CN104613674B - 土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，包括地埋管换热器，所述地埋管换热器与相连接的水源燃气热泵机组构成循环回路一，所述水源燃气热泵机组分别与相连接的热回收换热器和空调末端设备构成循环回路二和循环回路三，所述热回收换热器分别与相连接的生活热水换热器和生活热水储水箱构成循环回路四和循环回路五，所述生活热水换热器与所述水源燃气热泵机组构成循环回路六，所述循环回路一、循环回路二、循环回路三、循环回路四、循环回路五以及循环回路六均与系统相匹配的生活热水供应控制器相连接。本发明的有益效果为：运行效率高，节约能耗；不损害地下水资源，适用性广，自动化程度高，并且控制科学、合理。

Description

土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统

技术领域

本发明涉及一种土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统。

背景技术

地源热泵是利用浅层地能进行供热制冷的高效节能环保的新型空调技术。地源热泵是利用地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，通过深埋于建筑物周围或底板下的管路系统，采用热泵原理，通过少量的高位电能输入，实现低位热能向高位热能转移，使地下岩土体与建筑物完成热交换的一种技术。

地源热泵空调系统主要分为三个部分：室外地埋管换热系统、热泵机组系统和室内采暖空调末端系统；通过室外地埋管换热系统，冬季，热泵机组从地下岩土体中吸收热量，向建筑物供暖；夏季，热泵机组从室内吸收热量并转移释放到地地下岩土体中，实现建筑物空调制冷；由于地埋管换热系统为热泵机组提供的冷源水和热源水的温度接近地下温度，在夏季低于室外空气温度，在冬季高于室外空气温度，所以地源热泵相较传统的风冷热泵空调系统，能效比更高，能够显著节约能源。

燃气水源热泵：燃气水源热泵采用燃气发动机驱动压缩机，采用地下水、地表水、污水等作为冷热源，具有较高的节能效果，其优点为：①燃气发动机驱动的热泵机组相对于传统热泵机组，能更充分利用燃料，具有较高的一次能源利用率；②燃气发动机驱动的压缩机可以连续改变转速，实现制冷量的连续调节，而且制冷压缩机的性能系数保持不变，因此燃气—水源热泵的变负荷调节能力很强；③由于天然气是清洁燃料，在燃烧过程中不产生灰渣，燃烧后的排放物较少，能够减少温室气体及大气污染物的排放量；④发展燃气空调，可以弥补城市在夏季燃气用量的低谷，起到调峰作用；⑤冬季运行时，利用燃气发动机废热除霜，可以减少甚至免除制冷剂逆向流动融霜，提高了热泵机组供热质量及运行可靠性，提高了热泵机组的制热性能系数，能够在更低的环境温度下运行，适用于我国绝大部分地区；⑥相比空气源热泵而言，具有更高的能效比。

电驱动水源热泵与地埋管换热器组合形成的土壤源热泵系统已得到广泛应用，土壤源热泵系统中水源热泵机组使用的水源为经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水。

但是现有的水源燃气热泵却存在以下缺点：1、地下水源燃气热泵不易通过政府审批，极易破坏、污染地下水资源，地下水量、水质不易达标，回灌难度大；2、地表水源燃气热泵在建筑项目附近不易找到全年稳定、丰富、水质温度适宜的地表水资源，且地表水的温度一般与室外空气温度比较接近，机组运行效率不高。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，可提高系统运行效率，节约系统能耗，在冬季供暖、夏季供冷的同时，可全年提供生活热水并回收燃气发动机的冷却余热，合理控制系统制取生活热水，自动化程度高的土壤源燃气热泵供热、供冷和供热水系统，有效的克服了目前现有技术存在的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，包括地埋管换热器，所述地埋管换热器与相连接的水源燃气热泵机组构成循环回路一，所述水源燃气热泵机组分别与相连接的热回收换热器和空调末端设备构成循环回路二和循环回路三，所述热回收换热器分别与相连接的生活热水换热器和生活热水储水箱构成循环回路四和循环回路五，所述生活热水换热器与所述水源燃气热泵机组构成循环回路六，所述循环回路一、循环回路二、循环回路三、循环回路四、循环回路五以及循环回路六均与生活热水供应控制器相连接。

进一步的，所述循环回路一包括与所述水源燃气热泵机组和地埋管换热器相连接的两个地埋管换热器检修关断阀，其中，所述地埋管换热器的输出端与所述地埋管换热器检修关断阀之间设有地埋管循环泵。

进一步的，所述循环回路二包括与所述水源燃气热泵机组和热回收换热器相连接的两个热回收换热器检修关断阀，其中，所述热回收换热器的输出端与所述热回收换热器检修关断阀之间设有热回收循环泵。

进一步的，所述循环回路三包括与所述水源燃气热泵机组和空调末端设备相连接的两个空调水电动阀，其中，所述空调末端设备的输出端与所述空调水电动阀之间设有空调水循环泵。

进一步的，所述循环回路四包括与所述热回收换热器输入端和输出端相连接的两个热回收换热器电动阀，所述热回收换热器电动阀通过生活热水换热器电动阀一与所述生活热水换热器相连接，其中，所述生活热水换热器输出端的生活热水换热器电动阀一与所述热回收换热器电动阀之间设有生活热水循环泵。

进一步的，所述循环回路五包括热回收换热器，所述热回收换热器通过两个热回收换热器电动阀与所述生活热水储水箱相连接，并且所述生活热水储水箱的输出端与所述热回收换热器电动阀之间设有生活热水循环泵。

进一步的，所述循环回路六包括水源燃气热泵机组，所述水源燃气热泵机组的输入端和输出端依次通过空调水电动阀和生活热水换热器电动阀二与所述生活热水换热器相连接，其中，所述生活热水换热器输出端的生活热水换热器电动阀二与所述空调水电动阀之间设有空调水循环泵。

进一步的，所述水源燃气热泵机组连接有燃气紧急关断阀，所述水源燃气热泵机组与所述燃气紧急关断阀之间设有燃气表。

进一步的，所述生活热水储水箱上设有温度传感器。

本发明的有益效果为：

1、运行效率高，节约能耗，相较现有燃气热泵系统，本发明使用经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水作为水源，将燃气热泵的系统和土壤源热泵系统的优点结合起来，在直接使用燃气、提高一次能源利用效率的同时，节约能源；由于地下土壤冬暖夏凉，使用地埋管换热器的循环水作为水源，可提升燃气热泵运行的效率，从而减少电力消耗；

2、不损害地下水资源，相较现有水源燃气热泵系统，本发明使用经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水作为水源，不开采地下水，不使用地表水，不损害地下水资源，避免了常用水源热泵系统破坏地下水和地表水资源的通病，在节能的同时保护了水环境；

3、适用性广，相较现有水源燃气热泵系统，本发明不需使用地下水、地表水，只要建筑周边有一定的空地就可采用；

4、自动化程度高，本发明设有生活热水供应控制器和生活热水供应控制器，可对系统的各个组件进行智能控制，相较现有水源燃气热泵系统，热回收和制取生活热水的自动化程度高，控制科学、合理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统的结构示意图。

图中：

1、水源燃气热泵机组；2地埋管换热器；3、空调末端设备；4、热回收换热器；5、生活热水换热器；6、生活热水储水箱；7、地埋管循环泵；8、热回收循环泵；9、生活热水循环泵；10、空调水循环泵；11、生活热水供应控制器；12、燃气表；13、燃气紧急关断阀；14、空调水电动阀；15、生活热水换热器电动阀一；16、热回收换热器检修关断阀；17、热回收换热器电动阀；18、地埋管换热器检修关断阀；19、温度传感器；20、生活热水换热器电动阀二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明实施例的一种土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，包括地埋管换热器2，所述地埋管换热器2与相连接的水源燃气热泵机组1构成循环回路一，所述水源燃气热泵机组1分别与相连接的热回收换热器4和空调末端设备3构成循环回路二和循环回路三，所述热回收换热器4分别与相连接的生活热水换热器5和生活热水储水箱6构成循环回路四和循环回路五，所述生活热水换热器5与所述水源燃气热泵机组1构成循环回路六，所述循环回路一、循环回路二、循环回路三、循环回路四、循环回路五以及循环回路六均与生活热水供应控制器11相连接。

所述循环回路一包括与所述水源燃气热泵机组1和地埋管换热器2相连接的两个地埋管换热器检修关断阀18，其中，所述地埋管换热器2的输出端与所述地埋管换热器检修关断阀18之间设有地埋管循环泵7。

所述循环回路二包括与所述水源燃气热泵机组1和热回收换热器4相连接的两个热回收换热器检修关断阀16，其中，所述热回收换热器4的输出端与所述热回收换热器检修关断阀16之间设有热回收循环泵8；其中，所述热回收换热器检修关断阀16可在检修换热器时关断，以保证在检修时保证人身安全。

所述循环回路三包括与所述水源燃气热泵机组1和空调末端设备3相连接的两个空调水电动阀14，其中，所述空调末端设备3的输出端与所述空调水电动阀14之间设有空调水循环泵10。

所述循环回路四包括与所述热回收换热器4输入端和输出端相连接的两个热回收换热器电动阀17，所述热回收换热器电动阀17通过生活热水换热器电动阀一15与所述生活热水换热器5相连接，其中，所述生活热水换热器5输出端的生活热水换热器电动阀一15与所述热回收换热器电动阀17之间设有生活热水循环泵9。

所述循环回路五包括热回收换热器4，所述热回收换热器4通过两个热回收换热器电动阀17与所述生活热水储水箱6相连接，并且所述生活热水储水箱6的输出端与所述热回收换热器电动阀17之间设有生活热水循环泵9。

所述循环回路六包括水源燃气热泵机组1，所述水源燃气热泵机组1的输入端和输出端依次通过空调水电动阀14和生活热水换热器电动阀二20与所述生活热水换热器5相连接，其中，所述生活热水换热器5输出端的生活热水换热器电动阀二20与所述空调水电动阀14之间设有空调水循环泵10。

所述水源燃气热泵机组1连接有燃气紧急关断阀13，所述水源燃气热泵机组1与所述燃气紧急关断阀13之间设有燃气表12，所述燃气紧急关断阀13可与建筑物内消防系统的可燃气体报警系统连锁关断燃气管道，当系统发生故障时，及时关闭整个系统，避免造成重大损失，有效的提高了系统运行的安全可靠性，所述燃气表12一般由燃气公司安装，可对系统的用气、用能情况进行计量，便于掌握本系统的用能、节能情况。

所述生活热水储水箱6上设有温度传感器19，所述温度传感器19检测所述生活热水储水箱6内的水温，并将信息发送给生活热水供应控制器11，以及时调整系统的控制状态。

其中，本发明中的水源燃气热泵机组1将地埋管换热系统作为水源燃气热泵的冷热源，水源使用经所述地埋管换热器2与土壤进行换热后的循环水。

本发明中的热回收换热器4可利用现有技术制成，可将所述水源燃气热泵机组1内燃气发动机的余热回收制取生活热水；在所述热回收循环泵8的驱动下，所述水源燃气热泵机组1内的发动机和烟气冷却水流经所述热回收换热器4与所述生活热水储水箱6内的水换热，在所述,生活热水循环泵9的驱动下，所述生活热水储水箱6内的水再次流经所述热回收换热器4构成循环系统，其中，所述热回收换热器4可采用利用现有技术制成的套管换热器或板式换热器；所述生活热水储水箱6可采用利用现有技术制成的不锈钢或镀锌钢板保温闭式储水箱。

本发明中的生活热水换热器5可利用现有技术制成，可将生活热水储水箱6内的热水与所述水源燃气热泵机组1提供的空调供热热水换热制取生活热水，在所述空调水循环泵10的驱动下，所述水源燃气热泵机组1在冬季和过渡季提供的空调供热热水流经生活热水换热器5与所述生活热水储水箱6内的水换热；其中，所述生活热水换热器5可采用利用现有技术制成的套管换热器或板式换热器。

本发明设有所述生活热水供应控制器11，根据所述温度传感器19的温度值，控制热回收循环泵8、生活热水循环泵9、空调水电动阀14、生活热水换热器电动阀一15、生活热水换热器电动阀二20以及热回收换热器电动阀17动作，以进行科学合理的制取生活热水。

具体使用时，本装置中的地埋管循环泵7和空调水循环泵10在所述水源燃气热泵机组1开机时运行，且其启动先于所述水源燃气热泵机组。

所述生活热水换热器电动阀一15、生活热水换热器电动阀二20以及热回收换热器电动阀17均为电动调节阀，可根据控制信号调节阀门开度，并可根据所述生活热水换热器8、空调末端设备3以及生活热水换热器5与热回收换热器4的水力平衡的需要，预先进行调节，预先确定设定的最大开度。

所述水源燃气热泵机组1一般设有四通换向阀，并配有机组控制系统，在冬季和过渡季，由人工或建筑物楼控系统通过机组自带控制系统控制水源燃气热泵机组1，将其由供冷工况状态切换至供热工况状态；夏季机组处于供冷工况，无法通过所述生活热水换热器5为制取生活热水提供热量，但是夏季室外温度较高，自来水温较高，洗浴用水温度需求较低，且空调负荷大，燃气消耗量大，一般通过热回收换热器4回收的燃气热泵机组的发动机散热和烟气余热即可满足生活热水的热需求，如仍无法满足可使用现有技术另行配套热水电加热器补充热量。

具体控制策略为三种工况：

（a）在供冷季，机组处于供冷工况时，通过人工设定或接收楼控系统信号，将本发明所述生活热水供应控制器11切换到机组供冷时对应工况；即本发明使用所述热回收换热器4将所述水源燃气热泵机组1内燃气发动机的余热回收制取生活热水，所述热回收循环泵8和生活热水循环泵9根据所述生活热水箱温度传感器19的温度值运行，热水箱温度传感器19的温度值低于高限设定值（比如58度）时启动运行，热水箱温度传感器19温度值高于高限设定值（比如58度）时停机。

当热水箱温度值继续下降低于低限设定值（比如45度）时，所述生活热水供应控制器11向外部加热器（比如电加热器）发出启动信号，启动外部加热器加热生活热水箱6内的热水。外部加热器（比如电加热器）可为现有的热水电加热器，不作为本发明的组成部分。同时，在供冷季，所述热回收换热器电动阀17为最大开度开启状态，所述生活热水换热器电动阀一15和生活热水换热器电动阀二20关闭，所述空调水电动阀14保持开启不影响系统供冷。

（b）在冬季或过渡季，机组处于供热工况时，通过人工设定或接收楼控系统信号，将本发明所述生活热水供应控制器11的切换到机组供热时对应工况；即本发明优先使用所述热回收换热器4将所述水源燃气热泵机组1内燃气发动机的余热回收制取生活热水，所述热回收循环泵8和生活热水循环泵9根据所述生活热水箱温度传感器19的温度值运行，热水箱温度传感器19的温度值低于高限设定值（比如58度）时启动运行，热水箱温度传感器19的温度值高于高限设定值（比如58度）时停机。

当热水箱温度值继续下降低于低位设定值（比如45度）时，所述生活热水供应控制器11向所述生活热水换热器电动阀一15和生活热水换热器电动阀二20发出开启信号，并确认所述水源燃气热泵机组1和所述空调水循环泵10的运行状态，所述热回收换热器电动阀17保持为最大开度开启状态，而所述生活热水换热器电动阀15开启时以最小开度开启，在所述空调水循环泵10的驱动下，所述水源燃气热泵机组1提供的空调热水一部分流向所述空调末端设备3，另一部分旁通流经生活热水换热器5与所述生活热水储水箱6内的水换热，制取生活热水。

空调热水供水旁通后，空调热水的回水温度下降，所述水源燃气热泵机组1自带的机组控制系统可根据回水温度的变化自动增加机组的供热量，保证室内的空调效果和热水制取效果，如以最小开度开启生活热水换热器电动阀一15和生活热水换热器电动阀二20后，生活热水箱温度传感器19的温度值继续下降至设定下限值（比如42度），则所述生活热水供应控制器11向所述生活热水换热器电动阀一15和生活热水换热器电动阀二20发出控制指令，以设定的最大开度开启生活热水换热器电动阀一15和生活热水换热器电动阀二20，增加所述生活热水换热器5循环水流量，继而增大其换热量。

（c）在过渡季，建筑物空调系统停机时，设定所述水源燃气热泵机组1为供热工况，并通过人工设定或接收楼控系统信号，将本发明所述生活热水供应控制器11切换到空调系统停机时对应工况，即本发明使用所述,水源燃气热泵机组1的热水供水和内燃气发动机的余热回收以及机组提供的空调供热水同时制取生活热水；所述水源燃气热泵机组1、热回收循环泵8、生活热水循环泵9以及空调水循环泵10根据生活热水箱温度传感器19的温度值运行，热水箱温度传感器19的温度值低于高限设定值（比如58度）时启动热回收循环泵8、生活热水循环泵9以及空调水循环泵10运行，热水箱温度传感器19的温度值高于高限设定值（比如58度）时停机。所述生活热水换热器电动阀一15和生活热水换热器电动阀二20一直保持最大开度开启，并且所述热回收换热器电动阀17也以设定的最大开度开启。

其中，所述热回收换热器电动阀17以设定的最大开度开启，指的是以可保证所述生活热水换热器5和空调末端设备3、生活热水换热器5与热回收换热器4的水力平衡的需要为标准而设定的最大开度开启，这个开度可在建筑物具体应用时，根据建筑物空调系统和热水系统的具体情况，按现有技术进行水力计算后确定。

所述生活热水供应控制器11可使用现有技术制成，比如使用基于通用PLC的智能控制器制成，控制程序可使用PLC厂家配套的开发工具根据上述三种工况的控制策略编制。

所述生活热水箱温度传感器19可使用Pt100铂电阻、配套温度变送器制成，可向生活热水供应控制器11传送生活热水储水箱6内的热水温度。

相较于现有燃气热泵系统，本装置具有运行效率高，节约能耗的特别，并且通过使用经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水作为水源，将燃气热泵的系统和土壤源热泵系统的优点结合起来，在直接使用燃气、提高一次能源利用效率的同时，节约能源；由于地下土壤冬暖夏凉，使用地埋管换热器的循环水作为水源，可提升燃气热泵运行的效率，从而减少电力消耗。

另外，相较现有水源燃气热泵系统，本装置还具有不损害地下水资源的特征，通过使用经地埋管换热器与土壤进行换热后的循环水作为水源，不开采地下水，不使用地表水，不损害地下水资源，避免了常用水源热泵系统破坏地下水和地表水资源的通病，在节能的同时保护了水环境。

相较现有水源燃气热泵系统，本发明不需使用地下水、地表水，只要建筑周边有一定的空地就可采用，适用性广；并且本装置还具有自动化程度高的特点，通过设有生活热水供应控制器和生活热水供应控制器，可对系统的各个组件进行智能控制，相较现有水源燃气热泵系统，热回收和制取生活热水的自动化程度高，控制科学、合理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，包括地埋管换热器(2)，其特征在于，所述地埋管换热器(2)与相连接的水源燃气热泵机组(1)构成循环回路一，所述水源燃气热泵机组(1)分别与相连接的热回收换热器(4)和空调末端设备(3)构成循环回路二和循环回路三，所述热回收换热器(4)分别与相连接的生活热水换热器(5)和生活热水储水箱(6)构成循环回路四和循环回路五，所述生活热水换热器(5)与所述水源燃气热泵机组(1)构成循环回路六，所述循环回路一、循环回路二、循环回路三、循环回路四、循环回路五以及循环回路六均与生活热水供应控制器(11)相连接,所述循环回路四包括与所述热回收换热器(4)输入端和输出端相连接的两个热回收换热器电动阀(17)，所述热回收换热器电动阀(17)通过生活热水换热器电动阀一(15)与所述生活热水换热器(5)相连接，其中，所述生活热水换热器(5)输出端的生活热水换热器电动阀一(15)与所述热回收换热器电动阀(17)之间设有生活热水循环泵(9)。

2.根据权利要求1所述的土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，其特征在于，所述循环回路一包括与所述水源燃气热泵机组(1)和地埋管换热器(2)相连接的两个地埋管换热器检修关断阀(18)，其中，所述地埋管换热器(2)的输出端与所述地埋管换热器检修关断阀(18)之间设有地埋管循环泵(7)。

3.根据权利要求1所述的土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，其特征在于，所述循环回路二包括与所述水源燃气热泵机组(1)和热回收换热器(4)相连接的两个热回收换热器检修关断阀(16)，其中，所述热回收换热器(4)的输出端与所述热回收换热器检修关断阀(16)之间设有热回收循环泵(8)。

4.根据权利要求1所述的土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，其特征在于，所述循环回路三包括与所述水源燃气热泵机组(1)和空调末端设备(3)相连接的两个空调水电动阀(14)，其中，所述空调末端设备(3)的输出端与所述空调水电动阀(14)之间设有空调水循环泵(10)。

5.根据权利要求1所述的土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，其特征在于，所述循环回路五包括热回收换热器(4)，所述热回收换热器(4)通过两个热回收换热器电动阀(17)与所述生活热水储水箱(6)相连接，并且所述生活热水储水箱(6)的输出端与所述热回收换热器电动阀(17)之间设有生活热水循环泵(9)。

6.根据权利要求1所述的土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，其特征在于，所述循环回路六包括水源燃气热泵机组(1)，所述水源燃气热泵机组(1)的输入端和输出端依次通过空调水电动阀(14)和生活热水换热器电动阀二(20)与所述生活热水换热器(5)相连接，其中，所述生活热水换热器(5)输出端的生活热水换热器电动阀二(20)与所述空调水电动阀(14)之间设有空调水循环泵(10)。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，其特征在于，所述水源燃气热泵机组(1)连接有燃气紧急关断阀(13)，所述水源燃气热泵机组(1)与所述燃气紧急关断阀(13)之间设有燃气表(12)。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的土壤源燃气热泵供热、供冷以及供热水系统，其特征在于，所述生活热水储水箱(6)上设有温度传感器(19)。