专利名称：以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种以地热能为单一辅助冷热源的、优化的水环热泵式空调系统，特别适用于建筑内年冷热负荷结构变化较大的公共建筑与民用建筑。
背景技术：
传统的水环热泵空调系统由室内的小型水/空气热泵机组、水循环环路、辅助设备(如冷却塔、加热设备、蓄热装置等)三部分组成，具有有效利用建筑内余热，节省常规空调所需的冷热源设备和机房空间等优点。水环热泵空调系统是供热时以循环水为加热源， 制冷时以其为排热源，因此当水环热泵空调系统制热运行的吸热量小于制冷运行的放热量时，循环环路中的水温升高，反之会降低，为了维持系统保持一定的性能系数，则需增设辅助加热和冷却装置。因此，虽然目前的水环热泵空调系统能够满足部分同事供热制冷需求，但是还存在以下主要问题系统需设置冷却塔、锅炉等辅助加热制冷装置，而这是有悖于能量分级利用的，严重浪费了高位能并导致设备复杂化，从而不利于监测控制；用户端采用单元式机组，压缩机在室内，导致其室内噪声甚至大于风机盘管的噪声；传统的水环热泵控制方法是采用冷却塔、加热设备、蓄热装置相配合，根据循环水系统的温度划分功能区进行控制，但是因为用户端采用的是分散的单元式机组，不同用户的空调使用情况差异较大，因此直接导致控制不利，降低系统性能。因此，如何改进辅助冷热源系统以及用户空调系统形式，提高系统性能和用户使用灵活性具有十分重要的意义。
发明内容
技术问题本发明为了解决目前水环热泵空调系统需要设置高品位辅助冷热源装置，且用户端采用分散的单元式机组造成的控制、噪声、性能等方面的问题，提供了一种以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，可以采用低品位地热能作为辅助冷热源、优化的水环热泵空调系统。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，该空调系统包括地源端系统、与地源端系统连通的用户端空调系统、接收用户端空调系统排热量和吸热量的闭式循环水系统和用于控制地源端和用户端空调系统的自动控制系统；
其中地源端系统包括压缩机、四通阀、气液分离器，以及由水-水换热器、蒸发换热器、冷凝换热器、膨胀阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门组成的功能切换区；
用户端空调系统包括供热端换热器和制冷端换热器；
闭式循环水系统为接受水-水换热器、蒸发换热器、以及末端用户供热端换热器和制冷端换热器排热量和吸热量的循环水系统，其中安装有温度传感器用以控制循环水温度；
自动控制系统包括温度传感器、控制面板和控制程序电路板；其中，压缩机出口与四通阀第一端口连接，四通阀的第二端口与气液分离器入口相连，气液分离器的出口与压缩机入口相连；
四通阀的第三端口和第四端口分别与蒸发换热器和冷凝换热器相连，蒸发换热器与冷凝换热器通过膨胀阀相连；蒸发换热器循环水的出口端与供热端换热器和制冷端换热器相连，并通过第二阀门回到蒸发换热器；
地源端循环水通过第三阀门与水-水换热器相连，通过第四阀门与冷凝换热器相连；水-水换热器的用户端分别与供热端换热器和制冷端换热器通过第一阀门连接，接受用户端的吸热和放热量；
温度传感器的温度探头接入闭式循环水系统中，并布置在供热端换热器和制冷端换热器入口的上游干管区域，使功能切换时温度传感器的探头端监测在水-水换热器用户端与土壤进行热交换后的水温。优选的，蒸发换热器、冷凝换热器内的换热工质分别为循环水和制冷工质，水-水换热器中换热工质一端为循环水，另一端为地源端循环水；
优选的，水-水换热器采用板式换热器，蒸发换热器、冷凝换热器采用板式、套管式换热器。优选的，地源端取热方式采用垂直埋管或者水平埋管。优选的，用户端空调系统采用传统的水环热泵系统中用户单体制冷机组，或采用制冷供热分开、根据用户需求划分的半集中式空调机组中任一种。优选的，半集中式空调机组采用风冷式空调器或用多联机变频空调器。有益效果该优化水环热泵空调系统中，可根据用户需求和冷热负荷结构的不同采用冷热集中式、半集中式空调机组，满足不同的空调末端功能、使用时间和控制需求；并且空调机组可采用风冷式空调器，也可采用多联机变频空调器，具有更大的灵活性，能够满足不同的末端需求。
图I为本发明的以地热能为单一辅助冷热源的优化的水环热泵空调系统结构示意图。图中，压缩机I、四通阀2、气液分离器3，水-水换热器4、蒸发换热器5、冷凝换热器6、膨胀阀7、第一阀门8、第二阀门9、第三阀门10、第四阀门11、功能切换区12 ;供热端换热器13、制冷端换热器14 ;温度传感器15，驱动控制器16。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。本发明提供的以地热能为单一辅助冷热源的优化的水环热泵空调系统，包括地热能末端系统、闭式循环水系统、半集中式/分体式供热和制冷空调系统、自动控制系统等部分。其中，地热能末端系统主要包括压缩机、四通阀、一个水-水换热器、两个水-工质换热器等。为了解决上述技术问题，本发明通过以下几个方面实现技术更新。以地热能为单一冷热源，可以有效减少设备控制单元，通过功能切换区阀门控制切换，以及地源端机组的附加加热制冷完成循环水系统的升温、降温，一次稳定内区常年制冷区的冷凝温度，有效提高内区制冷性能。由于地热能的稳定性，系统可以通过地热端机组的供热制冷切换，使地热能作为该单一辅助低品位冷热源，而无需分别加设高品位的辅助冷、热源及蓄热装置。系统通过监控循环水用户进水温度决定功能切换，具体来说，系统运行模式包括四种自给模式(模式一)时，建筑内余热可自行满足需求，地源端系统全部关闭；自给模式不能满足需求时，启动地源端循环换热模式(模式二)，即闭式循环水系统利用地热能直接换热，地源端机组关闭、水泵运行；当循环换热模式中的闭式循环水系统中的温度超过设定上限时，启动附加制冷模式(模式三)，即地源端机组开启制冷工况，在地源端蒸发换热器内完成闭式循环水的温度调节直至满足要求；当闭式循环水系统中温度低于设定下限，地源端机组开启附加供热工况(模式四)，地源端冷凝换热器内完成闭式循环水的温度调节直至满足要求。四种运行模式的切换实现了建筑内余热和低品位地热能的充分利用。由上述控制方法可以看出，只有在模式三、四中才会开启地源端机组进行附加供热和制冷。具体调节控制时可根据用户需求设置闭式循环水系统中需满足的基本温度(一般为13 35°C)，而土壤温度就在此范围内，大部分建筑内冷热负荷结构下采用模式二即可满足要求，因此，地源端附加供热和制冷量很小，相应的地源端机组的装机容量也大大降低。用户端分散的单元机组会造成用户侧噪声过大，并且由于用户使用差异较大，增大控制难度。在该优化水环热泵空调系统中，可根据用户需求和冷热负荷结构的不同采用冷热集中式、半集中式空调机组，满足不同的空调末端功能、使用时间和控制需求；并且空调机组可采用风冷。本发明提供了以地热能为单一辅助冷热源的、优化的水环热泵式空调系统。发明主要针对传统水环热泵空调系统运行过程中需分别加设冷、热源装置造成的高品位能源浪费等问题，以及传统系统中由于循环水系统温度不能稳定控制、从而导致常年制冷内区制冷系数较低的缺点，通过加设地热端装置，采用智能控制的方法，根据建筑负荷的不同构成充分利用低品位地热能，加强系统同时供热制冷性能的稳定性。同时由于地热能稳定性的特点，该系统可广泛适用于不同的气候类型。系统主要由地热能末端系统、闭式循环水系统、半集中式供热和制冷空调系统、自动控制系统组成。地源端系统的运彳丁控制|吴式包括模式一，建筑内余热可自行满足需求，地源端系统关闭；模式二，闭式循环水系统利用地热能直接换热，地源端机组关闭、水泵运行；模式三，闭式循环水系统中温度超过设定上限，地源端机组开启制冷工况，地源端蒸发换热器内完成闭式循环水的温度调节直至满足要求；模式四，闭式循环水系统中温度低于设定下限，地源端机组开启供热工况，地源端冷凝换热器内完成闭式循环水的温度调节直至满足要求。通过四种模式的切换，空调系统充分利用建筑内余热，同时高效利用低品位地热能。参见图1，本发明提供的以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，该空调系统包括地源端系统、与地源端系统连通的用户端空调系统、接收用户端空调系统排热量和吸热量的闭式循环水系统和用于控制地源端和用户端空调系统的自动控制系统；
其中地源端系统包括压缩机I、四通阀2、气液分离器3，以及由水-水换热器4、蒸发换热器5、冷凝换热器6、膨胀阀7、第一阀门8、第二阀门9、第三阀门10、第四阀门11组成的 功能切换区12 ；用户端空调系统包括供热端换热器13和制冷端换热器14 ；
闭式循环水系统为接受水-水换热器4、蒸发换热器5、以及末端用户供热端换热器13和制冷端换热器14排热量和吸热量的循环水系统，其中安装有温度传感器15用以控制循环水温度；
自动控制系统包括温度传感器15、控制面板和控制程序电路板；其中，
压缩机I出口与四通阀2第一端口连接，四通阀2的第二端口与气液分离器3入口相连，气液分离器3的出口与压缩机I入口相连；
四通阀2的第三端口和第四端口分别与蒸发换热器5和冷凝换热器6相连，蒸发换热器5与冷凝换热器6通过膨胀阀7相连；蒸发换热器5循环水的出口端与供热端换热器13和制冷端换热器14相连，并通过第二阀门9回到蒸发换热器5 ；
地源端循环水通过第三阀门10与水-水换热器4相连，通过第四阀门10与冷凝换热器6相连；
水-水换热器4的用户端分别与供热端换热器13和制冷端换热器14通过第一阀门8连接，接受用户端的吸热和放热量；
温度传感器15的温度探头接入闭式循环水系统中，并布置在供热端换热器13和制冷端换热器14入口的上游干管区域，使功能切换时温度传感器15的探头端监测在水-水换热器4用户端与土壤进行热交换后的水温。蒸发换热器5、冷凝换热器6内的换热工质分别为循环水和制冷工质，水-水换热器4中换热工质一端为循环水，另一端为地源端循环水；
水-水换热器4采用板式换热器，蒸发换热器5、冷凝换热器6采用板式、套管式换热器。地源端取热方式采用垂直埋管或者水平埋管。用户端空调系统采用传统的水环热泵系统中用户单体制冷机组，或采用制冷供热分开、根据用户需求划分的半集中式空调机组中任一种。半集中式空调机组采用风冷式空调器或用多联机变频空调器。选用的空调机组，可采用分为风冷式空调器，也可采用多联机变频空调器来同时满足建筑内供热和制冷的需求。在本发明中，根据不同的建筑内的冷热负荷结构，通过设定闭式循环水系统中用户换热器进口的控制温度上下限，分为四种运行模式。下面结合附图对四种运行模式的适用条件和调节方式进行说明。模式一自给模式。此时建筑内余热可自行满足需求，温度传感器15感知温度在用户设定温度限内，此时压缩机I关闭，四通阀2不动作，功能调节阀门9开启，阀门8、10、11关闭，地源端水泵关闭。冷却水的流程冷却水流经用户端供热段换热器13和用户制冷端换热器14，分别释放热量和获得热量之后，经功能调节阀9重新进入用户供热、制冷端换热器13、14。此时，仅利用建筑内部余热即可满足同时供热制冷系统的性能需求。模式二 当自给模式不能满足需求时，启动地源端循环换热模式，即模式二，此时彼时循环水系统直接利用地热能换热，而不必开启地源端附加冷热源机组。在模式二下，温度传感器15感知温度超出用户设定限，此时压缩机I关闭，四通阀2不动作，功能调节阀门8、10开启，阀门9、11关闭，地源端水泵开启。冷却水的流程冷却水流经用户端供热段换热器13和用户制冷端换热器14，分别释放热量和获得热量之后，经功能调节阀8进入水-水换热器4与地源端循环水换热。此时，仅利用建筑内部余热已不能满足同时供热制冷系统的性能需求，闭式循环水系统利用地热能直接换热满足用户需求。模式三在模式二运行工况下，当循环换热模式中的闭式循环水系统中的温度仍超过设定上限时，启动附加制冷模式，即模式三。此时地源端机组开启制冷工况，在地源端蒸发换热器内完成闭式循环水的温度调节直至满足要求。在模式二下，温度传感器15感知温度超出用户设定上限，此时压缩机I开启，四通阀2动作调节制冷剂流向完成制冷工况设定，功能调节阀门9、11开启，阀门8、10关闭，地源端水泵开启。 冷却水的流程冷却水流经用户端供热段换热器13和用户制冷端换热器14，分别释放热量和获得热量之后，经功能调节阀9进入蒸发换热器5，与来自制冷工况下的制冷剂换热。制冷剂的流程制冷剂经压缩机I压缩后，通过四通阀2转向进入冷凝换热器6与来自地源端U型管中的水换热，经膨胀阀7膨胀，进入蒸发换热器5与闭式循环水换热，从而调节闭式循环水的温度满足设定需求。模式四在模式二运行工况下，当循环换热模式中的闭式循环水系统中的温度仍低于设定上限时，启动附加供热模式，即模式四。此时地源端机组开启供热工况，在地源端冷凝换热器内完成闭式循环水的温度调节直至满足要求。在模式二下，温度传感器15感知温度超过用户设定下限，此时压缩机I开启，四通阀2动作调节制冷剂流向完成供热工况设定，功能调节阀门9、11开启，阀门8、10关闭，地源端水泵开启。冷却水的流程冷却水流经用户端供热段换热器13和用户制冷端换热器14，分别释放热量和获得热量之后，经功能调节阀9进入冷凝换热器5，与来自供热工况下的制冷剂换热。制冷剂的流程制冷剂经压缩机I压缩后，通过四通阀2转向进入冷凝换热器5与闭式循环水换热，经膨胀阀7膨胀，进入蒸发换热器6与来自地源端U型管中的水换热，从而调节闭式循环水的温度满足设定需求。自动控制方式可采用自动控制和手动控制，或者两者兼有。其中自动控制的驱动控制器主要包括温度传感器控制面板和控制程序电路板，可以采用PLC电路板控制但不限于这一种控制方式。本发明是有效利用地热能为单一辅助冷热源的优化的水环热泵式空调系统。发明主要针对传统的可满足建筑同时供热制冷需求的水环热泵系统中存在的问题，即系统需设置冷却塔、锅炉等辅助加热制冷装置，这有悖于能量分级利用，严重浪费了高位能并导致设备复杂化，此外还有用户端采用单元式机组，造成用户端工况变化差异较大增大了系统的控制难度。本发明中的空调系统王要包括地热能末端系统、闭式循环水系统、半集中式/分体式供热和制冷空调系统、自动控制系统等部分，充分利用建筑内余热以及低品位地热能。本发明中空调系统的四种运行模式符合能量分级利用，能够满足具有不同冷热负荷结构的建筑，具有灵活性和广泛适用性本发明涉及的磁场自增速永磁风力发电机结构简单，具有转矩密度高、低速大转矩直驱能力强、输出转矩波动小、功率因数高的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为 限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，其特征在于，该空调系统包括地源端系统、与地源端系统连通的用户端空调系统、接收用户端空调系统排热量和吸热量的闭式循环水系统和用于控制地源端和用户端空调系统的自动控制系统； 其中地源端系统包括压缩机(I)、四通阀(2)、气液分离器(3)，以及由水-水换热器(4)、蒸发换热器(5)、冷凝换热器(6)、膨胀阀(7)、第一阀门(8)、第二阀门(9)、第三阀门(10)、第四阀门(11)组成的功能切换区(12)； 用户端空调系统包括供热端换热器(13)和制冷端换热器(14); 闭式循环水系统为接受水-水换热器(4)、蒸发换热器(5)、以及末端用户供热端换热器(13)和制冷端换热器(14)排热量和吸热量的循环水系统，其中安装有温度传感器(15)用以控制循环水温度； 自动控制系统包括温度传感器(15)、控制面板和控制程序电路板；其中， 压缩机(I)出口与四通阀(2)第一端口连接，四通阀(2)的第二端口与气液分离器(3)入口相连，气液分离器(3 )的出口与压缩机(I)入口相连； 四通阀(2)的第三端口和第四端口分别与蒸发换热器(5)和冷凝换热器(6)相连，蒸发换热器(5)与冷凝换热器(6)通过膨胀阀(7)相连；蒸发换热器(5)循环水的出口端与供热端换热器(13)和制冷端换热器(14)相连，并通过第二阀门(9)回到蒸发换热器(5); 地源端循环水通过第三阀门(10)与水-水换热器(4)相连，通过第四阀门(10)与冷凝换热器(6)相连； 水-水换热器(4)的用户端分别与供热端换热器(13)和制冷端换热器(14)通过第一阀门(8)连接，接受用户端的吸热和放热量； 温度传感器(15)的温度探头接入闭式循环水系统中，并布置在供热端换热器(13)和制冷端换热器(14)入口的上游干管区域，使功能切换时温度传感器(15)的探头端监测在水-水换热器(4)用户端与土壤进行热交换后的水温。
2.根据权利要求书I所述的以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，其特征在于，蒸发换热器(5)、冷凝换热器(6)内的换热工质分别为循环水和制冷工质，水-水换热器(4)中换热工质一端为循环水，另一端为地源端循环水。
3.根据权利要求书I所述的以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，其特征在于，水-水换热器(4)采用板式换热器，蒸发换热器(5)、冷凝换热器(6)采用板式、套管式换热器。
4.根据权利要求书I所述的以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，其特征在于，地源端取热方式采用垂直埋管或者水平埋管。
5.根据权利要求书I所述的以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，其特征在于，用户端空调系统采用传统的水环热泵系统中用户单体制冷机组，或采用制冷供热分开、根据用户需求划分的半集中式空调机组中任一种。
6.根据权利要求书5所述的以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，其特征在于，半集中式空调机组采用风冷式空调器或用多联机变频空调器。
全文摘要
本发明公开了一种以地热能为单一辅助冷热源的水环热泵式空调系统，其特征在于，该空调系统包括地源端系统、与地源端系统连通的用户端空调系统、接收用户端空调系统排热量和吸热量的闭式循环水系统和用于控制地源端和用户端空调系统的自动控制系统；其中地源端系统包括压缩机(1)、四通阀(2)、气液分离器(3)，以及由水-水换热器(4)、蒸发换热器(5)、冷凝换热器(6)、膨胀阀(7)、第一阀门(8)、第二阀门(9)、第三阀门(10)、第四阀门(11)组成的功能切换区(12)。用户端空调系统包括供热端换热器(13)和制冷端换热器(14)。本发明充分利用建筑内余热，同时高效利用低品位地热能。
文档编号F24F11/02GK102679484SQ20121017733
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者庞丽颖, 徐宝江, 陈义波, 陈九法, 陈军伟, 高龙 申请人:东南大学