CN107036205A - 利用相变热的水、地源热泵系统及制冷与制热工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用相变热的水、地源热泵系统，包括布置于水面底部的换热器组、热泵机组和室内末端系统，还包括防冻液储箱和缓冲水箱，所述换热器组布置于地表水体底部与土壤接触处，所述换热器组分别连接防冻液储箱和热泵机组，室内末端系统通过缓冲水箱与热泵机组连接，室内末端系统与缓冲水箱之间设有第一循环水泵组，缓冲水箱与泵热机组之间设第二循环水泵组，热泵机组和防冻液储箱之间设第三循环水泵组，换热器组将地表水及土壤内水的显热和相变热通过泵热机组传输至室内末端系统。既利用水体温降显热，同时利用水凝固的相变热，同样的温度提取的热量超过现有技术的15倍以上，打破水源热泵系统冰点的制约。

Description

利用相变热的水、地源热泵系统及制冷与制热工艺

技术领域

本发明属于热泵供热与制冷技术领域，特别涉及一种利用相变热的水、地源热泵系统及制冷与制热工艺。

背景技术

水、地源热泵技术在国外出现较早，应用也比较成熟。从二十世纪三四十年代开始，就出现了成功的工程应用案例。目前，在欧美、日本，地表水热泵系统应用较为普遍，也取得了非常可观的节能和减排效果。

我国热泵技术近年来发展较快，尤其是地下水和土壤冷、热系统得到了大量的工程应用，由于城市污水温度高于自然水体温度，从而使污水源热泵系统得到了较快发展。而地表水热泵系统发展相对滞后，主要是因为地表水热泵系统需要的地表水量很大、温度较高（一般在冰点温度5℃以上），实际上，能够满足此使用要求的水体不是很多，尤其在冬季寒冷的北方，在采暖期地表水水温较低，可利用水体温差偏窄（一般5℃左右），且要求换热前后温度高于冰点。

因此，如何在地表水可利用温差较小的前提下，尽可能多的提取地表水热量是水源热泵能否快速发展的瓶颈。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种利用相变热的水、地源热泵系统及制冷与制热工艺，既利用水体温降显热，同时利用水凝固的相变热，同样的温度提取的热量超过现有技术的15倍以上，打破水源热泵系统冰点的制约。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：利用相变热的水、地源热泵系统，包括布置于水面底部的换热器组、热泵机组和室内末端系统，还包括防冻液储箱和缓冲水箱，所述换热器组布置于地表水体底部与土壤接触处，所述换热器组分别连接防冻液储箱和热泵机组，室内末端系统通过缓冲水箱与热泵机组连接，室内末端系统与缓冲水箱之间设有第一循环水泵组，缓冲水箱与泵热机组之间设第二循环水泵组，热泵机组和防冻液储箱之间设第三循环水泵组，换热器组将地表水及土壤内水的显热和相变热通过泵热机组传输至室内末端系统。

进一步的，所述热泵机组包括冷媒、蒸发器、压缩机、冷凝器。

进一步的，所述室内末端系统包括采暖末端和制冷末端。

进一步的，所述防冻液储箱连接有乙二醇储箱，由乙二醇储箱补充添加防冻液。

进一步的，所述防冻液储箱和缓冲水箱上分别连接用于补水的管。

上述利用相变热的水、地源热泵系统的制热工艺，包括以下步骤：

将换热器组布置在地表水体底部与土壤接触处，防冻液储箱内的防冻液由第三循环泵组泵入换热器组，防冻液吸收周围水、冰及土壤温度后，进入热泵机组；热泵机组内部的冷媒吸收防冻液的热量后温度升高，在蒸发器内部蒸发汽化，然后通过热泵机组的压缩机的压缩，将冷媒的温度进一步提高，再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态，并释放大量热量；这部分热量通过第二循环水泵组泵出的冷水吸收后，送入缓冲水箱内；缓冲水箱内的热水由第一循环水泵组送到采暖末端，完成一个逆卡诺循环，该循环重复进行，水体所含物理热被不断的送到用户使用。

上述利用相变热的水、地源热泵系统的制冷工艺，包括以下步骤：

热泵机组的压缩机将气态的制冷剂压缩成高温高压气体，输送至冷凝器中，通过冷凝器将热量向外散发，成为低温高压的液体制冷剂，该过程制冷剂散发的热量通过第三循环水泵组泵出的水吸收后，送入换热器组，将热量散发到水体中；同时，液体制冷剂通过管道进入到热泵机组的毛细管，通过毛细管的节流，再被输送至制冷末端的空调蒸发器；空调蒸发器空间较大，液体制冷剂在通过狭窄的毛细管进入蒸发器后迅速吸热，室内温度降低；制冷剂再次变为等温等压的气体时，再次进入压缩机中，完成一个卡诺循环，该循环重复进行，用户的热量内不断的输送到水体中。

与现有技术相比，本发明优点在于：

（1）本发明不仅利用了水的温度变化所含的物理热，同时也可以利用水凝固或冰融化所释放的相变潜热，同样的温度提取的热量超过现有技术的15倍以上，也就是提起同样的热量，所需要的水体理论上仅需现有工艺的1/15，更重要的是打破水源热泵系统冰点的制约，可广泛用于北方各种水（冰）体，使水源热泵得到更广泛应用，在极寒地区应用，该系统同空气源热泵相比优势显著，受空气温度影响很小，能效比一般能高达3.0以上；

（2）在制热时，当换热器组周边水体凝固成冰以后，由于冰的导热系数是水的导热系数的4倍多，所以水源结冰不仅大幅增加冷媒提取热量，同时也有利于换热管周边冰体与水体以及管道下方含饱和水土壤的热交换，使得地表水及土壤内水的显热和相变热都能得到利用，同时还利用了水底土壤显热及冰温降显热，从而使可利用的热量进一步增加；

（3）通过换热器组吸收周边水体及土壤的热量（包括相变热）和排放热量，使得水、地源热泵对其取热的水体容量及水质的要求大大降低，对推广水、地源热泵必将起到极大的促进作用。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图中，1.缓冲水箱；2.第一循环水泵组；3.采暖末端；4.制冷末端；5. 换热器组；6.防冻液储箱；7.乙二醇储箱；8.第三循环水泵组；9.热泵机组；10.第二循环水泵组。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，利用相变热的水、地源热泵系统，包括换热器组5、热泵机组9和室内末端系统，热泵机组9包括冷媒、蒸发器、压缩机、冷凝器，室内末端系统包括采暖末端3和制冷末端4，还包括防冻液储箱6和缓冲水箱1，防冻液储箱6连接有乙二醇储箱7，由乙二醇储箱7补充添加防冻液，防冻液储箱6和缓冲水箱1上分别连接用于补水的管；换热器组5布置于地表水体底部与土壤接触处，换热器组5分别连接防冻液储箱6和热泵机组9，室内末端系统通过缓冲水箱1与热泵机组9连接，室内末端系统与缓冲水箱1之间设有第一循环水泵组2，缓冲水箱1与泵热机组9之间设第二循环水泵组10，热泵机组9和防冻液储箱6之间设第三循环水泵组8，换热器组5将地表水及土壤内水的显热和相变热通过泵热机组9传输至室内末端系统。

上述利用相变热的水、地源热泵系统的制热工艺，包括以下步骤：

将换热器组5布置在地表水体底部与土壤接触处，将乙二醇储箱7存储的乙二醇与水在防冻液储箱6内按照一定比例混合成防冻液，防冻液储箱6内的防冻液由第三循环泵组8泵入换热器组5，防冻液吸收周围水、冰及土壤温度后，进入热泵机组，周边水体温度不断下降，最终凝固成冰，此时换热器组5周边水体释放出大量的凝固潜热，当水体凝固成冰以后，由于冰的导热系数是水的导热系数的4倍多，所以水源结冰不仅大幅增加冷媒提取热量，同时也有利于换热器组周边冰体与水体以及管道下方含饱和水土壤的热交换，使得地表水及土壤内水的显热和相变热都能得到利用，同时还利用了水底土壤显热及冰温降显热，从而使可利用的热量进一步增加；热泵机组9内部的冷媒吸收防冻液的热量后温度升高，在蒸发器内部蒸发汽化，然后通过热泵机组9的压缩机的压缩，将冷媒的温度进一步提高，再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态，并释放大量热量；这部分热量通过第二循环水泵组10泵出的冷水吸收后，送入缓冲水箱1内；缓冲水箱1内的热水由第一循环水泵组2送到采暖末端3，完成一个逆卡诺循环，该循环重复进行，水体所含物理热被不断的送到用户使用。

上述利用相变热的水、地源热泵系统的制冷工艺，与上述制热过程相反，包括以下步骤：

热泵机组9的压缩机将气态的制冷剂压缩成高温高压气体，输送至冷凝器中，通过冷凝器将热量向外散发，成为低温高压的液体制冷剂，该过程制冷剂散发的热量通过第三循环水泵组8泵出的水吸收后，送入换热器组5，将热量散发到水体中；同时，液体制冷剂通过管道进入到热泵机组9的毛细管，通过毛细管的节流，再被输送至制冷末端4的空调蒸发器；空调蒸发器空间较大，液体制冷剂在通过狭窄的毛细管进入蒸发器后迅速吸热，室内温度降低；制冷剂再次变为等温等压的气体时，再次进入压缩机中，完成一个卡诺循环，该循环重复进行，用户的热量内不断的输送到水体中。

本发明的泵热系统适用于所有利用相变提取能量的水源，包括自然水体、污水以及海水热泵系统；也适用于含有饱和水的土壤源热泵系统。

综上所述，本发明既利用水体温降显热，同时利用水凝固的相变热，同样的温度提取的热量超过现有技术的15倍以上，打破水源热泵系统冰点的制约。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，无论是自然水体、河流、城市污水还是海水源热泵系统还是含有饱和水的土壤源热泵，只要利用水-冰的相变热，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.利用相变热的水、地源热泵系统，包括布置于水面底部的换热器组、热泵机组和室内末端系统，其特征在于：还包括防冻液储箱和缓冲水箱，所述换热器组布置于地表水体底部与土壤接触处，所述换热器组分别连接防冻液储箱和热泵机组，室内末端系统通过缓冲水箱与热泵机组连接，室内末端系统与缓冲水箱之间设有第一循环水泵组，缓冲水箱与泵热机组之间设第二循环水泵组，热泵机组和防冻液储箱之间设第三循环水泵组，换热器组将地表水及土壤内水的显热和相变热通过泵热机组传输至室内末端系统。

2.根据权利要求1所述的利用相变热的水、地源热泵系统，其特征在于：所述热泵机组包括冷媒、蒸发器、压缩机、冷凝器。

3.根据权利要求2所述的利用相变热的水、地源热泵系统，其特征在于：所述室内末端系统包括采暖末端和制冷末端。

4.根据权利要求3所述的利用相变热的水、地源热泵系统，其特征在于：所述防冻液储箱连接有乙二醇储箱，由乙二醇储箱补充添加防冻液。

5.根据权利要求4所述的利用相变热的水、地源热泵系统，其特征在于：防冻液储箱和缓冲水箱上分别连接用于补水的管。

6.利用权利要求5所述的利用相变热的水、地源热泵系统的制热工艺，其特征在于，包括以下步骤：将换热器组布置在地表水体底部与土壤接触处，防冻液储箱内的防冻液由第三循环泵组泵入换热器组，防冻液吸收周围水、冰及土壤温度后，进入热泵机组；热泵机组内部的冷媒吸收防冻液的热量后温度升高，在蒸发器内部蒸发汽化，然后通过热泵机组的压缩机的压缩，将冷媒的温度进一步提高，再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态，并释放大量热量；这部分热量通过第二循环水泵组泵出的冷水吸收后，送入缓冲水箱内；缓冲水箱内的热水由第一循环水泵组送到采暖末端，完成一个逆卡诺循环，该循环重复进行，水体所含物理热被不断的送到用户使用。

7.利用权利要求5所述的利用相变热的水、地源热泵系统的制冷工艺，其特征在于，包括以下步骤：热泵机组的压缩机将气态的制冷剂压缩成高温高压气体，输送至冷凝器中，通过冷凝器将热量向外散发，成为低温高压的液体制冷剂，该过程制冷剂散发的热量通过第三循环水泵组泵出的水吸收后，送入换热器组，将热量散发到水体中；同时，液体制冷剂通过管道进入到热泵机组的毛细管，通过毛细管的节流，再被输送至制冷末端的空调蒸发器；空调蒸发器空间较大，液体制冷剂在通过狭窄的毛细管进入蒸发器后迅速吸热，室内温度降低；制冷剂再次变为等温等压的气体时，再次进入压缩机中，完成一个卡诺循环，该循环重复进行，用户的热量内不断的输送到水体中。