空气-土壤复合热源增容型热泵系统

摘要

本发明公开了一种空气‑土壤复合热源增容型热泵系统，解决了现有空气源热泵、土壤源热泵系统存在的制热能力下降、能效比偏低、压缩机大压差运行、机组部件不匹配、冷/热量双向利用不均衡问题，也顺应了国家碳中和发展路线。本发明空气‑土壤复合热源增容型热泵系统，由空气源热泵、土壤源热泵系统复合而成，室内换热设备为管壳式换热器，室内传热末端是地板辐射散热器和冷梁，室外换热设备由风冷翅片管式换热器、管壳式换热器并联组成，热泵循环工质为环保制冷剂R407C，地埋管换热器内的传热工质为水，所述热泵系统包括多组换热组件、输配组件，各组件分类依次安装。本发明用于可再生能源体系的制热、制冷、蓄热、蓄冷，节能效益显著。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合型热泵系统，具体涉及一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，属于可再生能源应用与热泵空调节能技术领域。

背景技术

为实现2060年碳中和的目标，可再生能源将在未来的能源结构中占据主要地位。为了顺畅消纳可再生能源电力、平衡电网负载、增强区域能源网络的柔性，须根据能量品位制定适宜的能源生产、输配、存储和利用的策略。根据目前的研究结论，我们知道：1)电力属于高品位能源，易于输配但不易于存储；2)热能属于低品位能源，易于存储但不易于输配；3)日间太阳能光伏发电功率很高，夜间为零，为平衡电网负载，亟需解决能量存储与释放的问题；4)室外环境温度下降，热负荷线性增加，但空气源热泵的制热能力下降明显；5)常年运行的土壤源热泵系统，因冷热负荷不平衡而造成土壤温度逐年降低，制热(冷)能力逐年下降；6)虽然已有可在大压差、高转速工况下运行的压缩机，但其运行能效很低，这是由热力学定律决定的客观规律。

发明内容

本发明的目的是解决现有空气源热泵、土壤源热泵系统在系统、设备和方法中存在的能力衰减、能效难提高、受冷热负荷平衡程度约束、提升压缩机运行压差与节能存在矛盾、热能-电能双向利用不均衡以及储能技术有待发展的问题。进而提供一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统。

本发明的技术方案是：一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统包括压缩机、排气管、电动四通换向阀、热泵回路接管、室内侧管壳式换热器、冷媒接管、风冷回路歧管、水冷回路歧管、风冷回路电磁阀、水冷回路电磁阀、风冷回路接管、水冷回路接管、风冷回路双向膨胀阀、水冷回路双向膨胀阀、风冷回路连管、水冷回路连管、室外风冷翅片管式换热器、室外侧管壳式换热器、风冷回路连管、水冷回路连管、风冷回路电磁阀、水冷回路电磁阀、风冷回路歧管、水冷回路歧管、制冷回路接管、压缩机吸气回路接管，依次连接构成的热泵循环；以及室内侧管壳式换热器、室内侧循环水泵吸入管、室内侧循环水泵、室内侧循环水泵压出管、室内末端换热器回路分水管、室外侧地埋管换热器回路分水管、室内回路电磁阀、室外回路电磁阀、室内回路接管、室外回路接管、室内回路单向阀、室外回路单向阀、室内末端换热器、室内末端回路单向阀、室内回路接管、室外回路接管、室内回路电磁阀、地埋管换热器、室内回路分水管、室外回路接管、室外回路单向阀、室外回路接管、室外回路电磁阀、室外回路分水管、室内侧管壳式换热器接管，依次连接构成的室内侧水循环回路；以及室外侧管壳式换热器、室外侧管壳式换热器接管、室外侧电磁阀、室外侧分水管、室外侧地埋管换热器、室外侧分水管、室外侧电磁阀、室外侧循环水泵吸入管、室外侧循环水泵、室外侧循环水泵压出管，依次连接构成的室外侧水循环回路。

本发明中，除室外侧风冷翅片管式换热器外，所述部件一律保温处理。所述热泵循环制冷工质采用环保制冷剂R407C。所述风冷回路电磁阀、水冷回路电磁阀、风冷回路电磁阀、水冷回路电磁阀均为常开型电磁阀。所述室内回路电磁阀、室外回路电磁阀、室外侧电磁阀、室内回路电磁阀、室外侧电磁阀、室外回路电磁阀均为常开型电磁阀。所述室内侧循环水泵、室外侧循环水泵均为调速水泵。所述热泵回路接管均为铜管。所述室内侧水循环回路、室外侧水循环回路均为PVC-U管。所述压缩机为通用型可变转速压缩机。所述系统内所有电动设备均为直流电驱动型设备。

本发明涉及的空气-土壤复合热源增容型热泵系统，包含空气源热泵蓄热、土壤源热泵供热、空气源热泵蓄冷、土壤源热泵供冷、空气源热泵供热兼蓄热、空气源热泵供冷兼蓄冷、地埋管换热器直接供冷7种运行模式/方式。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明的用能-储能结构更合理。现有的储能、用能技术中，蓄热与蓄电，用热与用电之间相互独立甚至对立，既不利于提高能量存储与释放过程的综合效率，也增添了不少输配损失。本发明充分发挥了热能和电能在储能和输配环节的优势，在冬季日间太阳能光伏发电的高峰期，面向建筑热需求采用空气源热泵系统向建筑供热的同时，也向土壤中储存了远大于空气热能的热量

附图说明

图1为本发明实施例1的空气-土壤复合热源增容型热泵系统的原理图。

图2为本发明实施例2的空气-土壤复合热源增容型热泵系统的原理图。

图3为本发明实施例3的空气-土壤复合热源增容型热泵系统的原理图。

图4为本发明实施例4的空气-土壤复合热源增容型热泵系统的原理图。

图5为本发明实施例5的空气-土壤复合热源增容型热泵系统的原理图。

图6为本发明实施例6的空气-土壤复合热源增容型热泵系统的原理图。

图7为本发明实施例7的空气-土壤复合热源增容型热泵系统的原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统包括压缩机1、排气管R-1、电动四通换向阀2、热泵回路接管R-2、室内侧管壳式换热器3、冷媒接管R-3、风冷回路歧管R-4、水冷回路歧管R-5、风冷回路电磁阀4、水冷回路电磁阀5、风冷回路接管R-6、水冷回路接管R-7、风冷回路双向膨胀阀6、水冷回路双向膨胀阀7、风冷回路连管R-8、水冷回路连管R-9、室外风冷翅片管式换热器8、室外侧管壳式换热器10、风冷回路连管R-10、水冷回路连管R-11、风冷回路电磁阀11、水冷回路电磁阀12、风冷回路歧管R-12、水冷回路歧管R-13、制冷回路接管R-14、压缩机吸气回路接管R-15，依次连接构成的热泵循环；以及室内侧管壳式换热器3、室内侧循环水泵吸入管S-1、室内侧循环水泵13、室内侧循环水泵压出管S-2、室内末端换热器回路分水管S-3、室外侧地埋管换热器回路分水管S-4、室内回路电磁阀14、室外回路电磁阀15、室内回路接管S-5、室外回路接管S-6、室内回路单向阀16、室外回路单向阀17、室内末端换热器18、室内末端回路单向阀20、室内回路接管S-7、室外回路接管S-8、室内回路电磁阀22、地埋管换热器19、室内回路分水管S-9、室外回路接管S-13、室外回路单向阀24、室外回路接管S-12、室外回路电磁阀26、室外回路分水管S-11、室内侧管壳式换热器接管S-10，依次连接构成的室内侧水循环回路；以及室外侧管壳式换热器10、室外侧管壳式换热器接管G-2、室外侧电磁阀21、室外侧分水管G-3、室外侧地埋管换热器19、室外侧分水管G-4、室外侧电磁阀25、室外侧循环水泵吸入管G-5、室外侧循环水泵23、室外侧循环水泵压出管G-1，依次连接构成的室外侧水循环回路。

本实施方式的空气-土壤复合热源增容型热泵系统，除室外侧风冷翅片管式换热器8外，所述部件一律保温处理。所述热泵循环制冷工质采用环保制冷剂R407C。所述风冷回路电磁阀4、水冷回路电磁阀5、风冷回路电磁阀11、水冷回路电磁阀12均为常开型电磁阀。所述室内回路电磁阀14、室外回路电磁阀15、室外侧电磁阀21、室内回路电磁阀22、室外侧电磁阀25、室外回路电磁阀26均为常开型电磁阀。所述室内侧循环水泵13、室外侧循环水泵23均为调速水泵。所述热泵回路接管R-均为铜管。所述室内侧水循环回路S-、室外侧水循环回路G-均为PVC-U管。所述压缩机1为通用型可变转速压缩机。所述系统内所有电动设备均为直流电驱动型设备。

结合图1说明，空气-土壤复合热源增容型热泵系统的工作方式分为：1)空气源热泵蓄热；2)土壤源热泵供热；3)空气源热泵蓄冷；4)土壤源热泵供冷；5)空气源热泵供热兼蓄热；6)空气源热泵供冷兼蓄冷6种。以下为详细描述。

具体实施方式二：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，在空气源热泵蓄热模式下的工作方式为：热泵循环的水冷回路关闭，具体而言，水冷回路电磁阀5、电磁阀12关闭。室内末端换热器回路关闭，具体而言，室内末端换热器回路电磁阀14、电磁阀22关闭。室外侧水冷换热器回路关闭，具体而言，室外侧循环水泵23关闭，室外侧水冷换热器回路电磁阀21、电磁阀25关闭。热泵循环中，高温高压的气态制冷工质从压缩机1的排气管道R-1进入电动四通换向阀2，经热泵回路接管R-2，进入室内侧管壳式换热器3，放热冷凝成为高温高压的液态制冷工质，然后依次经过冷媒接管R-3、冷媒歧管R-4、电磁阀4、冷媒接管R-6，进入电子膨胀阀6，绝热膨胀成为低温低压的两相制冷工质，再由冷媒接管R-8进入室外侧风冷翅片管式换热器8，吸收室外环境空气的热量，转变为低温低压的气态制冷工质，然后依次经过冷媒接管R-10、电磁阀11、冷媒接管R-12、冷媒接管R-14，进入电动四通换向阀2的制冷回路，再由压缩机吸气管R-15返回压缩机1，如此完成制冷工质的完整热泵循环。在室内侧管壳式换热器3中吸收制冷工质冷凝热的循环水，经室内侧循环水泵的吸入管S-1，进入室内侧循环水泵13，然后依次经过水泵压出管S-2、水管S-4、电磁阀15、水管S-6、单向阀17、水管S-8，进入室外土壤中的地埋管换热器19，释放并储存热量

具体实施方式三：结合图1、图3说明本实施方式，本实施方式的一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，在土壤源热泵供热模式下的工作方式为：热泵循环的风冷回路关闭，具体而言，风冷回路电磁阀4、电磁阀11关闭。室内末端换热器回路打开、蓄热回路关闭，具体而言，室内末端换热器回路电磁阀14、电磁阀22打开，蓄热回路电磁阀15、电磁阀26关闭。室外侧水冷换热器回路打开，具体而言，室外侧循环水泵23打开，室外侧水冷换热器回路电磁阀21、电磁阀25打开。热泵循环中，高温高压的气态制冷工质从压缩机1的排气管道R-1进入电动四通换向阀2，经热泵回路接管R-2，进入室内侧管壳式换热器3，放热冷凝成为高温高压的液态制冷工质，然后依次经过冷媒接管R-3、冷媒歧管R-5、电磁阀5、冷媒接管R-7，进入电子膨胀阀7，绝热膨胀成为低温低压的两相制冷工质，再由冷媒接管R-9进入室外侧水冷管壳式换热器10，吸收换热器中水的热量，转变为低温低压的气态制冷工质，然后依次经过冷媒接管R-11、电磁阀12、冷媒接管R-13、冷媒接管R-14，进入电动四通换向阀2的制冷回路，再由压缩机吸气管R-15返回压缩机1，如此完成制冷工质的完整热泵循环。在室内侧管壳式换热器3中吸收制冷工质冷凝热的循环水，经室内侧循环水泵的吸入管S-1，进入室内侧循环水泵13，然后依次经过水泵压出管S-2、分水管S-3、电磁阀14、水管S-5、单向阀16，进入室内侧末端换热器18，释放热量，温度降低的水依次经过单向阀20、水管S-7、电磁阀22、水管S-9、水管S-10，返回室内侧管壳式换热器3，再次吸收制冷工质释放的冷凝热，温度升高，如此完成一个完整的土壤源热泵供热的循环。在室外侧管壳式换热器10中释放热量后的较低温度的水，依次经过水管G-2、电磁阀21，进入地埋管换热器19，吸收储存在土壤中的热量

具体实施方式四：结合图1、图4说明本实施方式，本实施方式的一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，在空气源热泵蓄冷模式下的工作方式为：制冷循环的水冷回路关闭，具体而言，水冷回路电磁阀5、电磁阀12关闭。室内末端换热器回路关闭，具体而言，室内末端换热器回路电磁阀14、电磁阀22关闭。室外侧水冷换热器回路关闭，具体而言，室外侧循环水泵23关闭，室外侧水冷换热器回路电磁阀21、电磁阀25关闭。制冷循环中，高温高压的气态制冷工质从压缩机1的排气管道R-1进入电动四通换向阀2，依次经过制冷回路接管R-14、冷媒歧管R-12、电磁阀11、冷媒接管R-10，进入室外侧风冷翅片管式换热器8，放热冷凝成为高温高压的液态制冷工质，然后经过冷媒接管R-8进入电子膨胀阀6，绝热膨胀成为低温低压的两相制冷工质，再依次经过冷媒接管R-6、电磁阀4、冷媒歧管R-4、冷媒接管R-3，进入室内侧管壳式换热器3，吸收换热器中水的热量，转变为低温低压的气态制冷工质，然后经冷媒接管R-2，进入电动四通换向阀2，经热泵回路进入压缩机吸气管R-15，最终返回压缩机，如此完成制冷工质的完整制冷循环。在室内侧管壳式换热器3中吸收制冷工质冷量

具体实施方式五：结合图1、图5说明本实施方式，本实施方式的一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，在土壤源热泵供冷模式下的工作方式为：制冷循环的风冷回路关闭，具体而言，风冷回路电磁阀4、电磁阀11关闭。室内末端换热器回路打开、蓄冷回路关闭，具体而言，室内末端换热器回路电磁阀14、电磁阀22打开，蓄冷回路电磁阀15、电磁阀26关闭。室外侧水冷换热器回路打开，具体而言，室外侧循环水泵23打开，室外侧水冷换热器回路电磁阀21、电磁阀25打开。制冷循环中，高温高压的气态制冷工质从压缩机1的排气管道R-1进入电动四通换向阀2，经制冷回路接管R-14，依次通过冷媒歧管R-13、电磁阀12、冷媒接管R-11，进入室外侧水冷管壳式换热器10，放热冷凝成为高温高压的液态制冷工质，然后经冷媒接管R-9进入电子膨胀阀7，绝热膨胀成为低温低压的两相制冷工质，再依次经过冷媒接管R-7、电磁阀5、冷媒歧管R-5、冷媒接管R-3，进入室内侧管壳式换热器3，吸收换热器中水的热量，转变为低温低压的气态制冷工质，然后经冷媒接管R-2，进入电动四通换向阀2的热泵回路，经压缩机吸气管R-15返回压缩机1，如此完成制冷工质的完整制冷循环。在室内侧管壳式换热器3中吸收制冷工质冷量

具体实施方式六：结合图1、图6说明本实施方式，本实施方式的一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，在空气源热泵供热兼蓄热模式下的工作方式为：热泵循环的水冷回路关闭，具体而言，水冷回路电磁阀5、电磁阀12关闭。室内末端换热器回路、蓄热回路均开启，具体而言，室内末端换热器回路电磁阀14、电磁阀22、蓄热回路电磁阀15、电磁阀26均开启。室外侧水冷换热器回路关闭，具体而言，室外侧循环水泵23关闭，室外侧水冷换热器回路电磁阀21、电磁阀25关闭。热泵循环中，高温高压的气态制冷工质从压缩机1的排气管道R-1进入电动四通换向阀2，经热泵回路接管R-2，进入室内侧管壳式换热器3，放热冷凝成为高温高压的液态制冷工质，然后依次经过冷媒接管R-3、冷媒歧管R-4、电磁阀4、冷媒接管R-6，进入电子膨胀阀6，绝热膨胀成为低温低压的两相制冷工质，再由冷媒接管R-8进入室外侧风冷翅片管式换热器8，吸收室外环境空气的热量，转变为低温低压的气态制冷工质，然后依次经过冷媒接管R-10、电磁阀11、冷媒接管R-12、冷媒接管R-14，进入电动四通换向阀2的制冷回路，再由压缩机吸气管R-15返回压缩机1，如此完成制冷工质的完整热泵循环。在室内侧管壳式换热器3中吸收制冷工质冷凝热的循环水，经室内侧循环水泵的吸入管S-1，进入室内侧循环水泵13，然后依次经过水泵压出管S-2、分水管S-4、电磁阀15、水管S-6、单向阀17、水管S-8，进入室外土壤中的地埋管换热器19，释放并储存热量

具体实施方式七：结合图1、图7说明本实施方式，本实施方式的一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，在空气源热泵供冷兼蓄冷模式下的工作方式为：制冷循环的水冷回路关闭，具体而言，水冷回路电磁阀5、电磁阀12关闭。室内末端换热器回路、蓄冷回路均开启，具体而言，室内末端换热器回路电磁阀14、电磁阀22、蓄冷回路电磁阀15、电磁阀26均开启。室外侧水冷换热器回路关闭，具体而言，室外侧循环水泵23关闭，室外侧水冷换热器回路电磁阀21、电磁阀25关闭。制冷循环中，高温高压的气态制冷工质从压缩机1的排气管道R-1进入电动四通换向阀2，依次经过制冷回路接管R-14、冷媒歧管R-12、电磁阀11、冷媒接管R-10，进入室外侧风冷翅片管式换热器8，放热冷凝成为高温高压的液态制冷工质，然后经过冷媒接管R-8进入电子膨胀阀6，绝热膨胀成为低温低压的两相制冷工质，再依次经过冷媒接管R-6、电磁阀4、冷媒歧管R-4、冷媒接管R-3，进入室内侧管壳式换热器3，吸收换热器中水的热量，转变为低温低压的气态制冷工质，然后经冷媒接管R-2，进入电动四通换向阀2，经热泵回路进入压缩机吸气管R-15，最终返回压缩机，如此完成制冷工质的完整制冷循环。在室内侧管壳式换热器3中吸收制冷工质冷量

本发明一种空气-土壤复合热源增容型热泵系统，它涉及一种增容型热泵系统及其运行方法。本发明为了解决现有空气源热泵、土壤源热泵系统在系统、设备、方法中存在的制热能力下降、能效比偏低、压缩机大压差运行、机组部件不匹配、冷/热量双向利用不均衡以及运行策略有待优化的问题，也顺应了国家碳中和的发展路线。本发明的空气-土壤复合热源增容型热泵系统，由空气源热泵、土壤源热泵系统复合而成，室内换热设备为管壳式换热器，室内传热末端是地板辐射散热器和冷梁，室外换热设备由风冷翅片管式换热器、管壳式换热器并联组成，热泵循环工质为环保制冷剂R407C，地埋管换热器内的传热工质为水，所述热泵系统包括多组换热组件、输配组件，各组件分类依次安装。本发明用于可再生能源体系的制热、制冷、蓄热、蓄冷，节能效益显著。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。