專利名稱：一種一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制冷機械領(lǐng)域，涉及一種新型的一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置技術(shù)，具體是涉及一種同時使用空氣源和地源作為復(fù)合型冷熱源，利用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，滿足室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的需求的熱泵裝置。
背景技術(shù)：
隨著當(dāng)今社會的工業(yè)發(fā)展及人們生活水平的提高，工業(yè)生產(chǎn)及人居生活對傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)的要求也隨之而提高，在保持對空調(diào)裝置的舒適性要求的基礎(chǔ)上，要求其更節(jié)能，對環(huán)境的影響更小。“熱泵”技術(shù)是公認的比較節(jié)能、環(huán)保的暖通空調(diào)技術(shù)。熱泵消耗輸入的機械功，就能夠從低溫?zé)嵩次鼰幔缓蠓艧嶂粮邷責(zé)嵩?，熱泵以逆卡諾循環(huán)為工作原理，遵從熱力學(xué)三大定律。制熱時，熱泵通過熱工工質(zhì)循環(huán)，能從外界的水、空氣或土壤中獲取低位熱源，然后放熱至室內(nèi)，熱泵本身消耗的能量只占制熱量的一部分；制冷時，熱泵通過熱工工質(zhì)循環(huán)， 能從室內(nèi)吸熱，然后放熱至外界的水、空氣或土壤中，熱泵功耗也只占制冷量的一部分。由于熱泵裝置對環(huán)境介質(zhì)中貯藏的部分能量加以挖掘利用，因此，熱泵技術(shù)被認為是一種節(jié)能環(huán)保的空調(diào)技術(shù)。根據(jù)熱泵循環(huán)裝置中蒸發(fā)器采用的熱源介質(zhì)，冷凝器采用的冷源介質(zhì)不同，熱泵一般有空氣源熱泵、水源熱泵和地源熱泵幾種形式。目前大規(guī)模使用的主要是使用單一冷熱源的熱泵，它們有各自的優(yōu)點，但是分別有一些制約的缺點。空氣源熱泵以空氣作為實現(xiàn)制冷制熱的冷熱源，一般以翅片管式換熱器作為室外換熱器使制冷劑與空氣直接進行換熱，由于沒有中間換熱介質(zhì)，以及空氣的普遍存在特性， 空氣源熱泵的結(jié)構(gòu)較為簡單，制造安裝成本也相對較低。但是，由于外界環(huán)境的溫濕度變化，空氣源熱泵受環(huán)境的制約較大，熱泵循環(huán)系統(tǒng)性能受空氣溫度變化影響也較大。在北方寒冷地區(qū)，由于制冷劑蒸發(fā)溫度的限制，甚至出現(xiàn)無法使用空氣源熱泵制熱的情況，而在南方潮濕地區(qū)，冬季制熱也容易出現(xiàn)翅片結(jié)霜，影響熱泵工作的情況。地源熱泵(包括土壤源熱泵、閉式水源熱泵)，以土壤(或者地下水、地表水)作為冷熱源，是一種使用清潔、可再生能源的技術(shù)。地源熱泵系統(tǒng)使用的土壤或者水體溫度夏季一般在18 32°C，低于環(huán)境空氣溫度，熱泵循環(huán)冷凝溫度(壓力)較低，使得冷卻效果好于空氣源熱泵；而使用的土壤或者水體溫度冬季一般在12 22°C，高于環(huán)境空氣溫度，熱泵循環(huán)蒸發(fā)溫度(壓力)較高，使得能效比COP也高于空氣源熱泵。但是，地源熱泵系統(tǒng)冬季從土壤提取熱量，冬季向土壤放熱，在一些地區(qū)存在一個質(zhì)量采暖周期內(nèi)散熱取熱不均的問題，在南方表現(xiàn)為散熱明顯大于取熱，土壤溫度隨著地源熱泵系統(tǒng)的長期使用逐年升高； 在北方表現(xiàn)為取熱明顯大于散熱，土壤溫度逐年降低，土壤的溫度惡化性變化導(dǎo)致系統(tǒng)的性能無法達到預(yù)期效果，能效比隨著使用時間逐漸降低，甚至出現(xiàn)地源熱泵無法使用的情況。另外，由于室外換熱器需要使用水等流體作為中間換熱介質(zhì)，同時需要額外的打井和管材投資，地源熱泵系統(tǒng)的制造和安裝成本往往比較高。
目前工程上為解決地源熱泵長期使用出現(xiàn)的散熱取熱不均的問題，主要采取額外追加輔助散熱(取熱)設(shè)備的方法，散熱大于取熱時，使用冷卻塔等設(shè)備輔助散熱，取熱大于散熱時，使用太陽能、鍋爐、電加熱等設(shè)備輔助取熱。這種方法使得設(shè)備和安裝的成本更加高。查閱已有專利資料，授權(quán)公告號為CN 201706782U的發(fā)明專利，該發(fā)明公開了一種一體式熱源可切換的熱泵循環(huán)系統(tǒng)，該發(fā)明在傳統(tǒng)的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中安排了 2個蒸發(fā)器，一個為水源熱交換器的蒸發(fā)器，一個為空氣源蒸發(fā)器，使用過程中，依靠三通電磁閥的換向，實現(xiàn)熱源的可切換。該發(fā)明增加了一個蒸發(fā)器，使得設(shè)備管路更加復(fù)雜，增加系統(tǒng)頻繁切換閥門的負擔(dān)，也不能夠同時使用所述的2種蒸發(fā)器。專利號ZL 200720062510. 7的發(fā)明專利，該發(fā)明提供了一種水源/空氣源混合型蒸發(fā)、冷凝器，其在排列的翅片中同時穿過冷媒管和輔管，通過輔管中廢水、廢氣、地源水流動對翅片的散熱或取熱，來用于對翅片的除霜，和對翅片的冷卻，該發(fā)明輔管的設(shè)計不能夠提升制冷或制熱循環(huán)的效率，反而輔管會阻擋空氣的流動，影響冷媒管的換熱能力，使制冷制熱的性能系數(shù)下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，實現(xiàn)了混合使用空氣和土壤作為冷熱源的熱泵循環(huán)系統(tǒng)，并且克服了現(xiàn)有空氣源熱泵或者地源熱泵技術(shù)的不足之處，具有節(jié)約成本，高效節(jié)能，可持續(xù)性運行等特點。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的一種一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，包括壓縮機、四通閥、室外換熱器、風(fēng)機、循環(huán)水泵、地埋管換熱器、節(jié)流機構(gòu)、單向閥、單向閥、儲液器、室內(nèi)換熱器，其中，室外換熱器包括冷媒管、水管、翅片；制冷劑循環(huán)中，壓縮機的出口與四通閥的進口 a端相連，四通閥的出口 b端與室外換熱器中冷媒管的進口 a’相連，冷媒管的出口 b’與節(jié)流機構(gòu)的進口相連，節(jié)流機構(gòu)通過單向閥與儲液器的進口相連，節(jié)流機構(gòu)通過單向閥還與室內(nèi)換熱器進口相連，室內(nèi)換熱器的出口與四通閥的進口 c端連接，再通過四通閥的出口 d端，與壓縮機的進口相連；地源水循環(huán)中，水泵的出口與室外換熱器中水管的進口 C’相連，水管的出口 d’與地埋管換熱器的進口連接，地埋管換熱器的出口與水泵的進口連接；風(fēng)機設(shè)于所述室外換熱器上，促進冷媒管中的制冷劑通過冷媒管的外壁和翅片與環(huán)境空氣的換熱。制冷時，室外換熱器作為熱泵的冷凝器，冷媒管中高溫的制冷劑將熱量通過冷媒管的外壁和翅片釋放到低溫空氣中，或者將熱量釋放到水管的較低溫度的循環(huán)水中，循環(huán)水將熱量帶走，釋放給溫度更低的地下土壤。制熱時，室外換熱器作為熱泵的蒸發(fā)器，冷媒管中低溫的制冷劑通過冷媒管的外壁和翅片從環(huán)境的低溫空氣中吸收熱量，或者從水管的較高溫度的循環(huán)水中吸收熱量，循環(huán)水則從溫度更低的地下土壤提取熱量壓縮機的出口連接四通閥的輸入端a端，四通閥的輸出端d端連接壓縮機的進口。當(dāng)啟動制冷工況時，四通閥啟動制冷設(shè)定的連接方式，即輸入端a與輸出端b導(dǎo)通，輸入端c與輸出端d導(dǎo)通，制冷劑依次流經(jīng)室外換熱器中冷媒管，節(jié)流機構(gòu)，單向閥，室內(nèi)換熱器，再經(jīng)四通閥進入壓縮機的進口 ；當(dāng)啟動制熱設(shè)定工況時，四通閥啟動制熱設(shè)定的連接方式，即輸入端a與輸出端c 導(dǎo)通，輸入端b與輸出端d導(dǎo)通，制冷劑依次流經(jīng)室內(nèi)換熱器，儲液器，單向閥，節(jié)流機構(gòu)，室外換熱器中冷媒管，再經(jīng)四通閥進入壓縮機的進口。地源循環(huán)水在循環(huán)水泵的驅(qū)動下循環(huán)，循環(huán)水依次流經(jīng)水泵，室外換熱器中水管， 與水管外表面的制冷劑換熱后，流經(jīng)地埋管換熱器，回到循環(huán)水泵。本發(fā)明提出的一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，采用的是空氣-制冷劑-水混合式的室外換熱器，冷媒管中的制冷劑不僅可以通過冷媒管管壁和翅片與空氣換熱，同時可以與內(nèi)含在冷媒管中、與制冷劑充分接觸的水管中的地源循環(huán)水進行換熱。對于同樣一個暖通空調(diào)系統(tǒng)，對比完全使用地源熱泵，使用本發(fā)明的一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，可以減少地源熱泵的打井和管材投資，由于可以選擇性的排熱到空氣中或從空氣中取熱，本發(fā)明可以有效地避免地源熱泵長期使用造成的土壤熱堆積或冷堆積問題，保證本發(fā)明的熱泵系統(tǒng)長期、可持續(xù)、高效地運行；在冬季，北方寒冷地區(qū)環(huán)境溫度過低時，本發(fā)明的熱泵系統(tǒng)仍可以從土壤取熱，正常地為室內(nèi)供暖，而對于南方的潮濕地區(qū)，翅片容易發(fā)生結(jié)霜問題，本發(fā)明的熱泵系統(tǒng)不需要通過頻繁的停機除霜或者復(fù)雜的設(shè)備部件設(shè)計來實現(xiàn)除霜功能，仍可以從土壤取熱，正常地為室內(nèi)供暖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果(1)本發(fā)明能夠使熱泵集成地使用空氣和土壤作為制冷和供暖時的冷源、熱源，克服了現(xiàn)有單一冷熱源熱泵自身和運行過程中的缺點及問題，高效、節(jié)能，并且可持續(xù)地滿足室內(nèi)用戶制冷供暖的需求。(2)本發(fā)明的熱泵裝置能夠在外界環(huán)境溫度過低、傳統(tǒng)空氣源熱泵無法工作時，依靠從土壤中取熱，照常為室內(nèi)用戶供熱，克服了傳統(tǒng)空氣源熱泵的不足。(3)本發(fā)明的熱泵裝置能夠在冬季外界濕度較高、室外翅片易結(jié)霜時，依靠從土壤中取熱，照常為室內(nèi)用戶供熱，克服了傳統(tǒng)空氣源熱泵的不足。(4)本發(fā)明的熱泵裝置能夠有效減少地源熱泵打井、管材的初投資，并且克服地源熱泵長期使用可能造成的散熱、取熱失衡，造成機組性能下降甚至無法使用的問題。(5)本發(fā)明的熱泵裝置能夠同時使用空氣和土壤作為制冷和供暖時的冷源、熱源， 減小地源熱泵熱失衡問題的同時，改善地源循環(huán)水的溫度變化在一個合理的區(qū)間，使得熱泵系統(tǒng)的性能系數(shù)保持較高的狀態(tài)。


圖1為本發(fā)明的一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置的結(jié)構(gòu)框圖；其中壓縮機1、四通閥2 (a、c為輸入端，b、d為輸出端)、室外換熱器中的冷媒管 3(a'為輸入端，b’為輸出端)、室外換熱器中的水管4(c’為輸入端，d’為輸出端)、室外換熱器中的翅片5、風(fēng)機6、節(jié)流機構(gòu)9、單向閥10、單向閥11、儲液器12、室內(nèi)換熱器13、循環(huán)水泵7、地埋管換熱器8，圖中的標(biāo)號具有以下含義=^,制冷工況，> 制熱工況，—地源水。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。請參閱圖1，圖中示出了本發(fā)明一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置的結(jié)構(gòu)框圖， 其中包括制冷劑循環(huán)和地源循環(huán)水的循環(huán)。制冷劑循環(huán)采用蒸汽壓縮式循環(huán)，包括壓縮機1，四通閥2，室外換熱器，風(fēng)機6、節(jié)流機構(gòu)9，單向閥10、11，室內(nèi)換熱器13，儲液器12，其中，室外換熱器包括冷媒管3、水管4、 翅片5。制冷劑循環(huán)中，壓縮機1的出口與四通閥2的進口 a端相連，四通閥2的出口 b端與室外換熱器中冷媒管3的進口 a’相連，冷媒管3的出口 b’與節(jié)流機構(gòu)9的進口相連，節(jié)流機構(gòu)9通過單向閥11與儲液器12的進口相連，節(jié)流機構(gòu)9通過單向閥10還與室內(nèi)換熱器13進口相連，室內(nèi)換熱器13的出口與四通閥2的進口 c端連接，再通過四通閥2的出口 d端，與壓縮機1的進口相連；風(fēng)機6設(shè)于所述室外換熱器上，促進冷媒管3中的制冷劑通過冷媒管3的外壁和翅片5與環(huán)境空氣的換熱。室外換熱器采用特殊的翅片管換熱器形式，主要包括風(fēng)機6、暴露在空氣中的冷媒管3，以及內(nèi)含在冷媒管3與制冷劑充分接觸的水管4。熱泵系統(tǒng)運行時，制冷劑在冷媒管 3中通過冷媒管3外壁、翅片5和外界空氣進行換熱，或者通過水管4的外壁與水管內(nèi)流動的循環(huán)水進行換熱，以滿足室內(nèi)制冷供暖的需求。地源水循環(huán)中，水泵7的出口與室外換熱器中水管4的進口 C’相連，水管4的出口 d’與地埋管換熱器8的進口連接，地埋管換熱器8的出口與水泵7的進口連接；常規(guī)運行時，風(fēng)機6和水泵7同時運行，使得本發(fā)明的熱泵裝置工作在空氣源和地源混合狀態(tài)，流經(jīng)冷媒管的制冷劑通過冷媒管3外壁、翅片5和外界空氣進行換熱，同時通過水管4的外壁與水管內(nèi)流動的循環(huán)水進行換熱，以滿足室內(nèi)制冷供暖的需求。冬季熱泵運行時，當(dāng)室外環(huán)境溫度過低時，本發(fā)明的熱泵裝置仍然可以通過地源循環(huán)水從土壤中提取熱量，維持室內(nèi)的供暖需求。當(dāng)有結(jié)霜預(yù)警或者結(jié)霜報警時，風(fēng)機6關(guān)閉，本發(fā)明的熱泵裝置也仍然可以通過地源循環(huán)水從土壤中提取熱量，維持室內(nèi)的供暖需求，等到除霜報警結(jié)束后，風(fēng)機再繼續(xù)運行。制冷時，地源循環(huán)水將熱量釋放到土壤中，制熱時，地源循環(huán)水將熱量從土壤中取出，對于全年運行總散熱大于總?cè)岬那闆r，本發(fā)明的熱泵裝置選擇在制冷負荷比較小的時候，關(guān)閉循環(huán)水泵7，只運行風(fēng)機6，使得制冷劑將大部分熱量散發(fā)給空氣，有效地防止土壤因為熱堆積而導(dǎo)致土壤溫度逐年上升；對于全年運行總?cè)岽笥诳偵岬那闆r，本發(fā)明的熱泵裝置選擇在制熱負荷比較小的時候，關(guān)閉循環(huán)水泵7，只運行風(fēng)機6，使得制冷劑從空氣中吸收大部分熱量，有效地防止土壤因為冷堆積而導(dǎo)致土壤溫度逐年下降?？朔说卦礋岜瞄L期運行導(dǎo)致的熱失衡問題。在本發(fā)明的熱泵系統(tǒng)中，室內(nèi)換熱器可以是所有空調(diào)系統(tǒng)的末端形式，末端制冷劑-水換熱裝置可以使用，但不限于以下形式板式換熱器、殼管式換熱器、套管式換熱器， 末端制冷劑-空氣換熱裝置可以使用，但不限于以下形式風(fēng)機盤管、直膨式換熱器；制冷劑工質(zhì)可以選用但不限于以下種類烴類制冷劑、鹵代烴制冷劑、氨、水、二氧化碳、無機化合物制冷劑。地源循環(huán)水可以選用但不限于以下種類水、鹽水、油、硅油、丙二醇和乙二醇。本發(fā)明一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置包括制冷劑循環(huán)和地源水循環(huán)。制冷
6劑循環(huán)采用蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的方式運行，制冷劑在室內(nèi)換熱器13中與載冷(載熱)介質(zhì)換熱，制冷劑在室外換熱器中與外界介質(zhì)換熱。其中冷媒管3中的制冷劑通過冷媒管外壁、翅片和外界空氣進行換熱，或者通過水管的外壁與水管內(nèi)流動的循環(huán)水進行換熱，以滿足室內(nèi)制冷供暖的需求。地源水循環(huán)在室外換熱器中的水管4中與制冷劑換熱，并且將熱量帶到地埋管換熱器8，與土壤換熱。該一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置運行于制冷工況時，四通閥2啟動制冷設(shè)定(a端與b端導(dǎo)通，c端與d端導(dǎo)通)。運行于制熱工況時，四通閥2啟動制熱設(shè)定(a端與c端導(dǎo)通，b端與d端導(dǎo)通)。以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，其特征在于，該熱泵裝置包括壓縮機(I)、四通閥O)、室外換熱器、風(fēng)機(6)、循環(huán)水泵(7)、地埋管換熱器(8)、節(jié)流機構(gòu)(9)、單向閥(10)、單向閥(11)、儲液器(12)、室內(nèi)換熱器(13)，其中，室外換熱器包括冷媒管(3)、 水管⑷、翅片(5)；制冷劑循環(huán)中，壓縮機(1)的出口與四通閥⑵的進口 a端相連，四通閥O)的出口 b 端與室外換熱器中冷媒管(3)的進口 a’相連，冷媒管(3)的出口 b’與節(jié)流機構(gòu)(9)的進口相連，節(jié)流機構(gòu)(9)通過單向閥(11)與儲液器(12)的進口相連，節(jié)流機構(gòu)(9)通過單向閥(10)還與室內(nèi)換熱器(13)進口相連，室內(nèi)換熱器(13)的出口與四通閥(2)的進口 c端連接，再通過四通閥⑵的出口 d端，與壓縮機⑴的進口相連，風(fēng)機(6)設(shè)于所述室外換熱器上；地源水循環(huán)中，水泵(7)的出口與室外換熱器中水管(4)的進口 C’相連，水管(4)的出口 d’與地埋管換熱器⑶的進口連接，地埋管換熱器⑶的出口與水泵(7)的進口連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，其特征在于，當(dāng)啟動制冷工況時，四通閥( 啟動制冷設(shè)定的連接方式，即輸入端a與輸出端b導(dǎo)通，輸入端 c與輸出端d導(dǎo)通，制冷劑依次流經(jīng)室外換熱器中冷媒管(3)，節(jié)流機構(gòu)(9)，單向閥(10)， 室內(nèi)換熱器(13)，再經(jīng)四通閥⑵進入壓縮機(1)的進口 ；當(dāng)啟動制熱設(shè)定工況時，四通閥( 啟動制熱設(shè)定的連接方式，即輸入端a與輸出端 c導(dǎo)通，輸入端b與輸出端d導(dǎo)通，制冷劑依次流經(jīng)室內(nèi)換熱器(13)，儲液器(12)，單向閥(II)，節(jié)流機構(gòu)(9)，室外換熱器中冷媒管(3)，再經(jīng)四通閥⑵進入壓縮機⑴的進口。
3.如權(quán)利要求1所述的一種一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，其特征在于，地源循環(huán)水在循環(huán)水泵(7)的驅(qū)動下循環(huán)，循環(huán)水依次流經(jīng)水泵(7)，室外換熱器中水管，與水管外表面的制冷劑換熱后，流經(jīng)地埋管換熱器(8)，回到循環(huán)水泵(7)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一體式空氣源與地源復(fù)合型熱泵裝置，實現(xiàn)了熱泵混合使用空氣和土壤作為冷熱源來制冷/制熱。其中，本發(fā)明的熱泵主要由壓縮機、四通閥、室外換熱器、風(fēng)機、循環(huán)水泵、地源換熱器、節(jié)流機構(gòu)、單向閥、儲液器和室內(nèi)換熱器組成。室外換熱器由冷媒管，水管和翅片組成，水管在冷媒管內(nèi)側(cè)，使循環(huán)水與制冷劑換熱，包含著水管的冷媒管再從翅片中穿過，實現(xiàn)制冷劑與空氣換熱。本發(fā)明為熱泵系統(tǒng)，采用耗能低、環(huán)保的淺層土壤作為冷熱源，同時為解決地源熱泵長期使用帶來的土壤熱堆積，提供了一種可行方案，所提出的熱泵裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能可靠，能效比高。
文檔編號F25B30/06GK102418969SQ20111022390
公開日2012年4月18日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者龐麗穎, 徐相梅, 朱晟, 陳九法, 陳軍偉, 高龍 申請人:東南大學(xué), 寶蓮華新能源技術(shù)(上海)有限公司