专利名称：利用低谷电力蓄能的调峰地源热泵系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在电力低谷时间段上利用地下单元蓄能的调峰地源热泵系统，属于机械类供暖(F24)和制冷设备(F25)领域。
地源热泵系统利用了地下温度的稳定，达到了一机冷暖两用并稳定运行的目的，无需除霜和辅助热源。同时，由于降低了冷凝蒸发温差，大量节约了能源。由于系统运行在良好的工况下面，设备寿命长，极少需要维护。地源热泵在大部分场合可完全取代燃料锅炉，节约了建筑空间，减少了管理费用，极大地减轻了燃料供暖对城市环境的污染。但另一方面，由于涉及较大的地下系统的施工，系统前期投资增加。
世界范围几乎所有的电网电力都面临电力不平衡，峰谷用电差别极大的问题。在中国，迅猛发展的空调是造成这一局面的重要因素。在某些城市，建筑中空调用电已占总用电量的50％以上。目前中国各电网除极个别省外，均实行峰谷分时电价，执行峰谷销售电量约3500亿千瓦时，占全国总销售电量的40％。这个趋势还在增加之中。
在空调工业中，蓄冷调峰技术得到鼓励。其中应用最广泛的是冰蓄冷技术。在中国已有蓄冷空调系统数十座，在美国超过4000座，在日本超过2000座。
由于大量节约了高峰季节(夏季)的空调用电量，地源热泵在某种程度上起到了调峰的作用，但并未避开一日之内的高峰用电时间。本发明所提出的调峰地源热泵系统，是在地源热泵的基础上，利用其地下换热系统来在土壤中储存能量。目的是在不增加成本的基础上，利用峰谷时间的电力差价，减少空调和取暖系统的运行费用，增加电力系统的运行效率，同时提高地源空调系统的可靠性并减少初期投资。
调峰地源热泵主要由压缩机(1)、电动或手动四通阀(2)、冷凝器(3)、膨胀阀(4)、蒸发器(5)、冷却塔(7)、闭式地下换热单元(8)、室内单元(9)、用于循环水路切换的电动四通阀(10，11)、循环水泵(12，13，14)、温度传感器以及控制单元等组成。如需生活热水供应，可在压缩机出口处接入换热器(6)。如果冬季的室外空气温度太低，可在换热器(3)和换热器(7)之间接入辅助热源(15)。辅助热源可以由电热提供。在供热模式下，冷凝器(3)和蒸发器(5)的功能与其在制冷模式下完全相反，故均被称为换热器。
本发明的技术方案是制冷剂循环通道上设有四通阀(2)使系统可在季节间切换制冷或制热模式，同时，通过联接冷却塔、地下单元和室内单元的四通阀(10，11)的切换，可将地下换热单元联接在冷凝器上，作为夏季制冷的散热单元，或者在夜间电力低谷时间段上，将其联接于蒸发器上，以降低土壤温度，作为储存冷量单元。通过四通阀的操作由控制单元自动完成。
与常规的地源热泵相比，调峰蓄能地源热泵系统的主要特点是使用低谷时间段的低廉电力，可更进一步显著地降低空调运行成本。同时，通过反向蓄能，保持地下土壤的适当温度，极大地提高了空调和供暖系统的稳定性。由于避免了能量积累，地源热泵空调系统对地下土壤容积的需求大大减少，从而节省地下空间，降低地下换热单元的成本。
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明
图1是一个典型的水-水式调峰地源热泵的实施案例示意图。压缩机(1)、电动或手动四通阀(2)、冷凝器(3)、膨胀阀(4)和蒸发器(5)组成封闭的制冷循环系统。冷凝器(3)和蒸发器(5)均采用水冷换热器，其进出口水管与冷却塔(7)、地下循环换热单元(8)以及室内单元(9)联接。后三者内的循环液均由独立的水泵(12，13，14)驱动。系统中接入电热辅助热源(15)已备在寒冷地区使用。
图2是夏季用电峰高峰期间的系统联接示意图。四通阀(2)设定制冷循环方向，使系统处在制冷循环模式上。冷凝水经过水泵进入冷却塔(7)，四通阀(10)联接冷却塔出口和地下换热单元(8)的入口，再经过四通阀(11)和四通阀(10)回冷凝器。冷却塔和地下换热单元以串联的方式共同承担了散热任务。在蒸发器上，机组冷水经过水泵(14)运至室内，流经末端设备给空间提供冷量。如有需要，可在压缩机出口端接入换热器(6)，并以此向外部提供生活热水。该热水部分不受系统循环方向之影响，在冬、夏季均处在供热状态。系统中辅助热源处于断开状态。
图3是夏季用电峰低谷期间的系统联接示意图。四通阀(2)仍然处在制冷模式上。但四通阀(10)使冷却塔和地下换热单元处于分离状态，冷却塔回水直接进入冷凝器。四通阀(11)接通地下换热单元和蒸发器，使其和室内单元一起，串联向蒸发器散热。在空间因此获得冷量的同时，地下土壤温度也因此而降低。辅助热源(15)仍然断开。
图4是冬季用电峰高峰期间系统的联接示意图。四通阀(2)反向设置，系统处在供热状态。四通阀(11)将室内单元和地下换热单元分离。仅室内单元中的循环水从换热器(5)中吸收热量，给空间供暖。同时四通阀(10)将冷却塔和地下换热系统串联接入换热器(3)。节流降温后的制冷液通过地下冷却塔和换热单元从空气和土壤中吸收热量，而使温度得到提升。如果室外温度太低，可避开冷却塔(7)而仅使用地下换热系统来吸收地下热量，但辅助热源仍然断开，土壤为唯一外部能量来源。
图5是冬季用电低谷期间系统的联接示意图。四通阀(2)仍反向设置，系统处在供热状态。四通阀(11)将室内单元和地下换热单元串联。从换热器(5)吸收热量后的循环水通过室内单元向空间供热。经过室内单元的循环水再进入地下换热单元，为土壤加温，储蓄能量。节流降温后的制冷液通过冷却塔从空气中吸收能量而恢复。此时，如果室外空气温度太低，辅助热源(15)将自动接通。辅助热源是利用此时廉价的电力产生的。
四通阀(10，11)、循环水泵(12，13，14)、辅助热源(15)等均由相应的控制单元来操作。控制单元接入时钟、温度传感器(可包括，但不限于，进出口水温、地下土壤温度、室内外空气温度等)。控制单元根据采集的温度数据，以及峰谷分时电费价格，在适当的模型上来操作各部件的动作。
权利要求
一种在电力低谷时间上利用地下单元蓄能的调峰地源热泵系统，主要由压缩机(1)、电动或手动四通阀(2)、冷凝器(3)、膨胀阀(4)、蒸发器(5)、冷却塔(7)、闭式地下换热单元(8)、室内单元(9)、用于循环水路切换的电动四通阀(10，11)、循环水泵(12，13，14)、温度传感器以及控制单元等组成。其特征在于1、在制冷剂循环通道上设有手动或电动的四通阀(2)，分别联接压缩机、冷凝器和蒸发器，切换四通阀(2)使系统在季节间转换制冷或制热模式。同时在冷却塔、地下换热单元和冷凝器之间设有电动四通阀(10)，在地下换热单元和冷凝器之间设有电动四通阀(11)。通过四通阀(10，11)的位置切换，分别将地下换热单元联接在冷凝器上，或者将其联接于蒸发器上。
2.根据权利要求1所述的调峰地源热泵系统，其特征在于在冷却塔和/或地下换热单元回路上设有辅助热源。其热源可以是电热。
3.根据权利要求1所述的调峰地源热泵系统，其特征在于在压缩机出口处可联接换热器并与外部水源联接，以提供热生活热水。
4.根据权利要求1所述的调峰地源热泵系统，其特征在于地下换热单元为封闭循环系统。垂直或水平埋置于地下的管道内填充循环液体，并以水泵驱动。
5.根据权利要求1所述的调峰地源热泵系统，其特征在于系统设有与多个与温度传感器相联的控制单元。控制单元联接并操作电动四通阀(10，11)，以及循环水泵、辅助热源等。
6.根据权利要求1所述的调峰地源热泵系统，其特点在于四通阀也可以由分离的电动阀门取代。
全文摘要
一种在电力低谷时间上利用地下单元蓄能的调峰地源热泵系统,主要由压缩机(1)、电动或手动四通阀(2)、冷凝器(3)、膨胀阀(4)、蒸发器(5)、冷却塔(7)、闭式地下换热单元(8)、室内单元(9)、用于循环水路切换的电动四通阀(10,11)、循环水泵(12,13,14)、温度传感器以及控制单元等组成。通过四通阀(10,11)的切换,可将地下换热单元联接在冷凝器上,作为夏季制冷的散热单元,也可在夜间电力低谷时间段上,将其联接于蒸发器,以降低土壤温度,储存冷量。与常规地源热泵相比,调峰蓄能地源热泵系统可更进一步降低运行成本。同时,通过反向蓄能,避免地下的能量积累,保持适当的土壤温度,极大地提高了系统的稳定性,并使所需要的地下容积和管道长度大大减少,从而节省了空间,降低了地下单元的成本。
文档编号F25B25/00GK1389689SQ0111855
公开日2003年1月8日 申请日期2001年6月1日 优先权日2001年6月1日
发明者徐云生 申请人:徐云生