实现供暖/制冷的双效重力热管式地源热泵系统及方法

本发明涉及地热能开发领域，具体涉及一种实现供暖/制冷的双效重力热管式地源热泵系统及方法。

背景技术：

1、在我国大部分地区，地下10～100m的岩土温度稳定，常年处于20℃左右，随季节变化幅度极小。地源热泵系统能够在夏季将该恒温区的岩体作为热泵的冷源，并在冬季将其作为热泵的热源，与常规的空气源热泵相比，能够显著降系统运行过程中的电力消耗。

2、常规地源热泵系统，需要打一口80～200m的地热井，并在其中布置注入管与回液管，然后通过管道泵使水依次通过注入管、回液管以及热泵换热器，并返回注液管进行循环，从而利用地下恒温层为热泵系统提供冷源或热源。

3、重力热管地源热泵系统，则采用一根重力热管代替布置于井中的注入管和回液管。然后在重力热管内部注入热泵工质，其在吸热之后转化为气态工质可直接进入热泵压缩机。与常规地源热泵系统相比，重力热管地源热泵系统相当于直接把热泵蒸发器布置于地热井中，从而减少了一次传热损以及循环泵功消耗，能够获得更高的制冷和供暖效率。

4、但重力热管传热具有单向性，只能实现热量自下而上的传输，因此只能满足地源热泵系统冬季供暖的运行状况，不能用于夏季制冷。另一方面，该系统长期在单一供暖运行状态下，会因为对地下恒温层热补偿不足，导致土壤温度逐渐降低，进而使系统制热能力出现下降。上述问题严重限制了重力热管地源热泵系统的大范围推广。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明提供一种实现供暖/制冷的双效重力热管式地源热泵系统及方法，其通过改进重力热管结构使热量能够自上而下的传输，并设计了配套的地面热泵单元，从而能够稳定、高效地实现“夏季制冷、冬季供暖”的功能。

2、为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：

3、第一方面，本发明提供一种双效重力热管式地源热泵系统，用于实现供暖或/和制冷，其包括：

4、地面热泵单元，其包括热泵压缩机、四通阀、输出端换热器和缓冲罐，所述热泵压缩机的进出口分别与所述四通阀的上下两接口相连，所述输出端换热器的一换热管路的一端连接至所述四通阀的右接口，所述输出端换热器的该换热管路的另一端连接至所述缓冲罐，所述缓冲罐通过一管道连接至所述四通阀的下接口；

5、重力热管，其包括重力热管外管，所述重力热管外管的壁内沿竖直方向设有多级储液槽，上下相邻两所述储液槽之间通过液位控制管相连通，位于顶部的所述储液槽通过一注液管连接至所述缓冲罐，所述重力热管的底部液池设有一向上延伸的回液管，所述回液管连接至所述缓冲罐，其中，所述系统工作在制冷模式和供暖模式。

6、如上所述的双效重力热管式地源热泵系统，进一步地，所述缓冲罐与所述四通阀的下接口之间的管道设有泄压阀；所述输出端换热器的该换热管路连接至所述缓冲罐的一端设有节流阀；每一所述储液槽的底部均设有至少一疏液阀。

7、如上所述的双效重力热管式地源热泵系统，进一步地，所述回液管的底部浸没于所述液池之下，且位于所述液池之上的所述回液管上设有至少一旁通阀。

8、如上所述的双效重力热管式地源热泵系统，进一步地，所述重力热管的底部设有用于检测所述液池的水位高低的液位检测器，所述液位检测器设有两液位检测口，位于较上方的液位检测口布置高度低于旁通阀，位于较下方的液位检测口布置高度高于所述回液管的底部。

9、如上所述的双效重力热管式地源热泵系统，进一步地，所述回液管连接所述缓冲罐的一端管路上设有回液阀，所述注液管连接所述缓冲罐的一端管路上设有注液阀。

10、如上所述的双效重力热管式地源热泵系统，进一步地，四通阀、疏液阀和旁通阀采用压力控制的自动开关阀门或电控阀；工质采用蒸馏水、氨、二氧化碳、制冷剂或有机工质的任一种。

11、第二方面，本发明还提供一种双效重力热管式地源供暖制冷方法，其利用上述的系统进行，包括用于制冷模式的第一工作模式和用于供暖模式的第二工作模式，其中，

12、所述第一工作模式包括：气态工质经热泵压缩机加压后从顶部进入重力热管，在重力热管外管的内壁放热冷凝并流向重力热管外管的底部，然后经回液管重新返回到位于地面的缓冲罐，而后经节流阀降压后进入输出端换热器蒸发吸热；

13、所述第二工作模式包括：放热冷凝后的液态工质经节流阀返回缓冲罐，然后经由注液管进入重力热管，并从上而下充满各级储液槽并吸热蒸发，然后向上流入位于热泵压缩机中，压缩后进入输出端冷凝器凝放热。

14、如上所述的双效重力热管式地源供暖制冷方法，进一步地，在所述第一工作模式下，疏液阀处于开启状态，在所述第二工作模式下，疏液阀处于关闭状态。

15、如上所述的双效重力热管式地源供暖制冷方法，进一步地，在所述第一工作模式下，通过调节泄压阀的开度使缓冲罐中的压力低于重力热管内部压力，进而使的重力热管底部的液态工质进入回液管中。

16、如上所述的双效重力热管式地源供暖制冷方法，进一步地，当液态工质进入回液管中时，可以间歇性开启旁通阀，从而使液体工质以柱塞流的形式流入缓冲罐中。

17、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

18、1、本发明采用重力热管代替了传统地源热泵的单相工质换热管路，用于吸收地热能，不需要使用循环水作为传热载体，无需设置水循环系统和地面蒸发器，不仅减少了工质换热过程中损失，还避免了循环泵功消耗，能够获得更高的制冷和供暖效率；

19、2、本发明所设计的双效重力热管地源热泵系统，解决了常规重力热管只能实现热量“自下向上”单相传输的问题，使重力热管地源热泵能够“夏季制冷，冬季供暖”，还避免了单效重力热管长期运行性能下降的问题，在拓展了此技术的应用范围的同时，提升了长期运行的稳定性。

20、3、本发明所设计的双效重力热管地源热泵系统，其内部设有疏液阀，使得结构具有可变特性，能够在“制冷”工况下保持内壁干燥，在“供暖”工况下保持内壁湿润，进一步提升了系统的制冷/供暖效率；

21、4、本发明所设计的双效重力热管地源热泵系统，在地面热泵单元中设有缓冲罐，能够使系统在制冷/供暖工况中灵活切换，并提升了其运行的可靠性。

技术特征：

1.一种双效重力热管式地源热泵系统，用于实现供暖或/和制冷，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的双效重力热管式地源热泵系统，其特征在于，所述缓冲罐与所述四通阀的下接口之间的管道设有泄压阀；所述输出端换热器的该换热管路连接至所述缓冲罐的一端设有节流阀；每一所述储液槽的底部均设有至少一疏液阀。

3.根据权利要求1所述的双效重力热管式地源热泵系统，其特征在于，所述回液管的底部浸没于所述液池之下，且位于所述液池之上的所述回液管上设有至少一旁通阀。

4.根据权利要求1所述的双效重力热管式地源热泵系统，其特征在于，所述重力热管的底部设有用于检测所述液池的水位高低的液位检测器，所述液位检测器设有两液位检测口，位于较上方的液位检测口布置高度低于旁通阀，位于较下方的液位检测口布置高度高于所述回液管的底部。

5.根据权利要求1所述的双效重力热管式地源热泵系统，其特征在于，所述回液管连接所述缓冲罐的一端管路上设有回液阀，所述注液管连接所述缓冲罐的一端管路上设有注液阀。

6.根据权利要求1所述的双效重力热管式地源热泵系统，其特征在于，四通阀、疏液阀和旁通阀采用压力控制的自动开关阀门或电控阀；工质采用蒸馏水、氨、二氧化碳、制冷剂或有机工质的任一种。

7.一种双效重力热管式地源供暖制冷方法，其特征在于，利用如权利要求1至6所述的系统进行，包括用于制冷模式的第一工作模式和用于供暖模式的第二工作模式，其中，

8.根据权利要求7所述的双效重力热管式地源供暖制冷方法，其特征在于，在所述第一工作模式下，疏液阀处于开启状态，在所述第二工作模式下，疏液阀处于关闭状态。

9.根据权利要求7所述的双效重力热管式地源供暖制冷方法，其特征在于，在所述第一工作模式下，通过调节泄压阀的开度使缓冲罐中的压力低于重力热管内部压力，进而使的重力热管底部的液态工质进入回液管中。

10.根据权利要求7所述的双效重力热管式地源供暖制冷方法，其特征在于，当液态工质进入回液管中时，通过间歇性开启旁通阀，从而使液体工质以柱塞流的形式流入缓冲罐中。

技术总结
本发明公开了一种实现供暖/制冷的双效重力热管式地源热泵系统及方法，其包括地面热泵单元和重力热管，地面热泵单元包括热泵压缩机、四通阀、输出端换热器和缓冲罐，热泵压缩机的进出口分别与四通阀的上下两接口相连，输出端换热器的一换热管路的一端连接至四通阀的右接口，输出端换热器的该换热管路的另一端连接至缓冲罐，缓冲罐通过一管道连接至四通阀的下接口；重力热管包括重力热管外管，重力热管外管的壁内沿竖直方向设有多级储液槽，上下相邻两储液槽之间通过液位控制管相连通，位于顶部的储液槽通过一注液管连接至缓冲罐，重力热管的底部液池设有一向上延伸的回液管，回液管连接至缓冲罐，本系统工作在制冷模式和供暖模式。

技术研发人员：黄文博,蒋方明,陈娟雯,岑继文,李志斌,马青山
受保护的技术使用者：中国科学院广州能源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13