CN102679619B

CN102679619B - 基于雨水蓄渗及太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统

Info

Publication number: CN102679619B
Application number: CN201110056550.1A
Authority: CN
Inventors: 高岩; 安玉娇; 荆亚州; 李飞
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: CN102679619A

Abstract

本发明公开了属于节能系统技术领域的一种基于雨水蓄渗及太阳能蓄热-土壤源热泵一体化系统。该系统包括五套管路系统：太阳能集热系统、垂直与水平地埋管换热系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗系统以及空调末端系统。本发明是对传统太阳能-土壤源热泵系统的改进。该系统能够解决采暖负荷占优地区土壤源热泵取/排热不平衡，长期运行造成地下土壤温度场失衡问题；有效改善太阳能集热器在夏季“空晒”造成“过热”所产生的危害，延长太阳能集热器的使用寿命，提高太阳能的综合利用率；同时，采用雨水蓄渗技术能够有效改善土壤换热特性，提高太阳能季节性蓄热土壤源热泵系统的工作效率，并且促进雨水可持续循环，有效减少洪涝灾害和径流污染。

Description

基于雨水蓄渗及太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统

技术领域

本发明围绕合理利用能源、加大可再生能源的开发，充分利用雨水资源、改善城镇水环境等方面，特别涉及一种基于雨水蓄渗及太阳能蓄热-土壤源热泵一体化系统。

背景技术

建筑能耗的快速增长，使能源与环境问题日益突出，人们对建筑节能问题空前关注，在这种背景下，太阳能-土壤源热泵系统的出现为建筑节能带来了广阔的发展前景，此系统以太阳能和土壤源蓄存的能量为复合热源，弥补了单一热源应用时存在的缺陷，提高资源的利用率，成为当今一种新型节能、环保的系统形式。

但是，传统太阳能-土壤源热泵系统的设计与运行存在诸多问题：太阳能集热系统在夏季使用时，太阳能集热器通常处于空晒状态。相关文献给出空晒对太阳能集热器热效率以及使用寿命的影响：平板型集热器在空晒88天后，集热器的工作效率下降87％，热管式真空管式集热器在空晒151天后，集热器工作效率下降89％，可见，太阳能集热器的“过热”危害不容忽视。

太阳能-土壤源热泵系统在运行时，地下埋管换热器提取或释放的热量主要是依靠换热器内流体与土壤之间的导热方式进行。当太阳能-土壤源热泵系统在夏季运行时，大地作为排热场所，室内热量、压缩机耗能以及太阳能均通过地埋管排入土壤中。但同时，随着蓄热量的不断增加，埋管周围的土壤含水率会随之下降，含水率对土壤的导热系数的影响非常显著，当土壤含水率每降低5％时，土壤的导热系数会相应降低0.2W/m·K。土壤导热系数的不断减小，势必会造成地埋管与流体之间换热性能的降低，影响热泵机组效率；并且，夏季热泵运行时，对地下土壤的蓄热过程将会使土壤温度不断升高，对空调运行冷凝热排热产生不利影响，冷凝温度提高，热泵系统在亚稳定状态下运行，热泵系统的运行效率降低，最终可能导致系统不能正常运行。

综上所述，传统太阳能-土壤源热泵系统的设计与使用，应考虑上述方面问题：1)如何避免在夏季大量太阳能由于无法被利用而造成的“过热”现象，减少空晒对太阳能集热系统的集热效率、使用寿命等造成的危害。2)如何避免土壤在夏季充当蓄热体接受太阳能集热系统的排热而导致的土壤温度提高，空调运行冷凝热排热不利，冷凝温度升高，系统运行效率下降的问题。

在我国，城镇雨水排放一直未被关注。传统城市雨水排放方式以单一的防洪涝和快排为指导思想，追求在最短的时间内将雨水径流排放。此种雨水管理方式存在诸多问题：1)由于现代城市道路多为不透水表面，传统雨水管理模式将加大城市洪灾风险，雨水径流污染严重，生态环境随之恶化；2)我国北方地区缺水严重，城市地下水抽采入不敷出，地下水(尤其是浅层地下水)的补给被隔断，破坏了原有水系的自然循环过程。目前改善方式可采用雨水蓄渗装置，如下凹式绿地、雨水花园、蓄渗浅沟等。此种方式不但可以有效减少洪涝灾害和径流污染，促进城镇雨水的减排，同时可以调节土壤含水量，使得土壤导热系数的增大，提高土壤的换热性能，有利于土壤源热泵的运行、蓄热效果的提高。

上述问题是目前优化太阳能-土壤源热泵系统成败的关键，如果可以通过有效途径将太阳能-土壤源热泵系统与雨水蓄渗系统有机的结合，将能够最优、最大程度上发挥系统的节能潜力。

发明内容

从提高能源利用效率和雨水资源化率的角度，本发明提供一种基于雨水蓄渗及太阳能蓄热-土壤源热泵一体化系统，该系统包括五套管路系统：太阳能集热系统、垂直与水平地埋管换热系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗系统以及空调末端系统；

所述太阳能集热系统包括太阳能集热器，采暖储热水箱，太阳能集热器通过循环管路与采暖储热水箱连通，其循环管路上有循环水泵，形成加热介质的环路；

所述垂直与水平地埋管换热系统采用垂直地埋管换热器与水平地埋管换热器相结合的方式；

所述土壤源热泵系统包括蒸发器/冷凝器、冷凝器/蒸发器、压缩机和四通换向阀，蒸发器/冷凝器的出水管与空调末端系统的供水管相连接，蒸发器/冷凝器的进水管与空调末端系统的回水管相连接，冷凝器/蒸发器出水管与垂直与水平地埋管换热系统的供水管连接，冷凝器/蒸发器的进水管与垂直与水平地埋管换热系统的回水管相连；

所述采暖储热水箱的出水管与所述垂直与水平地埋管换热系统的供水管连接，所述采暖储热水箱的进水管与所述垂直与水平地埋管换热系统的回水管相连。

所述采暖储热水箱的出水管与所述空调末端系统的供水管相连，所述采暖储热水箱的进水管与所述空调末端系统的回水管相连。

所述太阳能集热系统还含有生活热水储水箱，生活热水储水箱进水管与所述采暖储热水箱的出水管相连，生活热水储水箱出水管与所述太阳能集热器进水管连接。自来水经生活热水储水箱加热后直接输送至用户，或者自来水经生活热水储水箱加热后再经电加热器加热后输送至用户。

系统之间设有循环水泵，并由管道连通，通过阀门可以实现控制及功能转换。

所述雨水蓄渗系统采用下凹式绿地、透水铺装、雨水花园或者蓄渗浅沟。

所述太阳能集热系统设置在建筑物顶层或设计在朝阳光的墙面上，所述垂直与水平地埋管换热系统埋于地下，所述雨水蓄渗系统在地面上或建筑物的地下层内。各类用水设备及管道安装在建筑物内，与建筑物融为一体。

所述的太阳能集热系统选用平板式、真空管式或者聚光式类型的太阳能集热器。

所述的垂直与水平埋管结合的地埋管换热系统，由垂直埋管与水平埋管组成。水平埋管换热器的埋置深度需满足能够充分利用雨水蓄渗系统的要求，埋置深度至少在冰冻线以下，同时，下渗雨水能触及，通常埋置在冻土层以下0.6m，且距地面大于1.5m。垂直埋管需根据地理位置和当地气候条件设计，通常埋置在地下深30m。

所述的太阳能集热系统、垂直与水平地埋管换热系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗系统以及空调末端系统之间由管道相连通，通过阀门切换实现功能转换。通过阀门之间的切换可以实现用能工况的转换。

为克服现有技术的不足，从提高能源利用效率和雨水资源化率的角度，本发明提供一种基于雨水蓄渗及太阳能蓄热-土壤源热泵一体化系统。此系统通过土壤季节蓄热，有效缓解夏季太阳能集热装置的“过热”，同时调节土壤温度，弥补采暖负荷占优的北方地区使用土壤源热泵系统长期运行效率降低的不足；并且，同雨水蓄渗系统的结合在实现雨水资源化的同时，能够调节雨水下渗改善土壤换热性能，从而提高土壤源热泵系统的效率。实现更加合理的开发和利用浅层地热能、太阳能，拓展可再生能源在建筑能源系统中的应用空间。

本发明的有益效果：本发明是对传统太阳能-土壤源热泵系统的改进，提出一种基于雨水蓄渗及太阳能蓄热-土壤源热泵一体化系统，涉及建筑空调采暖系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗及太阳能蓄热系统，能够根本上解决太阳能-土壤源热泵系统及雨水资源化存在的工程实际问题。实现对蓄热、取热的过程控制，最大限度地发挥地下传热系统的综合效能，提高土壤蓄热利用率。推动绿色建筑能源、水系统相关技术，提高可再生能源、雨水资源化程度和安全使用水平，构建可持续发展的生态社会与区域环境。

本发明的突出优点是将垂直地埋管与水平地埋管换热器完美结合，同时发挥雨水蓄渗系统对土壤热物性参数的调节作用的特点：夏季，通过垂直埋管为土壤蓄热，以备需要时取出加以利用，有效缓解太阳能集热器过热的问题；同时由于水平地埋管换热器埋深浅，对外界环境的影响较为敏感，为了避免蓄热土壤对空调冷凝温度的不利影响，采用水平埋管排热；在冬季，以垂直埋管为主水平埋管为辅共同从土壤取热，提高系统效率。在本系统中，将下凹式绿地作为蓄渗子系统，在有效缓解水资源危机，达到补充生态环境用水积极效果的同时，使得土壤导热系数增大，提高土壤导热性能及热扩散性能，进而提高土壤的换热性能，加快冷凝器的散热速率，有利于土壤源热泵的运行及蓄热效果的提高。

本发明从建筑及空调系统、太阳能及浅层地热能、水环境、土壤环境整体的角度提高能源利用率和雨水资源转化率，探索并拓展该领域的应用空间，符合当今社会形势发展的需要，有广阔的发展前景。并且，本发明能够填补可再生能源在建筑能源系统应用中的空白，在构建可持续建筑能源及水环境中发挥重要作用，是切实缓解建筑能源、水环境污染，构建可持续发展的生态社会与区域环境的有效途径。

附图说明

图1是本发明所涉及的基于雨水蓄渗及太阳能蓄热-土壤源热泵一体化系统的整体结构原理示意图。

图中标号：1-土壤源热泵系统、2-冷凝器/蒸发器、3-蒸发器/冷凝器、4-空调末端系统、5-太阳能集热器、6-雨水蓄渗系统、7-水平地埋管换热器、8-垂直地埋管换热器、9-集水器、10-分水器、11～14、18-循环水泵、15-采暖储水箱、16-生活热水储水箱、17-电加热器、19-压缩机、20-四通换向阀，21-节流阀，V1～V33-阀门。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明包括太阳能集热系统、垂直与水平埋管结合的地埋管换热系统、热泵循环系统、雨水蓄渗系统以及室内空调系统。

实施例1

一种基于雨水蓄渗及太阳能蓄热-土壤源热泵一体化系统，参见图1，该系统包括五套管路系统：太阳能集热系统、垂直与水平地埋管换热系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗系统以及空调末端系统；

所述太阳能集热系统包括太阳能集热器5和采暖储热水箱15，太阳能集热器5通过循环管路与采暖储热水箱15连通，其循环管路上有循环水泵11；

所述垂直与水平地埋管换热系统采用垂直地埋管换热器8与水平地埋管换热器7相结合的方式；

所述土壤源热泵系统包括蒸发器/冷凝器3、冷凝器/蒸发器2、压缩机19和四通换向阀20，还含有节流阀21。四通换向阀20通过改变制冷剂的流动通道，改变制冷剂流向，转换冬夏两季空调系统冷凝器和蒸发器的功用。

蒸发器/冷凝器3的出水管与空调末端系统4的供水管相连接，蒸发器/冷凝器3的进水管与空调末端系统4的回水管相连接，冷凝器/蒸发器2出水管与垂直与水平地埋管换热系统的供水管连接，冷凝器/蒸发器2的进水管与垂直与水平地埋管换热系统的回水管相连；

所述采暖储热水箱15的出水管与所述垂直与水平地埋管换热系统的供水管连接，所述采暖储热水箱15的进水管与所述垂直与水平地埋管换热系统的回水管相连；

所述采暖储热水箱15的出水管与所述空调末端系统4的供水管相连，所述采暖储热水箱15的进水管与所述空调末端系统4的回水管相连。

所述太阳能集热系统还含有生活热水储水箱16，生活热水储水箱16进水管与所述采暖储热水箱15的出水管相连，生活热水储水箱16出水管与所述太阳能集热器5进水管连接。自来水经生活热水储水箱16加热后再经电加热器17加热后输送至用户。

所述雨水蓄渗系统采用下凹式绿地。

所述的太阳能集热系统选用真空管式太阳能集热器。

水平埋管换热器埋置在冻土层以下0.6m，且距地面大于1.5m。

所述的太阳能集热系统、垂直与水平地埋管换热系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗系统以及空调末端系统之间由管道相连通，通过阀门切换实现功能转换。

土壤源热泵系统1，地下埋管7、8和空调末端系统间的连接分为冬季运行和夏季运行两种连接方式；

夏季运行时，蒸发器/冷凝器3作为蒸发器使用、冷凝器/蒸发器2作为冷凝器使用，冬季运行时，蒸发器/冷凝器3作为冷凝器使用、冷凝器/蒸发器2作为蒸发器使用。

根据日照条件和负荷变化情况本发明系统采用多种不同的运行模式，每一个运行模式中太阳能集热器和地埋管换热器运行工况分配与组合不同，各模式之间的切换可以通过阀门的开与关灵活实现。

本发明在夏季和冬季分别有以下几种运行模式：

(1)生活热水供应的运行模式

参见图1，太阳能系统提供建筑全年的生活热水，地埋管换热侧阀门均关闭，热泵系统侧阀门均关闭。由太阳能集热器5，采暖储热水箱15，循环水泵11及生活热水储水箱16构成的太阳能集热利用系统开启，阀门V3、V4、V28、V29、V30、V31、V33开启，循环水泵11利用温差控制进行变流量调节，保证太阳能集热系统在较高效率下运行；自来水进入生活热水储水箱16后进行换热，加热器17作为辅助热源保证生活热水的供水水温；阀门V2和V32根据太阳辐射强度及用户需求确定开启与否。

(2)夏季运行模式

1)参见图1，在夏季白天，系统供冷工况运行时，热泵机组蒸发器3的出水管与空调末端系统4的供水管相连接，热泵机组蒸发器3的进水管与空调末端的回水管道相连接；热泵机组冷凝器2的出水管与地埋管换热器系统的供水管相连接，热泵机组冷凝器2的进水管与地埋管换热器系统的回水管相连接。水平埋管7承担夏季冷凝器散热的任务，工作模式为冷凝器散热模式，同时利用雨水蓄渗系统6可以使地埋管周围的土壤保持较有利的含水率状态，加快冷凝器的散热速率；同时利用垂直埋管8按照蓄热模式工作，将太阳能集热器吸收的能量储存到深层的土壤中，避免夏季太阳能集热器过热。此种运行状态下，太阳能集热器侧阀门均开启，地下埋管换热器侧阀门V13、V15、V18、V20、V23、V25、V27关闭，其余阀门均打开；热泵系统环路侧阀门均开启，空调负荷侧阀门均开启，系统中循环水泵12关闭，其余循环水泵均开启。

2)参见图1，在夏季夜间，太阳能集热器可作为辐射散热设备，减少夏季向地下的排热量。此时地埋管换热系统阀门均关闭，太阳能集热系统阀门均开启，热泵系统侧阀门V6、V9～V12、V22和V23开启，其余阀门均关闭，循环水泵11、13开启。

(3)冬季运行模式

1)参见图1，在冬季供暖初期或末期的晴天，空调房间的热负荷较小，集热器的集热量较大，考虑采用太阳能集热系统和垂直埋管换热器联合运行模式。此时太阳能集热系统侧阀门均开启，垂直地埋管换热器侧阀门V19、V24关闭，其余阀门均开启，主要利用竖直埋管和太阳能集热器进行采暖。热泵系统侧阀门V8、V12关闭，其余阀门均开启。循环水泵12关闭，其余水泵均开启。

当处于严寒期时，空调房间热负荷较大，系统采用太阳能集热系统加垂直和水平埋管系统，其中以垂直埋管为主水平埋管为辅共同从土壤取热，为空调房间供暖。此时太阳能集热器侧阀门均开启，地埋管换热器侧阀门均开启，热泵系统侧阀门V8和V12关闭，其余阀门均开启。循环水泵12关闭，其余水泵均开启。

实施例2

所述雨水蓄渗系统采用雨水花园，其余与实施例1相同。

实施例3

所述雨水蓄渗系统采用蓄渗浅沟。其余与实施例1相同。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于该一体化系统包括五套管路系统：太阳能集热系统、垂直与水平地埋管换热系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗系统以及空调末端系统；

所述太阳能集热系统包括太阳能集热器（5）和采暖储热水箱（15），太阳能集热器（5）通过循环管路与采暖储热水箱（15）连通，其循环管路上设有循环水泵（11）；

所述垂直与水平地埋管换热系统采用垂直地埋管换热器（8）与水平地埋管换热器（7）相结合的方式；

所述土壤源热泵系统（1）包括蒸发器/冷凝器（3）、冷凝器/蒸发器（2）、压缩机（19）和四通换向阀（20），蒸发器/冷凝器（3）的出水管与空调末端系统（4）的供水管相连接，蒸发器/冷凝器（3）的进水管与空调末端系统（4）的回水管相连接，冷凝器/蒸发器（2）出水管与垂直与水平地埋管换热系统的供水管连接，冷凝器/蒸发器（2）的进水管与垂直与水平地埋管换热系统的回水管相连；

所述采暖储热水箱（15）的出水管与所述垂直与水平地埋管换热系统的供水管连接，所述采暖储热水箱（15）的进水管与所述垂直与水平地埋管换热系统的回水管相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：所述采暖储热水箱（15）的出水管与所述空调末端系统（4）的供水管相连，所述采暖储热水箱（15）的进水管与所述空调末端系统（4）的回水管相连。

3.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：所述太阳能集热系统还含有生活热水储水箱（16），生活热水储水箱（16）进水管与所述采暖储热水箱（15）的出水管相连，生活热水储水箱（16）出水管与所述太阳能集热器（5）进水管连接。

4.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：系统之间设有循环水泵，并由管道连通，通过阀门实现控制及功能转换。

5.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：所述雨水蓄渗系统采用下凹式绿地、透水铺装、雨水花园或者蓄渗浅沟。

6.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：所述太阳能集热系统设置在建筑物顶层或设计在朝阳光的墙面上，所述垂直与水平地埋管换热系统埋于地下，所述雨水蓄渗系统在地面上或建筑物的地下层内，各类用水设备及管道安装在建筑物内，与建筑物融为一体。

7.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：所述的太阳能集热系统选用平板式、真空管式或者聚光式类型的集热器。

8.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：所述的水平地埋管换热器埋置在冻土层以下0.6m，且距地面大于1.5m。

9.根据权利要求1所述的太阳能蓄热—土壤源热泵一体化系统，其特征在于：所述的太阳能集热系统、垂直与水平地埋管换热系统、土壤源热泵系统、雨水蓄渗系统以及空调末端系统之间由管道相连通，通过阀门切换实现功能转换。