—空气源热泵系统，其特征在于：机房单元包括封闭换热室(5)、压缩机(12)、四通阀(15)、室内换热器(13)、膨胀阀(14)、循环水泵(16)，所述的封闭换热室内包含送风井道(8)、鼓风机(7)、室外空气换热器(9)和出风井道(10)，鼓风机(7)与地埋管换热系统的进风段竖直埋管(1)通过送风井道(8)相连；机房冷热源单元包括依次连接在一起的进风段竖直埋管(1)、土壤—空气换热埋管(2)、出风段竖直埋管(3)和凝水器(4)。

3.根据权利要求1所述的高效浅层地能—空气源热泵系统，其特征在于：高效浅层地能—空气源热泵系统是循环风式系统，即将封闭换热室(5)内空气经过空气换热器(9)换热以后再送入到地埋管换热系统内加热或冷却。

4.根据权利要求2所述的高效浅层地能—空气源热泵系统，其特征在于：封闭换热室(5)必须保持密闭状态，严防空气渗漏；且表面设有一层保温层，保证良好的绝热状态。

5.根据权利要求2所述的高效浅层地能—空气源热泵系统，其特 征在于：鼓风机(7)设置在埋地换热系统的入口处，将封闭换热室(5)的空气引入地层的埋管换热系统，回风回到封闭换热室(5)。

6.根据权利要求2所述的高效浅层地能—空气源热泵系统，其特征在于：进风井道(8)和出风井道(10)分布在空气换热器(9)的左右两侧且相距一定的距离；其中进风井道(8)水平入口处，需设置过滤器(11)，防止尘土和污染物进入地埋管系统造成管道污染并影响换热效果。

7.根据权利要求2所述的高效浅层地能—空气源热泵系统，其特征在于：土壤—空气换热埋管(2)采用同程式水平埋管，传热管埋深至少在1m以上，且在当地冻土层深度的2倍左右为宜；管道与管道之间需保持一定距离b，建议b>10m。

8.根据权利要求2所述的高效浅层地能—空气源热泵系统，其特征在于：土壤-空气换热埋管(2)埋设应设置1～2度倾角的坡度，在坡向低点设置凝水器(4)定期排除空气凝结水。