CN102853603B - 多源热泵调温装置及节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多源热泵调温装置及节能控制方法，多源热泵调温装置，包括水冷空调热泵机组、室温控制器、高位水箱、散热器、电加热器、地下污水源换热器、地源换热器、管道循环泵、深井泵，其特征是：水冷空调热泵机组是由安装在开式箱体中的双压缩机空调装置构成，双压缩机空调装置由双压缩机、四通换向阀、蒸发器、冷凝器、过滤器、单向阀、节流阀和温控元件相互连接组成，在压缩机、四通换向阀上连接有空调控制器，开式箱体中装有防冻液，双压缩机空调装置运行发热单元和发热管路浸泡在防冻液中。其优点是：充分利用可再生能源（地下水、排放的污水和蕴藏在土壤中的低品位能源）为主，电加热为辅，节能环保。

Description

多源热泵调温装置及节能控制方法

技术领域

本发明涉及一种多源热泵调温装置及节能控制方法，属于空调技术领域，主要适用于不具备集中供暖的中小型工厂、乡村别墅和农村用户。

背景技术

能源与环境问题是当今世界所面临的两大问题，2007年我国城乡建筑面积达到了420亿平方米，其中农村建筑面积234亿平方米，建筑能耗在我国能源消耗总量中的比例达到了27.6%，大部分用于空调采暖。国家进行城镇化建设需要大量的建设资金和漫长的周期，多数农民在长时间内依然维持独门独户的居住现状。改革开放使农村居住条件有了较大改善，80%农户设有深水井，污水沉淀池，安装了土暖气或地暖，10%富裕家庭还安装了家用空调。但水井的单一用途，空调的高投入和高电耗，农村利用率很低；多数土暖气采用蜂窝煤简易锅炉热水自然循环，烟尘和炉渣排放污染严重，冬季供暖不足，夏季不能降温。无法从根本上改善农村居住舒适条件。在全国推广低碳循环经济，加快节能减排技术改造的今天，天然气（沼气）已进入城镇，而地源热泵和水源热泵也仅在大城市新建住宅中得到了部分应用，农村应用还是空白。户用水源和地源热泵品种少，且一次性建设投资3-5万元农民无法接受。

发明内容

本发明的目的是针对当前地源热泵、水源热泵和家用空气源空调在北方农村单独使用投资大、冬季制热能效低、庭院地质要求高的不足之处，提供一种充分利用可再生能源（地下水、排放的污水和蕴藏在土壤中的低品位能源）为主，电加热为辅的一种适用于不具备集中供暖的中小型工厂、乡村别墅、广大北方农村户用的多源热泵调温装置及节能控制方法。

本发明的目的是由以下方式实现的：

本发明的多源热泵调温装置包括水冷空调热泵机组、室温控制器、高位水箱、散热器、电加热器、地下污水源换热器、地源换热器、管道循环泵、深井泵，其特征是：水冷空调热泵机组是由安装在开式箱体中的双压缩机空调装置构成，双压缩机空调装置由双压缩机、四通换向阀、蒸发器、冷凝器、过滤器、单向阀、节流阀和温控元件相互连接组成，在压缩机、四通换向阀上连接有空调控制器，开式箱体中安装有电加热器并添加有防冻液，双压缩机空调装置运行发热单元和管路浸泡在防冻液中，双压缩机空调装置的蒸发器安装在一个密闭的容器中构成蒸发换热器，双压缩机空调装置的冷凝器安装在开式箱体的下部，构成冷凝换热器，在冷凝换热器的箱体中设有铜盘管热交换管，热交换管与散热器闭合连接，深井泵的出口管路与蒸发换热器连接，蒸发换热器的出水管路与地下污水源换热器连接，污水源换热器与地源换热器连接，地源换热器末端连接一个喷淋冷却器；深井泵的出口管路通过电磁阀组分别与冷凝器、蒸发器、散热器和高位水箱连接，使得深井泵与蒸发换热器、冷凝换热器、散热器形成相对独立的三套净水循环系统，室温控制器与两个压缩机、四通换向阀、管道循环泵和电磁阀组电气连接；高位水箱的进水口通过电磁阀组与水源井中的深水泵连接，出水口与散热器的进水管道连接。

所述水冷空调热泵机组的做功原件是浸在冷冻液中的压缩机和热循环管路；

所述散热器和热交换管构成的水循环系统中设有管道循环泵；

所述地下污水源换热器由缠绕在污水井内的PE地暖管构成；

所述地下污水源换热器与喷淋冷却器之间连接有地源换热器；

所述地源换热器由埋设在冻土层以下的金属容器构成。

本发明的节能控制方法是：将现有水井深水泵的出口管路与水冷空调热泵机组蒸发换热器连接，正常冬季节室温控制器设置在常热模式，热泵机组切换到制热工况，蒸发换热器吸收井水的热量使压缩机制冷液升温气化，同时水质降温变成深冷水，完成第一次热交换；蒸发换热器出水管路与地下污水源换热器连接，深冷水流动时吸收了地下污水管道、地下污水池的余热和土壤中的地源换热器转换的地热变成冷水，完成第二次热交换；多路冷水在井口的喷淋冷却器汇流混合后以扇状喷淋，与水源井中自然上升的热气对流、与井壁浅层渗水混合变成温水，完成第三次热交换；滴落到水面的温水在深水泵的虹吸下完成与深层水混合达到井水初始温度，完成第四次热交换；热泵机组的冷凝器释放的热量通过防冻液传导给铜盘管，铜盘管中的水质吸收防冻液热量，变成采暖热水，在管道循环泵的驱动下不断的将热水送到室内各散热器，散热器回水再回到冷凝换热器二次加热，以此实现室内供暖；寒冬季节室温控制器设置在强热模式，热泵机组启动双机工作制热，如果室温控制器的测温元件检测达不到室内温度，冷凝换热器中设置的电加热装置将自动启动，电加热由热水温度和时钟控制器双重控制， PLC优先选择在用电谷段启动；正常夏季室温控制器设置在常冷模式，热泵机组和循环泵不工作，深井泵将冷水直接送入室内各散热器，散热器释放冷量降低室温，吸热后变成的温水陆续进入污水源、地源换热器释放热量，管道节流、金属容器内膨胀制冷、喷淋、空气中散热多次降温后，接近井水温度返回到井底。炎热盛夏室温控制器设置在强冷模式，热泵机组自动切换到制冷工况工作，循环泵工作，冷凝换热器快速释放冷量降低防冻液温度，防冻液不断将冷量传导给铜盘管，使铜盘管内循环水变成深冷水供给室内散热器，快速降低室内温度。热泵机组通过制冷剂循环将热量送到蒸发换热器中，密闭容器中的水吸热变成热水，一路供给生活使用，一路经过常冷模式相同方式多次降温后，再回流到井底。 

本发明的优点如下：

1、该装置利用家用空调改装热泵，将水源热泵、地源热泵、空气源热泵技术优化组合，一套装置即完成了深层地下水、污水和浅层土壤的低品位能量回收，又将热泵空调机组运行发热能量回收利用，其制备的冷量和热量同时回收利用，其能效比（EER）高于任何单一热泵，在内蒙古和河北地区冬季运行测试能效比可达到6以上。

2、地源换热器和水源换热器都是利用的土壤和水体中储藏的太阳能资源，属于可再生的清洁能源。

3、深层井水温度与地表空气温差大，波动小，使热泵运行更稳定可靠，解决了寒冷冬季家用空调不能开机和夏季反复除霜增加耗电的技术难题；克服了冬季地源热泵制热能效低的缺点。

4、该装置用一眼水井，替代水源热泵的四眼水井(需要新增三眼以上回流水井)，打井投资节约3/4，地源换热器埋深1.5-2m，仅为地埋管换热器埋深的1/2，管道用量减少1/3,节约地埋管投资1/3。热泵装置多数利用旧空调节能改造，同面积供暖与新购热泵机组投资比较减少4/5。一次性综合投资是水源热泵空调的1/3，地埋管地源热泵空调的1/4，空气源热泵空调的1/5。全年运行费用仅为三项平均费用的1/2。

5、该装置体积小，热泵机组蒸发和冷凝换热器集成设计，可分列和立体叠加组合安装，仅需家用冰箱空间，节省了建筑面积；多单元地源换热器和挠性地暖管可以任意埋设，不扰动建筑地基，不占用地表面积，也不影响庭院种植和美观。采用地暖管做散热器舒适性好、即整洁美观又节省居室面积，。

6、该装置具有多种实用功能。为居室冬季供暖、夏季降温，提供生活和洗浴热水，提供温水灌溉还可提高蔬菜产量和营养品位。

7、该装置的节能控制采用PLC人机对话，面板按钮和遥控双模式操作。冬季制热设计了常热和强热两种模式，热泵、循环泵、电加热根据室温要求自动控制，热泵制热和电加热采用了时钟控制器切换，充分利用了23:00-7:00波谷优惠电价。夏季制冷设置了常冷和强冷两种模式。夏季灌溉和生活用水量越大，热泵制冷能效比越高。冬季污水排放量越多，热泵制热效果越好。

7、该装置回收利用城市垃圾（废弃物），有利于环境保护。随着城镇居民生活水平的提高和电价上涨，城镇办公和居民早期安装的空气源定频空调陆续被节能型变频空调取代，目前拆下的空调多数流入旧家电市场被解体卖铜，即造成了二次冶炼的能源浪费，又增加了气体和固体废弃物排放污染。利旧空调改装热泵，即降低了热泵成本又减少了对环境的污染。

附图说明

图1为本发明的多源热泵调温装置的结构示意图；

图2为本发明节能控制电气原理图。

具体实施方式

参照附图1，本发明包括深水井1、深水泵2、止回阀3和8、电磁阀组、循环泵9、室温控制器10、水冷空调热泵机组11、冷凝换热器12、电加热器13、散热器14、高位水箱15、自动补水阀16、止回阀17、室内热水阀18、室外热水阀22、给水分配器23、污水管道24、换热管道25、地下污水源换热器26、污水井27、地源换热器28、调温阀29、洗浴喷头30、蒸发换热器31、压力平衡罐32、回水分配器33组成。电磁阀组包括电磁阀4、5、6、7、19、20、21，水冷空调热泵机组是由安装在开式箱体中的双压缩机空调装置，箱体中灌充防冻液，使双压缩机空调装置的发热单元全部浸泡在防冻液中。双压缩机空调装置的蒸发器安装在一个密闭容器中与壳程水质构成蒸发换热器，双压缩机空调装置的冷凝器安装在开式箱体中与铜盘管、冷冻液构成冷凝换热器，在冷凝换热器的箱体中的铜盘管与散热器14闭合连接，在散热器和铜盘管构成的水循环系统中设有循环泵9，在散热器9两端的进水和回水管路上分别设有给水电磁阀19、止回阀8和回水电磁阀7；深水泵2安装在水源井1中，深水泵2的出口管路通过电磁阀4与蒸发换热器31连接，蒸发换热器的出水管路通过一个电磁阀21、给水分配器23与地下污水源换热器26连接，地下污水源换热器26为地暖管，其缠绕在地下污水管道24外侧和地下污水池27内部，并且与地源换热器28连接，地源换热器28与一个喷淋冷却器33连接，喷淋冷却器33安装在水源井1的井口上，向水源井内喷淋回水；深水泵2的出口管路通过一组电磁阀组6连接到散热器14和高位水箱15，构成独立的水循环回路和补水系统，室温控制器10连接循环泵9、水冷空调装置的压缩机、四通阀和电磁阀组，对其进行电气控制。

本发明的工作原理和节能控制方法是：将现有水井深水泵2的出口管路与水冷空调热泵机组11蒸发换热器连接，正常冬季节室温控制器10设置在常热模式，热泵机组11切换到制热工况，蒸发换热器31吸收井水的热量使冷媒升温气化，同时水质降温变成深冷水，完成第一次热交换；蒸发换热器出水管路与地下污水源换热器26连接，深冷水流动时吸收了地下污水管道24、地下污水池27的余热（冬季排放污水温度在15-20℃）和土壤中的地热（地源换热器28）变成冷水，完成第二次热交换；多路冷水在井口的喷淋冷却器33汇流混合后以扇状喷淋，与水源井中自然上升的热气对流、与井壁浅层渗水混合变成温水，完成第三次热交换；滴落到水面的温水在潜水泵的虹吸下完成与深层水混合达到井水初始温度，完成第四次热交换。热泵机组11的冷凝器释放的热量通过防冻液传导给铜盘管，铜盘管中的水质吸收防冻液热量，变成采暖热水，在管道循环泵9的驱动下不断的将热水送到室内各散热（冷）器14，散热器回水再回到冷凝换热器二次加热，以此实现室内供暖。寒冬季节室温控制器10设置在强热模式，热泵机组启动双机工作制热，如果测温元件检测温度达不到室内设定温度，冷凝换热器中设置的电加热装置将自动启动，电加热由热水温度和时钟控制器双重控制，PLC优先在用电谷段启动。

正常夏季室温控制器10设置在常冷模式，热泵机组和循环泵不工作，深井泵将冷水直接送入室内各散热器，散热器释放冷量降低室温，吸热后变成的温水陆续进入污水源、地源换热器释放热量，管道节流、金属容器内膨胀制冷、喷淋、空气中散热多次降温后，接近井水温度返回到井底。

炎热盛夏室温控制器设置在强冷模式，热泵机组自动切换到制冷工况工作，循环泵工作，冷凝换热器快速释放冷量降低防冻液温度，防冻液不断将冷量传导给铜盘管，使铜盘管内循环水变成深冷水供给室内散热器，快速降低室内温度。热泵机组通过制冷剂循环将热量送到蒸发换热器中，密闭容器中的水吸热变成热水，一路供给生活使用，一路经过常冷模式相同方式多次降温后，再回流到井底。 

由于夏季井水温度与室外温度梯度较大，室温控制器10设定后会自动切换电磁阀组4、5、6、7到常冷模式此时井水通过6直接进入14-19-20-21进入污水源换热器26（不经过电磁阀4-蒸发换热器31），热泵机组11和循环泵9自动停机，仅有深水泵工作便可满足正常夏季室内降温（5-10℃）要求。只有在盛夏，才需要设置室温控制器到强冷模式。

夏季散热器14回流温水另一支路与各生活用热水点连接，保证了夏季使用温水需要。蒸发换热器31制备的热水另一路与淋浴器连接，保证了洗浴热水需要。夏季温水和热水用量越大热泵机组制冷能效比越高。

室外排水阀22用于庭院灌溉，通过常冷和强冷运行排出的温水和热水用于植物浇灌可加快蔬菜早熟，提高产量和营养价值。

散热器14的水量由于室内温水使用会减少，高位水箱自动补水阀根据水位变化自动补充，冬季高位水箱还可以起到暖气排气和恒压功能。逆止阀17保证了常冷运行模式高位水箱不溢流，逆止阀3保证了突然停电时系统水不回流到井内。逆止阀3和8同时保证潜水泵2和循环泵9不产生倒转造成启动过负荷。

经过深井泵、热泵机组、管道循环泵的三个系统循环，将低品位冷热能源转变成调节室内温度的高品位能源。由于三个系统均采用的是闭路循环，室温调节全过程地下水无消耗（不考虑生活用水消耗），无污染，热泵机组占地面积小，地源和污水源换热器地下埋设不影响庭院养殖和种植，地热场不受破坏。尽管北方四季分明，但是庭院自备深水井的水温一年四季可稳定在13-15℃。它冬季的热量是夏季地表面受到太阳辐射经过季节周期传导到地下储存的。而夏季的冷量是冬天冷空气经过季节周期传导储存的。由于生活和种植用水消耗，使砂层内的水体常年处于不断流动状态，水体依靠巨大的深层地场换热保持水温的恒定。地源换热器是利用了地埋管将冻层以下土壤作为热源/热汇，冬季加热流动水，夏季冷却流动水。由于设置了若干个金属容器不但增大了地源换热面积。而且兼有膨胀阀功能，提高了冷却效果。由于在污水管道外侧绑扎和污水池内侧缠绕了地暖管，即将生活污水余热全部回收，又降低了污水温度，减少了污水挥发带来的庭院空气污染。

所述户用水源井为深度20-30m的双水层普通饮用水井，安装有约40m扬程深井泵。

所述的喷淋冷却器安装于井口，配置可调水流型喷头。

所述地源换热器为冻层以下埋设的若干个金属常压容器与管道组成；其间填充有相变蓄能材料。

所述的地暖管道为导热性能好，耐腐蚀对水质无污染的PE-x管材，绑扎在污水管道外壁和缠绕在污水池内壁的管路余热回收单元。

所述的热泵机组为分体式空调器改制的水冷型双压缩机浸入式特殊热泵机组。

所述的室内散热器为现有的地暖管或散热片。

参照附图2说明该装置的电气保护方法。该装置配电箱设有总漏电保护器46和接地保护；热泵压缩机设有过热保护器36、37、过流保护器38、39；潜水泵和排水泵设有过热保护器41、42和接地保护。

参照附图2说明该装置的具体控制方法。本发明的电气单元包括：第一压缩机34、第二压缩机35、过热保护器36、37、过流保护器38、39、接线端子排40、潜水泵过热保护器41、排水泵过热保护器42、排水泵43、潜水泵2、回水电磁阀5、供水电磁阀4、冷水箱温度表44、检测电源插座45、漏电保护器46、排水泵开关47、潜水泵开关48、电加热时钟开关49、冷热转换开关50、电加热温控器51、循环泵开关52、电加热开关53、热泵开关54、热泵运行指示灯55、电源指示灯56、热水箱温度表57、电加热器13、温控器传感器58、循环泵9、常冷回水电磁阀7、常冷给水电磁阀19、室温控制器10、1#压缩机启动电容器59、1#压缩机温控开关60、2#压缩机启动电容器61、2#压缩机温控开关62、四通换向阀63。

常热运行操作方法：室温控制器10设定在常热模式→漏电保护器46开→电源指示灯56亮→冷热转换开关50切换到热挡→四通换向阀64得电打开→热泵开关54开→热泵运行指示灯55亮→两台压缩机工作→热泵换热器工作；供水电磁阀4开→回水电磁阀5开→潜水泵开关48开→多源换热器工作；循环泵开关52开→室温低于设定温度循环泵自动启动低速运行→空调换热器处于常温弱循环工作状态。

强热运行操作方法：室温控制器10设定在强热模式→电加热温控器51设定在高温段(50-80℃)→电加热开关53开→电加热器13工作→循环泵9自动切换到高速运行→空调换热器处于高温（热泵和电双重制热）强循环工作状态。

常冷运行操作方法：室温控制器10设定在常冷模式→漏电保护器46开→电源指示灯56亮→常冷给水电磁阀19开→常冷回水电磁阀7开→回水电磁阀5开→供水电磁阀4关→深水泵开关48开→空调换热器和多源换热器工作；热泵开关54关→热泵换热器停止工作。

强冷运行操作方法：室温控制器10设定在强冷模式→漏电保护器46开→电源指示灯56亮→冷热转换开关50切换到冷挡→四通换向阀63关闭→热泵开关54开→热泵运行指示灯55亮→两台压缩机工作→热泵换热器工作；供水电磁阀4开→回水电磁阀5开→深井泵开关48开→多源换热器工作；循环泵开关52开→室温高于设定温度循环泵自动启动中速运行→空调换热器处于低温中循环工作状态。

参照附图2说明该装置的液位和压力控制方法。该装置散热器设有高位水箱用于系统排气和膨胀储水，当用户使用热水时，高位水箱水位下降，浮球阀自动补水，以保证循环泵恒压运行，不会造成缺水运行运行损坏。深井水系统设有压力平衡罐，达到设定压力深井泵自动停机，压力罐保证恒压供水和突然停电连续供水。

Claims (5)

1.一种多源热泵调温装置，包括水冷空调热泵机组、室温控制器、高位水箱、散热器、电加热器、地下污水源换热器、地源换热器、管道循环泵、深井泵，其特征是：水冷空调热泵机组是由安装在开式箱体中的双压缩机空调装置构成，双压缩机空调装置由双压缩机、四通换向阀、蒸发器、冷凝器、过滤器、单向阀、节流阀和温控元件相互连接组成，在压缩机、四通换向阀上连接有空调控制器，开式箱体中安装有电加热器并添加有防冻液，双压缩机空调装置运行发热单元和管路浸泡在防冻液中，双压缩机空调装置的蒸发器安装在一个密闭的容器中构成蒸发换热器，双压缩机空调装置的冷凝器安装在开式箱体的下部，构成冷凝换热器，在冷凝换热器的箱体中设有铜盘管热交换管，热交换管与散热器闭合连接，深井泵的出口管路与蒸发换热器连接，蒸发换热器的出水管路与地下污水源换热器连接，污水源换热器与地源换热器连接，地源换热器末端连接一个喷淋冷却器；深井泵的出口管路通过电磁阀组分别与冷凝器、蒸发器、散热器和高位水箱连接，使得深井泵与蒸发换热器、冷凝换热器、散热器形成相对独立的三套净水循环系统，室温控制器与两个压缩机、四通换向阀、管道循环泵和电磁阀组电气连接；高位水箱的进水口通过电磁阀组与水源井中的深水泵连接，出水口与散热器的进水管道连接。

2.根据权利要求1所述的多源热泵调温装置，其特征是：所述地下污水源换热器由缠绕在污水井内的PE地暖管构成。

3.根据权利要求1所述的多源热泵调温装置，其特征是：所述地下污水源换热器与喷淋冷却器之间连接有地源换热器。

4.根据权利要求1所述的多源热泵调温装置，其特征是：所述地源换热器由埋设在冻土层以下的金属容器构成。

5.一种根据权利要求1所述的多源热泵调温装置的节能控制方法，其特征是：将现有水井深井泵的出口管路与水冷空调热泵机组蒸发换热器连接，正常冬季室温控制器设置在常热模式，热泵机组切换到制热工况，蒸发换热器吸收井水的热量使压缩机制冷剂升温气化，同时水质降温变成深冷水，完成第一次热交换；蒸发换热器出水管路与地下污水源换热器连接，深冷水流动时吸收了地下污水管道、地下污水池的余热和土壤中的地源换热器转换的地热变成冷水，完成第二次热交换；多路冷水回到井口汇流混合后以扇状向井下喷淋，与深水井中自然上升的热气对流、与井壁浅层渗水混合变成温水，完成第三次热交换；滴落到水面的温水在深井泵的虹吸下完成与深层水混合达到井水初始温度，完成第四次热交换；热泵机组的冷凝器释放的热量通过防冻液传导给铜盘管，铜盘管中的水质吸收防冻液热量，变成采暖热水，在管道循环泵的驱动下不断的将热水送到室内各散热器，散热器回水再回到冷凝换热器二次加热，以此实现室内供暖；寒冬季节室温控制器设置在强热模式，热泵机组启动双机工作制热，如果室温控制器的检测元件判定达不到室内设定温度，冷凝换热器中设置的电加热装置将自动启动，电加热由热水温度和时钟控制器双重控制，PLC优先选择在用电谷段启动；正常夏季室温控制器设置在常冷模式，热泵机组和循环泵不工作，深井泵将冷水直接送入室内各散热器，散热器释放冷量降低室温，吸热后变成的温水陆续进入污水源、地源换热器释放热量，管道节流、金属容器内膨胀制冷、喷淋、空气中散热多次降温后，接近井水温度返回到井底；炎热盛夏室温控制器设置在强冷模式，热泵机组自动切换到制冷工况工作，循环泵工作，冷凝换热器快速释放冷量降低防冻液温度，防冻液不断将冷量传导给铜盘管，使铜盘管内循环水变成深冷水供给室内散热器，快速降低室内温度；热泵机组通过制冷剂循环将热量送到蒸发换热器中，密闭容器中的水吸热变成热水，一路供给生活使用，一路经过常冷模式相同方式多次降温后，再回流到井底。