专利名称：固体吸附式地源热泵供暖装置的制作方法
技术领域：
本实用新型为固体吸附式地源热泵供暖装置，属于地源能应用领域，能进行 采暖和供暖。
技术背景我国华北、东北和西北地区城镇采暖仍以火炉为主，而火炉采暖的热效率只 有15%—25%。在大中城市还有相当大的比例采用分散锅炉房采暖，这种方式采 暖效率低，耗煤多，环境污染严重。从我国的实际情况看，广大的城镇和乡村在 今后相当长的时间内，仍将以化石能源和生物质能直接燃烧作为冬季取暖的主要 方式。土壤源热泵早在1912年就被提出，在美国和欧洲应用较多，我国也有实 验性的应用。土壤源热泵是通过埋入地下的热转换器和土壤间进行热交换获取低 温热源的热量，其技术难点是地埋管换热器与土壤间的传热，且需要很深的地埋 管和较高的初期投入。沸石分子筛具有独特的吸附性能，在开发和利用能源方面 引起了国内外的注意，其研究主要集中在利用低品位热能和实现制冷上，但还未 见实用化的供暖产品。目前，也未见到将土壤源热泵与沸石分子筛相结合的，结 构简单、传热效率高而且成本较低的供暖设备。 发明内容为克服现有土壤源热泵结构复杂、传热效率低以及初期投入较高的不足，本 实用新型提供一种固体吸附式地源热泵供暖装置，该供暖装置在沸石分子筛脱 附、吸附循环中吸取土壤中的热量用于取暖，达到大幅节能和环保的目的。本实用新型的技术方案是， 一种固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是 吸附床柜内部安装包含吸附剂的吸附床，传热管贯通吸附床并与吸附床柜的上风 道和下风道连通，传热管两端由安装在吸附床上的管板固定；所述吸附床柜包含 与上风道连通的第一上风道出口和第二上风道出口 ，以及与吸附床连通的吸附 口、脱附口；带有出风口的暖风输送管通过暖风输送管闸阀与第一上风道出口相 连，热风管通过热风管闸阀分别与第二上风道出口以及下风道的热风进口连接； 所述下风道内安装空气加热炉，其中与热风进口相对的一侧设置有空气进口，其 开闭由安装有闸板推拉杆的闸板控制；吸附管一端埋入地井中，另一端通过吸附 管闸阀与吸附口连接；散热片通过安装有压力阀的蒸汽输送管与脱附口连接，散热片疏水口通过回水管的出水口与地井连通；所述空气加热炉包括炉膛、风门， 以及炉膛门；其中炉膛上设置有烟道口。为了吸附剂能够具有更好的传热传质性能，吸附床内的每根传热管外都套有 金属丝网，吸附剂装填在金属丝网中，由安装在吸附床上的夹板固定位置。为了最大限度的吸收释放热量，吸附剂采用的是具有良好吸附性的沸石分子筛。为了最大限度的防止热能不必要的流失，吸附床柜的表面覆盖有保温层，同 时吸附管表面也覆盖有吸附管保温层。为了使散热效果更好，暖风输送管的一端安装有百叶式暖风口。为了加快空气循环流动，空气进口处安装有风扇。为了减少热能流失，地井口由地井盖封闭。空气加热炉中的燃料可以是生物质燃料，也可以是化石燃料。本实用新型的有益效果是固体吸附式地源热泵供暖装置结构简单、没有噪 声、安全可靠、造价低廉，节能效果明显，特别适合小型化的需要；同时避免了 埋管式地源热泵供暖系统深埋管施工和地下水回流的难题。采用沸石分子筛作为 吸附剂，环保无污染，还能净化空气。
图l表示本实用新型的结构示意图；图2表示本实用新型的A—A面视图。图中l.暖风输送管，2.暖风输送管闸阀，3.第一上风道出口， 4.吸附床柜， 5.吸附床，6.吸附剂，7.夹板，8.传热管，9.金属丝网，IO.管板，11.吸附床 柜保温层，12.上风道，13.第二上风道出口， 14.热风管闸阀，15.热风管，16. 空气加热炉，17.烟道口， 18.炉膛，19.燃料，20.下风道，21.热风进口， 22. 风门，23.炉膛门，24.闸板，25.风扇，26.空气进口， 27.闸板推拉杆，28.吸附 管保温层，29.吸附管，30.吸附管闸阀，31.吸附口， 32.脱附口， 33.压力阀， 34.蒸汽输送管，35.百叶式暖风口， 36.散热片，37.散热片疏水口， 38.回水管， 39.地井盖，40.回水管出口， 4L吸附管入口， 42.地井。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。关于工作过程在图1和图2中，本实用新型所述的固体吸附式地源热泵供暖装置分两步工作第一步水蒸汽供暖；第二步暖风供暖。在水蒸汽供暖时空气加热炉16生火，调正风门22使炉膛18中的燃料19 维持燃烧；此时，第二上风道13出口的热风管闸阀14开启，空气进口26由一 闸板24关闭，吸附管29上的吸附管闸阀30处于关闭状态。在空气加热炉16 的加热下，下风道20中的空气受热，温度升高，密度变小，热空气从下风道20 中上升，并沿传热管8向上运动，在传热管8中和吸附床5进行热交换后进入上 风道12，继而从第二上风道出口 13经热风管闸阀14沿传热管15向下运动，从 热风进口 21再进入下风道20中。热空气在下风道20——传热管12——上风道 12——热风管15——下风道20形成的闭合回路中流动，不断把燃料19燃烧产 生的热量传递给吸附床5中的沸石分子筛6。当沸石分子筛6达到脱附温度时， 己被沸石分子筛6吸附的水分子从固体吸附剂中脱附出来形成高温水蒸汽，使吸 附床内的压力逐渐升高。当达到一定压力时，脱附口32上的压力阀33开启，脱 附蒸气沿蒸气输送管34进入散热片36，通过凝结传热向房间供暖。随着吸附床 5温度升高，沸石分子筛6持续不断脱附出水蒸汽，向房间持续供暖。当预定的 燃料量基本消耗完时，吸附床5基本完成脱附过程，此时关闭空气加热炉16的 风门22。脱附蒸气在散热片36中凝结放热后形成冷凝水，通过散热片疏水口 37 以及回水管出水口40，从回水管38流入地井中42。在热空气供暖时打开第一上风道出口3的暖风输送管闸阀2，关闭第二上 风道出口 13的热风管闸阀14;打开闸板24和吸附管29上的吸附管闸阀30。打 开风扇25的电源，在风扇25的作用下，空气从空气进口26进入下风道20，继 而流经传热管8，带走吸附床5的热量，使空气温度升高。热空气流经上风道12， 从第一上风道出口 3进入暖风输送管1，从百叶式暖风口 35吹入房间供暖。随 着吸附床5温度降低，固体沸石分子筛6的吸附能力逐渐增强。吸附床5通过吸 附管29吸附地井42中的水蒸汽，并放出吸附热，所产生的吸附热也被流经传热 管8的空气流带走，从百叶式暖风口35吹入房间供暖。在吸附床5的吸附过程 中，地井42空气中的水蒸汽不断被吸附，在水蒸汽浓度差的推动下，地井42 中的水分不断蒸发，在蒸发过程中不断吸收土壤中的热量，使土壤成为热泵运行 的低温热源。通过调节风扇25的送风量，可调控百叶式暖风口 35的风量和温度 实现持续供暖，需要时可以调控或关闭吸附口 31，通过调控吸附量控制暖风温 度。关于供暖温度:本实用新型利用了沸石分子筛脱附、吸附循环中的热力过程， 实现向房间持续供暖，供暖过程分为两个阶段。第一阶段为加热脱附阶段，用蒸 汽供暖。沸石分子筛的脱附温度一般为7(TC—25(TC，当吸附床5中的沸石分子 筛6从传热管8吸收热量，温度升高，达到脱附温度时，吸附床5的压力升高。 当达到一定压力时，压力阀33打开，水蒸汽从蒸汽输送管34流向散热片36， 通过凝结放热向房间供暖。由于蒸汽的输送距离很短，沿程阻力很小，因此对吸 附床的蒸汽压力要求不高，只要略高于环境压力即可满足要求。所以，这里蒸汽 供暖属于低压供暖。由于蒸汽的过热热量与汽化潜热相比很小，凝结水冷却放出 的热量与汽化潜热相比也很小，所以可以认为水蒸汽在散热片36中主要靠凝结 放热。水蒸汽的凝结是在常压下进行的，每千克蒸汽凝结放出的热量等于凝结压 力下蒸汽的汽化潜热，所以散热片36中蒸汽的饱和温度约为IO(TC。第二阶段 为吸附阶段用暖风取暖。当停止加热，启动风扇25后，空气流经传热管8带走 吸附床5的热量，从百叶式暖风口35吹出，向房间供暖。同样，由于暖风的输 送距离很短，沿程阻力很小，因此，用一般风扇产生的风压就可以满足运行要求。 一般暖风机的送风温度取35t:—55'C较为适宜。当空气加热炉16停止加热时， 吸附床5仍处于高温状态。当风扇25驱动室内空气流经吸附床5中的加热管8 时，只要送风量恰当，百叶式暖风口35的出风温度足以达到55'C。随着吸附床 5温度的逐渐降低，吸附床6的吸附能力增强，通过吸附地井42空气中的水蒸 汽，放出吸附热。由于沸石分子筛具有大的表面积和微孔体积，其孔穴小而均一，吸附分子在 该孔穴内受到孔壁的叠加吸附力的作用，使沸石分子筛不仅色散力很大，而且还 有较大的静电力。正是在色散力和静电力的共同作用下，沸石分子筛的吸附能力 特别强大。尤其是对水，即使在相对湿度、浓度较低以及高温等不利条件下，仍 有较强的吸附能力。沸石分子筛是唯一的高温吸附剂，表现为吸附剂处于高温状 态时具有较高的吸附能力，在地井中提供一定的蒸发温度下，其大部分吸附量可以在高温状态下完成。因此，在地井中一定得水蒸汽压力条件下，在吸附阶段产 生的吸附热足以使流经传热管8的空气流达到35。C以上温度。关于从土壤中吸取热量为了使吸附阶段产生的吸附热具有一定的能量品 .味，成为可用于供暖的"可用能"。本实用新型采用地井形式，使地表浅层土壤 成为热泵运行的低温热源。由于沸石分子筛的高温吸附性能，使吸附床5可以在较大温升的情况下(指吸附温度和蒸发温度之差)运行。因此，对低温热源的温 度要求不高，利用土壤的蓄热特点，在不太深的地井中就可获得所需的蒸发温度。 本实用新型在吸取土壤热量的过程中，以水为传热介质，而水是在相变过程中发 挥传热介质作用的。即当吸附床5运行处于吸附阶段时，由于沸石分子筛6的吸 附作用，使吸附床5中水分子的浓度不断降低。在浓度差的推动下，地井42空 气中的水分子不断通过吸附管29向吸附床5内扩散。由此，驱使地井42中的水 分不断蒸发，水份在蒸发过程中不断从土壤中吸取热量并转变为水蒸汽的汽化潜 热。进而吸附床5通过吸附水分子放出吸附热。由于水是在相变过程中发挥传热 介质的作用，因此，运行所需的水量很少，由本装置实现了水的循环利用。关于吸附床的加热和冷却吸附床5的脱附、吸附运行是在对吸附床的加热 和冷却过程中实现的。本实用新型采用一次性能源，以空气为传热介质加热吸附 床，使沸石分子筛6达到脱附温度。尽管空气的比热容小，传输的单位热流量较 小，但由于吸附床5要求达到的加热温度并不高，由空气加热炉16产生的传热 空气流很容易达到所需要的传热温度；又由于吸附床5内设置有足够数量的传热 管8，足以保证传热所需要的空气流量。传热介质空气流在空气密度差的驱动下 形成循环流动。在下风道20中被加热的传热介质空气流密度变小。流出下风道 20，向上流入吸附床5中的传热管8，在传热管8内和吸附床5发生热交换后经 上风道12从热风管15向下流动，再流入下风道20中，如此周而复始，不断把 热量传给吸附床5。本实用新型通过风冷冷却吸附床5，使沸石分子筛6的吸附能力增强，放出 吸附热向房间供暖。吸附床5的冷却速度越快，其吸附能力恢复也越快，单位时 间内吸附热量越多，空气流带走的热量也越多。所以在使用中可以通过调节风扇 25的送风量，达到调节供暖热流量的目的。在风扇驱动下，室内空气持续不断 的流过吸附床5中的传热管8，带走吸附床5的热量，使吸附过程持续下去。在 吸附过程中，地井42空气中的水蒸汽在浓度差的推动下，从吸附管29进入吸附 床5内，由于沸石分子筛6对水分子强烈的吸附作用，使吸附床5内水分子的密 度远远小于地井42空气中的密度，致使地井42空气中的水分子不断向吸附床5 内扩散和渗透。进入吸附床5内的水分子又不断被沸石分子筛6吸附，使吸附床 5内水分子密度一直小于地井42空气中水分子的密度，所以吸附床5内、外始 终存在由浓度差产生的质交换的推动力，推动吸附过程不断持续进行下去。 一般一昼夜仅需完成一个或者两个脱附、吸附过程，因此有充足的时间完成吸附过程。 关于热泵循环当空气加热炉16驱动空气传热介质流经吸附床5中的传热 管8时，沸石分子筛6吸收热量升温。当达到一定温度时，己被沸石分子筛6 吸附的水分子获得能量，脱离沸石分子筛6表面产生脱附蒸汽。当吸附床5内达 到一定压力后，脱附蒸汽顶开压力阀33,经蒸汽输送管34进入散热片36，以凝 结传热形式向房间供暖。沸石分子筛6吸收热量，除了使水分子脱附形成高温蒸 汽，同时获得了界面能。当脱附过程结束，空气加热炉16停止工作，启动风扇 25，空气流以一定的流速流经吸附床5中的传热管8，带走加热阶段吸附床5吸 收的显热。在吸附床5温度下降过程中，使沸石分子筛6的吸附能力逐步增强， 开始吸附地井空气中的水蒸汽并释放出吸附热。吸附热也被流经传热管8的空气 流带走，经暖风输送管1从百叶式暖风口 35向房间供暖。因此，被空气带走的 吸附床5的显热，除了在加热阶段吸附床5升温得到的显热外，主要是在吸附阶 段沸石分子筛6吸附了地井42空气中的水蒸汽后放出的吸附热。在这一过程中， 随着吸附量的增加，沸石分子筛的界面能不断降低。在上述运行过程中，若忽略热损失，供暖房间得到的供热量不仅来自于燃料 燃烧产生的热量，还包括水在地井中蒸发相变吸取土壤中的热量，继而通过固体 吸附剂沸石分子筛吸附水蒸汽，并放出吸附热获得的热量，由此形成热泵效应。 关于吸附床结构对于装填有大量沸石分子筛的大容量吸附床，其传热传质 性能对其吸附性有很大影响，为了增强吸附床5的传热传质性能，从吸附床的结 构上做了以下改进每个传热管8外套有一个圆柱形金属丝网9，每个金属丝网 的圆柱都表面相切，沸石分子筛6装填在各个金属丝网9中。沸石分子筛6采用 不同颗粒混合装填，分子筛之间加填裸金属丝。沸石分子筛6两端用夹板7压紧。 这样的结构有利于减小吸附床5的传热厚度。金属丝网9之间的空气不仅提供了 畅通的传质通道，而且也有利于吸附床5内空气的流动，具有增强传热的作用。 由于脱附阶段该供暖装置处于正压力状态，吸附阶段装置处于常压状态，均有利 于吸附床5的传热传质过程。
权利要求1、一种固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是吸附床柜(4)内部安装包含吸附剂(6)的吸附床(5)，传热管(8)贯通吸附床(6)并与吸附床柜(4)的上风道(12)和下风道(20)连通，传热管(8)两端由安装在吸附床(5)上的管板(10)固定；所述吸附床柜(4)包含与上风道(12)连通的第一上风道出口(3)和第二上风道出口(13)，以及与吸附床(5)连通的吸附口(31)、脱附口(32)；带有出风口(35)的暖风输送管(1)通过暖风输送管闸阀(2)与第一上风道出口(3)相连，热风管(15)通过热风管闸阀(14)分别与第二上风道出口(14)以及下风道(20)的热风进口(21)连接；所述下风道(20)内安装空气加热炉(16)，其中与热风进口(21)相对的一侧设置有空气进口(26)，空气进口的开闭由安装有闸板推拉杆(27)的闸板(24)控制；吸附管(29)一端埋入地井(42)中，另一端通过吸附管闸阀(29)与吸附口(31)连接；散热片(36)通过安装有压力阀(33)的蒸汽输送管(34)与脱附口(32)连接，散热片疏水口(37)通过回水管(38)的出水口(40)与地井(42)连通；所述空气加热炉(16)包括炉膛(18)、风门(22)，以及炉膛门(23)；其中炉膛(18)上设置有烟道口(17)。
2、 根据权利要求1所述的固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是吸附 床(5)内的传热管(8)外套有金属丝网(9)，吸附剂(6)装填在金属丝网(9) 中，由安装在吸附床(5)上的夹板(7)固定位置。
3、 根据权利要求1或2所述的固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是 吸附剂(6)采用沸石分子筛。
4、 根据权利要求1或2所述的固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是 吸附床柜(4)的表面覆盖有保温层(11)。
5、 根据权利要求1或2所述的固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是 吸附管(29)表面覆盖有吸附管保温层(28)。
6、 根据权利要求1或2所述的固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是 暖风输送管(1)的一端安装有百叶式暖风口 (35)。
7、 根据权利要求1或2所述的固体吸附式地源热泵供暖装置，其特征是 空气进口 (26)处安装有风扇(25)。
专利摘要本实用新型提供了一种固体吸附式地源热泵供暖装置，其包括作为吸附发生器的吸附床柜、空气加热炉、风扇、地井水分子吸附管道以及热能传送管道。该装置结构简单、没有噪声、安全可靠、造价低廉，节能效果明显，环保无污染，还能净化空气，特别适合小型化的需要。
文档编号F24H4/00GK201149376SQ20072004408
公开日2008年11月12日 申请日期2007年10月10日 优先权日2007年10月10日
发明者李兴荣 申请人:李兴荣