一种水源热泵水源侧串联节能水泵系统的制作方法

本实用新型属于地下水源热泵技术，具体涉及一种水源热泵水源侧串联节能水泵系统。

背景技术：

地下水源热泵机组自20世纪广泛应用于国内空调工程领域以来，由于其特殊性已成为华北和中原地区空调系统的主要形式。地下水源热泵系统的热源是从水井或废弃的矿井中抽取的地下水。经过换热的地下水可以排入地表水系统，但是对于较大的应用项目通常要求通过回水井把地下水回灌到原来的地下水层。由于地下水温常年基本恒定，夏季比室外空气温度低，冬季比室外温度高，且具有较大的热容量，因此地下水热泵系统的效率比空气源热泵高，cop一般在4-6，并且不存在结霜等问题。最近几年地下水源热泵系统在我国得到了迅速发展。

但是由于需要抽取深层地下水，地下水源热泵存在潜水泵高耗能的问题。潜水泵高耗能主要是由于当系统正常运行时潜水泵除了克服系统的局部和沿程阻力还要承担潜水泵位置到地面这段水的重力高差。由于这段水的重力差的存在导致潜水泵一直是处于高耗能运行状态，导致地下水源热泵机组的能耗较高。目前国内外学者对地下水源热泵节能的方法主要是通过井数调节和变频泵调节，但是目前这两种方法的调节范围均有限，井数调节时要求要有多口取水井，并且调节范围小，多井同时取水又会由于潜水泵并联造成一定损失；而水泵变频调节虽然一定程度上可以降低功率，但是取水流量与扬程相应变化，流量调节的范围比较窄，节能效果有限。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种水源热泵水源侧串联节能水泵系统及控制方法。

一种水源热泵水源侧串联节能水泵系统，包括取水井和回水井，取水井内设置有潜水泵机构，取水井和回水井之间设置有与潜水泵机构连接的热泵机组，所述潜水泵机构和回水井之间串联有节能水泵系统；所述节能水泵系统包括控制单元和地上循环泵单元，所述地上循环泵单元串联在潜水泵机构与热泵机组之间，所述地上循环泵单元与潜水泵机构之间串联设置有第一流量计，所述潜水泵机构、第一流量计、地上循环泵单元和热泵机组均与控制单元电连接。

所述节能水泵系统还包括除沙机构和第二流量计，所述潜水泵机构、第一流量计、地上循环泵单元、除沙机构、热泵机组和第二流量计均通过输送管道依次串联连接，所述第一流量计与取水井的井口之间的输送管道上旁接设置有排污泄水机构，所述热泵机组与第二流量计之间的输送管道上旁接设置有排污泄水机构，所述排污泄水机构包括排污管和排污管上串联设置的排污电磁阀，所述排污电磁阀和第二流量计均与控制单元电连接。

所述地上循环泵单元包括循环主路和循环支路，所述循环主路两端分别设置有循环进水端和循环出水端，所述循环进水端通过输送管道与第一流量计连接，所述循环出水端通过输送管道与除沙机构连接，所述循环进水端上设置有循环进水电磁阀，所述循环出水端上设置有循环出水电磁阀，所述循环进水电磁阀和循环出水电磁阀之间串联设置有地上循环泵。

所述循环主路两端并联连接有循环支路，所述循环支路包括循环支管和循环支管上设置的支路循环电磁阀，所述支路循环电磁阀、循环进水电磁阀、循环出水电磁阀和地上循环泵均与控制单元电连接。

所述除沙机构包括除沙主路和除沙旁路，所述除沙主路与除沙旁路并联连接，所述除沙旁路包括旁路支管和设置在旁路支管上的旁路阀门，所述除沙主路上设置有除沙设备，所述除沙设备上设置有除沙输入口和除沙输出口，所述除沙输入口上设置有除沙入口阀门，所述除沙输出口上设置有除沙出口阀门，所述除沙入口阀门通过输送管道与地上循环泵单元连接，所述除沙出口阀门通过输送管道与热泵机组连接，所述除沙设备为旋流除砂器。

所述潜水泵机构包括潜水主路和潜水支路，所述潜水主路和潜水支路并联连接，所述潜水主路包括潜水泵取水管和潜水泵，所述潜水泵取水管上设置有潜水电磁阀，所述潜水电磁阀通过潜水泵取水管与潜水泵串联连接，所述潜水支路上设置有潜水支路电磁阀，所述潜水支路电磁阀和潜水电磁阀均与输送管道连接，所述潜水泵、潜水电磁阀和潜水支路电磁阀均与控制单元电连接。所述第一流量计上设置有流量第一入口和流量第一出口，所述流量第一出口通过输送管道与地上循环泵单元串联连接，所述流量第一入口上设置有第一流量电磁阀，所述第一流量电磁阀与取水井井口之间的输送管道上串联设置有输水开关电磁阀，所述输水开关电磁阀、第一流量电磁阀均与控制单元电连接。

所述第二流量计上设置有流量第二入口和流量第二出口，所述流量第二出口通过输送管道与回水井连接，所述流量第二入口上设置有第二流量电磁阀，所述第二流量电磁阀通过输送管道与第二流量计串联连接，所述热泵机组上设置有热泵机组进水口和热泵机组出水口，所述热泵机组进水口上设置有热泵机组进水电磁阀，所述热泵机组出水口上设置有热泵机组出水电磁阀，所述热泵机组进水电磁阀通过输送管道与除沙机构连接，所述热泵机组出水电磁阀通过输送管道与第二流量电磁阀连接，所述输送管道上的位置最高点处设置有自动排气阀，所述第二流量电磁阀、热泵机组进水电磁阀和热泵机组出水电磁阀均与控制单元电连接。

本实用新型公开了一种水源热泵水源侧串联节能水泵系统，所述系统内增设有地上循环单元和除沙机构，在热泵系统运行初期开启潜水泵和循环支路，使系统流量达到预设流量，当系统中的水流在取水井和回水井之间正常稳定循环时，此时开启地上循环泵，水流稳定运行一段时间后关闭潜水泵和循环支路，潜水泵关闭后，若系统内的流量依旧能达到预设流量时，即开启热泵机组，使热泵系统正常运行，本实用新型利用系统稳定运行后，取水点和回水点在同一水平面上，水泵只需要克服管道的局部阻力、沿程阻力以及管道连接的设备之间的阻力，使得水泵需要克服的阻力减小，从而不需再使用高扬程潜水泵，采用地上循环泵来实现系统内的水流稳定循环，具有节约能源的优点，此外，系统内设置有除沙机构和排污泄水机构，去除沙和管道内的残余水可进一步减少水流在管道内的阻力以节约能耗，而且，所述系统中设置有控制单元和多种电磁阀，可以达到灵活调节的有益效果。

附图说明

图1是水源热泵水源侧串联节能水泵系统的总体结构示意图。

图2是水源热泵水源侧串联节能水泵系统的具体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施，而不是全部的实施，基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做、出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种水源热泵水源侧串联节能水泵系统，包括取水井2和回水井6，取水井2内设置有潜水泵机构1，取水井2和回水井6之间设置有与潜水泵机构1连接的热泵机组5，所述潜水泵机构1和回水井6之间串联有节能水泵系统。

所述节能水泵系统包括控制单元和地上循环泵单元4，所述地上循环泵单元4串联在潜水泵机构1与热泵机组5之间，所述地上循环泵单元4与潜水泵机构1之间串联设置有第一流量计3，所述潜水泵机构1、第一流量计3、地上循环泵单元4和热泵机组5均与控制单元电连接。

所述控制单元为单片机、plc、工控机或pc机中的任意一种，控制单元优选为单片机进行控制，单片机具有功耗小，价格低且控制方便的特点。所述单片机型号优选为stm32，stm32是arm架构的处理器，是一种高性能、低成本和低功耗的微控制器，stm32具有嵌入式的flash存储器和ram存储器，可用于存储程序和数据，本系统中的控制单元可将采集的第一流量计3和第二流量计9的流量值暂存在ram存储器中，并与控制单元中存储的预设流量值进行比较判定，此外，所述的stm32微控制器还具有丰富的输入和输出端口，可用于本系统中多种电磁阀的开合控制。

如图1至2所示，所述节能水泵系统还包括除沙机构7和第二流量计9，所述潜水泵机构1、第一流量计3、地上循环泵单元4、除沙机构7、热泵机组5和第二流量计9均通过输送管道16依次串联连接，所述第一流量计3与取水井2的井口之间的输送管道16上旁接设置有排污泄水机构8，所述热泵机组5与第二流量计9之间的输送管道16上旁接设置有排污泄水机构8，所述排污泄水机构8包括排污管802和排污管802上串联设置的排污电磁阀801，所述排污电磁阀801和第二流量计9均与控制单元电连接。所述排污泄水机构8分别设置在取水井2的井口处和回水井6的井口处，在节能水泵系统开始运行前可以开启排污泄水机构8将输送管道16中存在的残余水量从排污管802中排出，减少管道16内的残余水量，为节能水泵系统的正常运行较少管道内的阻力，而且，所述的排污泄水机构8也可以在节能水泵系统停止运行后开启，以将输送管道16内的水通过排污管802排出，可防止冬季输送管道16内的水将管道冻裂，减少了管道维修的次数。

所述地上循环泵单元4包括循环主路401和循环支路405，所述循环主路401两端分别设置有循环进水端和循环出水端，所述循环进水端通过输送管道16与第一流量计3连接，所述循环出水端通过输送管道16与除沙机构7连接，所述循环进水端上设置有循环进水电磁阀402，所述循环出水端上设置有循环出水电磁阀404，所述循环进水电磁阀402和循环出水电磁阀404之间串联设置有地上循环泵403，所述循环主路401的开合是靠循环进水电磁阀402、循环出水电磁阀404和地上循环泵403的开闭来实现的。所述地上循环泵403的型号可通过计算取水井2与回水井6之间的局部阻力、沿程阻力和系统预设流量q来确定。

所述循环主路401两端并联连接有循环支路405，所述循环支路405包括循环支管406和循环支管406上设置的支路循环电磁阀407，所述支路循环电磁阀407、循环进水电磁阀402、循环出水电磁阀404和地上循环泵403均与控制单元电连接。

在循环主路401未开启时，循环支路405为开启状态，以保证了从潜水泵104中泵送出的水在整个系统内正常流通循环，当循环主路401开启，且系统内的水流达到稳定状态时，循环支路405为关闭状态。

所述除沙机构7包括除沙主路701和除沙旁路705，所述除沙主路701与除沙旁路705并联连接，所述除沙旁路705包括旁路支管707和设置在旁路支管707上的旁路阀门706，所述除沙主路701上设置有除沙设备703，所述除沙设备703上设置有除沙输入口和除沙输出口，所述除沙输入口上设置有除沙入口阀门702，所述除沙输出口上设置有除沙出口阀门704，所述除沙入口阀门702通过输送管道16与地上循环泵单元4连接，所述除沙出口阀门704通过输送管道16与热泵机组5连接，所述除沙设备703为旋流除砂器。所述的旋流除砂器是根据流体中的固体颗粒在除砂器里旋转时根据离心沉降和密度差的原理制成，当水流在一定的压力下从旋流除砂器的进水口以切向进入旋流除砂器后，产生强烈的旋转运动，由于沙和水密度不同，在离心力、向心力、浮力和流体曳力的共同作用下，使密度低的水上升，由出水口排出，密度大的砂粒由设备底部的排污口排出，从而达到除砂的目的，所述的旋流除砂器集旋流与过滤为一体，在水处理领域实现除沙、将浊、固液分离等效果显著，具有除沙率高，节省安装空间，工作状态稳定等优点。

所述潜水泵机构1包括潜水主路101和潜水支路105，所述潜水主路101和潜水支路105并联连接，所述潜水主路101包括潜水泵取水管103和潜水泵104，所述潜水泵取水管103上设置有潜水电磁阀102，所述潜水电磁阀102通过潜水泵取水管103与潜水泵104串联连接，所述潜水支路105上设置有潜水支路电磁阀106，所述潜水支路电磁阀106和潜水电磁阀102均与输送管道16连接，所述潜水泵104、潜水电磁阀102和潜水支路电磁阀106均与控制单元电连接。

所述潜水泵104的型号可通过计算取水井2与回水井6之间的局部阻力、沿程阻力、取水井2到地面的重力压头及管内水流动能压头和系统预设流量q来确定。

在节能水泵系统运行初期，先开启潜水主路101，使得潜水泵104工作，潜水泵104将取水井2内的水通过输送管道16将水泵出再回流入回水井6内，当节能水泵系统达到所需要的水流且保持稳定后，控制单元开启循环主路401，当系统流量再次达到稳定后，控制单元会关闭循环支路405和潜水主路101，同时开启潜水支路105，此时，取水井内2内的水通过潜水支路105和循环主路401上的地上循环泵403吸出后再回流入回水井6内。所述地上循环泵403的扬程小于潜水泵104的扬程，所述系统中水流系统保持稳定后，关闭潜水泵104，使用低扬程的地上循环泵403达到减少潜水泵能耗的目的。

所述第一流量计3上设置有流量第一入口和流量第一出口，所述流量第一出口通过输送管道16与地上循环泵单元4串联连接，所述流量第一入口上设置有第一流量电磁阀14，所述第一流量电磁阀14与取水井2井口之间的输送管道16上串联设置有输水开关电磁阀15，所述输水开关电磁阀15、第一流量电磁阀14均与控制单元电连接。

所述第二流量计9上设置有流量第二入口和流量第二出口，所述流量第二出口通过输送管道16与回水井6连接，所述流量第二入口上设置有第二流量电磁阀10，所述第二流量电磁阀10通过输送管道16与第二流量计9串联连接，所述热泵机组5上设置有热泵机组进水口和热泵机组出水口，所述热泵机组进水口上设置有热泵机组进水电磁阀12，所述热泵机组出水口上设置有热泵机组出水电磁阀11，所述热泵机组进水电磁阀12通过输送管道16与除沙机构7连接，所述热泵机组出水电磁阀11通过输送管道16与第二流量电磁阀10连接，所述输送管路的位置最高点上设置有自动排气阀13，所述第二流量电磁阀10、热泵机组进水电磁阀12和热泵机组出水电磁阀11均与控制单元电连接。所述自动排气阀13是用来排气的装置，以释放供水管道中产生的气穴的阀门，自动排气阀13去除管道内的气体，避免管道的水流带气运行。

所述第一流量计3和第二流量计9为电磁流量计，所述电磁流量计为带有rs485通讯的电磁流量计，电磁流量计通过rs484通讯协议可实现将水流量实时传输给控制单元，达到流量监测的目的。

所述控制单元为单片机，单片机上设置有输入或输出端口，所述单片机上的输出端口分别与潜水支路电磁阀106、潜水电磁阀102、输水开关电磁阀15、第一流量电磁阀14、排污电磁阀801、循环进水电磁阀402、循环出水电磁阀404、支路循环电磁阀407、热泵机组进水电磁阀12、热泵机组出水电磁阀11和第二流量电磁阀10电连接，电磁阀是用电磁控制的工业设备，可用来控制流体的自动化元件，电磁阀是利用电磁原理来实现阀门的打开或关闭的，在电磁阀通电时，电磁阀内的电磁线圈产生电磁力把阀芯从阀座上提起，阀门打开，断电时，电磁力消失，阀芯复位阀门关闭。所述单片机可以通过输出端口向电磁阀发送开关信号，即高电平或低电平信号实现电磁阀的打开或关闭。

所述系统中还设置有声光报警器，声光报警器可通过声音和各种光来向人们发出示警信号的一种报警信号装置。所述声光报警器与控制单元电连接，控制单元采集到第一流量计或第二流量计不相同或低于预设流量值q时，控制单元向声光报警器发送高电平或低电平信号驱动声光报警器进行报警。

控制单元通过rs485进行流量数据的采集，并将采集的流量值进行数据比较以及与控制单元存储的预设流量值进行大小比较采用的技术是将数值在单片机中也即是控制单元中转换为二进制数值，利用单片机中的算术逻辑单元比较二进制的大小对本领域技术人员来说为现有技术。

通常情况下，所述节能水泵系统中的第一流量计3和第二流量计9的流量值是相同的，但是当地上循环泵403循环能力较弱时，使得从取水井2中流出的水不能完全回流到回水井6中时，此时第一流量计3和第二流量计9的流量值不同，则控制单元驱动声光报警器进行报警提醒，提醒工作人员注意。

还有一种报警情况是第一流量计3或第二流量计9中的流量值低于预设流量值q，若节能水泵系统中的流量值低于预设流量值q时，此时热泵机组5内循环的水流量较少，不足以使热泵机组5完成换热工作，而且水流量较少时，也容易对热泵机组本身造成损坏。

所述水源热泵水源侧串联节能水泵系统的具体工作过程如下：

所述系统未开始运行时，由于电磁阀均未通电，所以系统中的所有电磁阀均处于关闭状体，在系统开始运行前，控制单元中通过烧写器将节能水泵系统中预设流量值q写入控制单元的存储器中。在系统开始运行时，控制单元开启排污电磁阀801，将上次运行过后的输送管道16中的残余水量通过排污管802排出，控制单元定时一分钟或两分钟后，将排污电磁阀801关闭。

控制单元将排污电磁阀801关闭后，手动打开除沙入口阀门702、除沙出口阀门704、关闭旁路阀门706，除沙机构7中的阀门均为人工控制，当需要更换除沙设备703时，可人工将旁路阀门706打开，同时将除沙入口阀门702和除沙出口阀门704关闭，使得水流能从除沙旁路705流出，保证所述系统的正常工作。

而后，控制单元发出高电平或低电平信号开启输水开关电磁阀15、潜水电磁阀102、潜水泵104、第一流量电磁阀14、支路循环电磁阀407、热泵机组进水电磁阀12、热泵机组出水电磁阀11、第二流量电磁阀10，此时潜水泵104将取水井2中的水通过输送管道16泵出，并经过第一流量计3流入循环支路405，循环支路405流出的水流经过除沙主路701进行除沙，除沙后的水流经过热泵机组5，此时热泵机组5并未开启，热泵机组5不能进行热交换，但可进行水流的流入或流出，从热泵机组5中流出的水流经过第二流量计9流入到回水井6中，完成水流从取水井2到回水井6流入的过程，所述过程中，控制单元通过rs485通讯实时采集第一流量计3和第二流量计9的流量值，若第一流量计3和第二流量计9的值持续稳定大于预设流量q，则控制单元开启潜水支路电磁阀106、循环进水电磁阀402和循环出水电磁阀404。

潜水支路电磁阀106、循环进水电磁阀402和循环出水电磁阀404开启后，水流从潜水泵104泵出通过输送管道16水流流经第一流量计3、循环主路401和循环支路405，而后水流流入除沙主路701进行除沙，除沙后的水流经过热泵机组5，此时热泵机组5并未开启，热泵机组5不能进行热交换，但可进行水流的流入或流出，从热泵机组5中流出的水流经过第二流量计9流入到回水井6中，完成水流从取水井2到回水井6流入的过程，所述过程中，控制单元实时采集第一流量计3和第二流量计9的值是否持续稳定大于预设流量q，若持续稳定大于，则控制单元将潜水主路101和循环支路407关闭。

潜水主路101和循环支路407关闭后，循环主路401中的地上循环泵403通过潜水支路105将水流从取水井2中取出，再经过除沙主路701进行除沙，除沙后，水流经过热泵机组5和第二流量计9流入回水井6中，此时，控制单元采集第一流量计3和第二流量计9中的流量值是否持续稳定且大于预设流量q，若大于，则控制单元将热泵机组5开启，以使热泵机组5完成热交换工作。

在热泵机组5开启后，控制单元采集第一流量计3和第二流量计9中的流量值，判断第一流量计3和第二流量计9中的流量值是否持续稳定且大于预设流量q，若稳定且大于，则表明系统工作正常，若第一流量值3或第二流量值9不相同，则表明地上循环泵403出现故障，则控制单元发出报警信号，若第一流量值3和第二流量值9小于预设流量q，则不能满足热泵机组5热交换所需要的水流量，控制单元也发出报警信号，以避免热泵机组5的损坏。

由百度百科，

（https://baike.baidu.com/item/%e5%8d%95%e7%89%87%e6%9c%ba）可知单片机中含有运算器，运算器中含有算术逻辑单元、累加器和寄存器，算术逻辑单元把累加器和寄存器中的两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作，并将最后结果存入累加器中。

上述过程中采集的第一流量计3和第二流量计9中的流量值经过单片机中的算术逻辑单元与预设流量q运算后，会输出高电平或低电平，人工可设置为高电平，这样通过输出端口可控制电磁阀、热泵机组和报警装置的工作，这样的技术手段为现有的技术手段。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。