CN104344603B - 利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统及方法，包括地埋管换热器、地源热泵机组和电加热装置，地埋管换热器与换热器III的一次侧形成循环回路I,换热器III的二次侧与用户端形成循环回路II；地埋管换热器通过地源热泵机组直接与用户端形成循环回路III；地埋管换热器通过地源热泵机组与换热器I的一次侧形成循环回路IV,换热器I的二次侧与用户端形成循环回路V；电加热装置与换热器II的一次侧形成循环回路VI,换热器II的二次侧与用户端形成循环回路VII。将浅层地热能和电力需求侧管理的技术和措施相结合，以地埋管地源热泵为主要冷热源，以谷电时段使用的电锅炉为辅助热源，末端采用地板辐射的形式用于建筑供冷/供热。

Description

利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统及方法

技术领域

本发明涉及利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统(以下简称地源热泵)，主要用于热负荷占优的单供暖(兼顾供冷)系统的研究及其设计方法，属于建筑环境与能源应用工程技术领域。

背景技术

近年来由于对建筑节能、CO₂减排及改善大气雾霾等环境问题的关注，利用可再生的浅层地热能的地源热泵技术在建筑空调领域得到了迅速发展。其中的地埋管地源热泵技术利用大地热容量巨大及地下土壤温度相对稳定的特性，通过闭环式地埋管换热器夏季向土壤释放热量、冬季从土壤吸收热量，通过热泵实现对建筑物供冷供热。

我国的地源热泵项目普遍趋于大型化，现在已经出现了利用地源热泵技术解决大型社区集中供热的迫切需求，但也面临埋管用地不足和地下冷热不平衡等突出问题。单一的地源热泵系统应用于以供热为主要需求的北方住宅项目时，由于冬季供暖从土壤中吸收的热量常常大于夏季供冷向土壤释放的热量，系统长期从土壤中的取热量大于放热量，会引起土壤温度逐年下降，导致系统冬季运行性能下降甚至无法正常供热。上述问题常常导致地源热泵在北方集中供热的大型住宅项目中效率不佳甚至失效。

目前针对由全年释冷/释热量不平衡引起的地源热泵系统性能退化或失效问题，已进行了一些研究，开发了多种地源热泵复合系统。例如，以冷却塔为辅助冷源的地源热泵复合系统已成功地应用于夏季冷负荷占优的项目。然而对于冬季热负荷占优或单供暖的工程项目，虽然已经有了以太阳能、工业余热、燃气锅炉为辅助热源的地源热泵复合系统，但是受多种技术经济条件的制约，这些复合系统未能大规模推广应用。要为我国北方的城镇化提供新的供热途径，并灵活有效地解决应用地源热泵技术时地下岩土体全年冷热量不平衡问题，必须寻求更符合现有资源条件和能源政策、稳定且费用更低的辅助制热方式。

发明内容

为了解决现有地源热泵技术在供暖为主的北方地区应用的局限性，本发明将浅层地热能这种可再生能源和利用谷电的电力需求侧管理理念和技术相结合，提出了以地埋管地源热泵为主要冷热源，以谷电时段使用的电锅炉为辅助热源，采用地板辐射等末端形式的单供暖+免费供冷系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统，包括地埋管换热器、地源热泵机组和电加热装置，所述的地埋管换热器与换热器III的一次侧形成循环回路I,换热器III的二次侧与用户端形成循环回路II；所述的地埋管换热器通过地源热泵机组直接与用户端形成循环回路III；所述的地埋管换热器通过地源热泵机组与换热器I的一次侧形成循环回路IV,换热器I的二次侧与用户端形成循环回路V；所述的电加热装置与换热器II的一次侧形成循环回路VI,换热器II的二次侧与用户端形成循环回路VII；所述的循环回路I、II、III、IV、V、VI、VII上均设有控制其开断的阀门。

用户端采用地板辐射的形式供冷、供热。

所述的地埋管换热器串联第十一阀门、循环水泵后，经过换热器III的一次侧与地埋管换热器、循环水泵、第十二阀门形成循环回路I，且换热器III的二次侧与用户侧的地板管道、循环水泵、第十三阀门、第十四阀门形成循环回路II。

所述的地埋管换热器串联第九阀门、循环水泵后，与地源热泵机组的入口连通；地源热泵机组的出口通过管道串接第一阀门后与用户侧入口连通，且用户侧出口串接第二阀门后，回到地源热泵机组，形成了循环回路III；且地源热泵机组的出口还通过管路串联第三阀门，经过换热器I的一次侧后，串接第四阀门返回到地埋管换热器，形成循环回路IV；换热器I的二次侧与用户侧的第五阀门、循环水泵、地板管道、第六阀门串联后形成循环回路V。

所述的电加热装置的输出端与换热器II的一次侧形成循环回路VI，换热器II的二次侧位于用户侧，且通过管路串联第七阀门、第八阀门后与用户侧的地板管道形成循环回路VII。

所述的换热器I、换热器II、换热器III位于用户侧的二次侧，其回到二次侧的连接管路与高位水箱(或定压补水装置)III连通，用于系统定压补水。

所述的循环回路I、II、III、IV、V、VI、VII均设有温度传感器和流量传感器，在系统中安装热电阻温度传感器和涡轮流量传感器，根据实测运行数据，进行系统优化及运行策略调整，实现动态控制，有助于地下岩土体长期动态冷热平衡。

所述的谷电辅热地源热泵供热供冷系统的控制方法，如下：

采暖季：用电高峰(白天)及平段，由地源热泵机组满足全部供暖热负荷，仅第一阀门、第二阀门、第九阀门、第十阀门开启；若某些特殊严寒时间，地源热泵不能够满足高峰(白天)及平时时段的热负荷时(用户侧回水温度低于设定值)时，第一阀门、第二阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门开启，地源热泵和电热水锅炉系统同时运行。

晚上低谷时段，仅开启阀门第七阀门、第八阀门，由电锅炉满足全部供暖热负荷；

供冷季：仅第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第十四阀门开启，进行“免费供冷”，既满足部分冷负荷，也缓解地下冷热不平衡问题，地源侧循环水通过板式换热器与用户侧进行间接换热；供冷需求较大时，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十阀门开启，启动地源热泵主机，进一步承担部分室内冷负荷，控制板式换热器二次侧(用户侧)出口水温，避免供水温度太低时室内地板结露。

本发明的有益效果如下：

1)可有效解决在华北的住宅项目中应用地源热泵技术时遇到的地下岩土体全年冷热量不平衡的瓶颈，充分利用和发挥可再生能源利用技术，不需燃气锅炉做地源热泵系统的备用热源，更有助于废除燃煤锅炉房。作为不具备市政集中供热管网区域的经济可靠的供暖措施之一，能够促进我国的可持续发展和城镇化建设进程。

2)积极响应电力需求侧管理的政策措施，充分利用夜间谷电作为地源热泵系统的辅助热源和有益补充，可有效提高电网的供电效率，将系统所服务建筑物的用电效率提升5～10％，实现经济效益和社会效益的高度统一。

3)采用谷电作为辅助热源，可按一定比例的冬季热负荷进行地埋管换热器设计计算，减少了埋管量，系统初投资较传统地源热泵系统降低约30％。由于白天用电高峰段及平段运行地源热泵系统，系统耗电量较少；夜间则充分利用低谷时段的电力(电价低于高峰段的1/3)，该系统的总体供热费用比现有市政集中供热系统低约30％，是节能经济的供热创新途径。

4)本系统利用地下岩土体的年蓄热特性和建筑构件的日蓄热性能，夏季可将低温的地源侧循环水直接通入室内的地板辐射管道，满足建筑物部分供冷需求，实现“免费供冷”功能，改善居住环境；

5)某些项目可考虑设置板式换热器进行间接换热，以便于调节供水温度、避免供水温度过低造成地板结露、防止地埋管底部承压过高。

6)该技术也可用作某些供暖效果不佳的地源热泵系统，尤其是单供暖地源热泵项目的补救措施。

附图说明

图1谷电辅热地源热泵供热供冷系统流程图；

图中：1地源热泵机组；2常压电热水锅炉；3地板管道；4循环水泵；5地埋管换热器；6-1换热器I，6-2换热器II,6-3换热器III；7-1高位水箱(或定压补水装置)I,7-2高位水箱(或定压补水装置)II,7-3高位水箱(或定压补水装置)III,,V1-V14阀门。

具体实施方式

本发明将浅层地热能和电力需求侧管理节能理念相结合，以地埋管地源热泵为主要冷热源，以谷电时段使用电锅炉为辅助热源，采用地板辐射的末端形式给用户供冷/供热。根据具体的建筑负荷动态模拟结果，对系统主要部分(热泵、谷电时段运行的电锅炉、地埋管)进行合理配置，确保地下岩土体长期保持动态冷热平衡，确定系统运行费用最低的技术方案。

本发明主要涉及严寒和寒冷地区(尤其是CDD26≤90的寒冷(A)区)，地源热泵承担部分夏季免费供冷负荷和部分冬季供热负荷，以谷电时段运行的电锅炉作为辅助热源，以满足建筑供热需求的地源热泵复合系统的地埋管配置、地下岩土体全年冷热平衡问题研究及其优化设计方法。

谷电辅热地源热泵系统具体设计过程如下：

首先，计算建筑的逐时冷热负荷。可采用成熟的DeST软件模拟。

其次，针对具体项目，计算不同的建筑冷/热负荷时地埋管换热器5的运行参数，从而得到通过“免费供冷”的方式所能够向地下补充的热量。

第三，研究大型地埋管换热器5的传热机理，建立较为准确的地下传热模型，结合实际运行效果，对地埋管专业设计软件进行优化升级。结合岩土热物性参数，通过模拟软件进行10～20年的地下冷热平衡分析。

第四，通过专业软件，确定最佳的埋管形式及间距。

第五，对同一建筑物选用能满足用户使用需求的配比方案，调整地热换热器与辅助电锅炉的配置比例，尽量满足全年地下冷热平衡，并进行全年逐时运行能耗模拟。通过与单一地源热泵系统和其他常规空调系统的初投资及运行费用比较，确定最佳技术方案。

最后，确定系统运行控制策略。供暖季的白天(用电高峰时段)及平时时段主要由地源热泵系统承担热负荷，夜间谷电时段主要运行电锅炉。确定电锅炉、地热换热器所能够承担的热负荷、埋管间距等参数。在满足地下岩土体热平衡的前提下，经过技术经济比较，确定最佳运行策略。

最终形成的实施方案如图1所示，具体如下：

利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统，包括地埋管换热器5、地源热泵机组1和常压电热水锅炉2，地埋管换热器5与板式换热器III6-3的一次侧形成循环回路I,换热器III的二次侧与用户端形成循环回路II；所述的地埋管换热器通过地源热泵机组直接与用户端形成循环回路III；所述的地埋管换热器通过地源热泵机组与换热器I6-1的一次侧形成循环回路IV,换热器I6-1的二次侧与用户端形成循环回路V；所述的常压电热水锅炉2与换热器II的一次侧形成循环回路VI,换热器II6-2的二次侧与用户端形成循环回路VII；所述的循环回路I、II、III、IV、V、VI、VII上均设有控制其开断的阀门。为用户供冷/供热的形式采用地板辐射的形式。

所述的地埋管换热器5串联第十一阀门V11、循环水泵4后，经过换热器III6-3的一次侧与地埋管换热器5、循环水泵4、第十二阀门V12形成循环回路I，且换热器III6-3的二次侧与用户侧的地板辐射管道3、循环水泵4、第十三阀门V13、第十四阀门V14形成循环回路II。

地埋管换热器5串联第九阀门V9、循环水泵4后，与地源热泵机组1连通的入口连通；地源热泵机组的出口的一部分热源通过管道串接第一阀门V1后与用户侧入口连通，且用户侧出口串接阀门V2后，回到地源热泵机组，形成了循环回路I；另一部分热源通过管路串联第三阀门V3，经过换热器II6-2的一次侧后，通过串接第四阀门V4返回到地埋管换热器5，形成循环回路II；换热器II6-2的二次侧与用户侧的第五阀门V5、循环水泵4、地板管道3串联形成循环回路V。

热电锅炉的输出端与换热器II6-2的一次侧形成循环回路VI，换热器II6-2的二次侧位于用户侧，且通过管路串联第七阀门V7、第八阀门V8后与用户侧的地板管道3形成循环回路VII。

换热器I6-1、换热器II6-2、换热器III6-3位于用户侧的二次侧。

高位水箱(或定压补水装置)I7-1用于地源侧定压补水；

高位水箱(或定压补水装置)II7-2用于锅炉系统定压补水；

高位水箱(或定压补水装置)III7-3用于用户侧定压补水；

循环回路I、II、III、IV、V、VI、VII均设有温度传感器和流量传感器，在系统中安装热电阻温度传感器和涡轮流量传感器，根据实测运行数据，进行系统优化及运行策略调整，实现动态控制，有助于地下岩土体长期动态冷热平衡。该系统可充分利用可再生能源和夜间谷电，能够稳定高效地用于建筑物冬季供暖和夏季部分负荷“免费供冷”，有效解决以供暖为主的北方住宅项目的地下岩土体全年冷热量不平衡问题。

系统监测平台建立

如附图1所示，系统安装了热电阻温度传感器和涡轮流量传感器，分别用于计量用户侧耗热量、地埋管换热器5换热量、电锅炉系统制热量等。收集监测系统数据，对实际运行数据进行分析，并判定系统冷热平衡情况。依托实际运行效果，进行系统优化，实现动态控制；具体的控制策略如下：

夏季供冷：

1.冷负荷需求大，启动热泵机组供冷。末端采用地暖管道辐射制冷，为避免供水温度太低造成地板结露，加入板式换热器6-1进行水温控制，将末端供水水温控制在16-18℃以上。此时，地埋管5、阀门V9、阀门V10、地埋侧循环泵4、热泵机组1的冷凝器构成冷源侧环路；热泵机组1的蒸发器、阀门V3、阀门V4、中间循环泵4、板式换热器6-1一次侧构成中间环路；板式换热器6-1二次侧、阀门V5、阀门V6、用户侧循环泵4、地暖管道3构成用户侧环路。

2.冷负荷需求量小或无冷负荷需求，直接将地埋管侧循环水通入末端地板辐射管道供冷，从而向地下释热，以补充部分热量，促进全年地下冷热平衡。板式换热器6-3的作用:一是控制水温，避免地板结露，起中间换热作用；二是防止用户侧管道系统与地埋管侧直接连通从而造成系统超压。此时，地埋管5、阀门V11、阀门V12、地埋侧循环泵4、板式换热器6-3的一次侧构成冷源侧环路；板式换热器6-3的二次侧、阀门V13、阀门V14、用户侧循环泵4、地暖管道3构成用户侧环路。

冬季供热：

1.白天用电高峰及平段，使用热泵机组供热，末端采用地板辐射采暖。考察建筑蓄热特性、逐时热负荷分布特征及室内热环境变化规律，并对地下岩土体进行长期动态冷热平衡模拟，从而确定地埋管的设计容量(通常考虑满足部分峰值热负荷即可)。此时，地埋管5、阀门V9、阀门V10、地埋侧循环泵4、热泵机组1的蒸发器构成热源侧环路；热泵机组1的冷凝器、阀门V1、阀门V2、用户侧循环泵4、地暖管道3构成用户侧环路。

2.夜间谷电时段，使用电热水锅炉供热，锅炉通常按热负荷的100％配置。一般需要设置板式换热器6-2，使锅炉保持常压状态。此时，电热水锅炉2、一次侧循环泵、换式换热器6-2的一次侧构成热源侧；换式换热器6-2的二次侧、阀门V7、阀门V8、用户侧循环泵4、地暖管道3构成用户侧环路。

3.某些特殊严寒天气，若白天非谷电时段的地源热泵系统满足不了全部热负荷需求时，牺牲部分经济性，将地源热泵系统与电锅炉系统并联使用，用于调峰。此时，地埋管5、阀门V9、阀门V10、地埋侧循环泵4、热泵机组1的蒸发器构成热源侧环路；电热水锅炉2、一次侧循环泵、换式换热器6-2的一次侧构成热源侧；热泵机组1的冷凝器、阀门V1、阀门V2、用户侧循环泵4、地暖管道3构成用户侧环路。换式换热器6-2的二次侧、阀门V7、阀门V8、用户侧循环泵4、地暖管道3构成用户侧环路。

具体的控制方法如下：

采暖季：用电高峰及平段，由地源热泵机组满足全部供暖热负荷，仅第一阀门V1、第二阀门V2、第九阀门V9、第十阀门V10开启；若某些特殊严寒时间，地源热泵机组不能够满足高峰及平时时段的热负荷时时，第一阀门V1、第二阀门V2、第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9、第十阀门V10开启，地源热泵和电热水锅炉系统同时运行；

晚上低谷时段，仅开启阀门第七阀门V7、第八阀门V8，由电锅炉满足全部供暖热负荷。

Claims (6)

1.一种利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于：包括地埋管换热器、地源热泵机组和电加热装置，所述的地埋管换热器与换热器III的一次侧形成循环回路I,换热器III的二次侧与用户端形成循环回路II；所述的地埋管换热器通过地源热泵机组直接与用户端形成循环回路III；所述的地埋管换热器通过地源热泵机组与换热器I的一次侧形成循环回路IV,换热器I的二次侧与用户端形成循环回路V；所述的电加热装置与换热器II的一次侧形成循环回路VI,换热器II的二次侧与用户端形成循环回路VII；所述的循环回路I、II、III、IV、V、VI、VII上均设有控制其开断的阀门；所述的用户端采用地板辐射的形式供冷、供热；所述的地埋管换热器串联第十一阀门、循环水泵后，经过换热器III的一次侧与地埋管换热器、循环水泵、第十二阀门形成循环回路I，且换热器III的二次侧与用户侧的地板管道、循环水泵、第十三阀门、第十四阀门形成循环回路II。

2.如权利要求1所述的利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于：所述的地埋管换热器串联第九阀门、循环水泵后，与地源热泵机组的入口连通；地源热泵机组的出口通过管道串接第一阀门后与用户侧入口连通，且用户侧出口串接第二阀门后，回到地源热泵机组，形成了循环回路III；且地源热泵机组的出口还通过管路串联第三阀门，经过换热器I的一次侧后，串接第四阀门返回到地埋管换热器，形成循环回路IV；换热器I的二次侧与用户侧的第五阀门、循环水泵、地板管道、第六阀门串联后形成循环回路V。

3.如权利要求1所述的利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于：所述的电加热装置的输出端与换热器II的一次侧形成循环回路VI，换热器II的二次侧位于用户侧，且通过管路串联第七阀门、第八阀门后与用户侧的地板管道形成循环回路VII。

4.如权利要求3所述的利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于：所述的循环回路I、II、III、IV、V、VI、VI均设有温度传感器和流量传感器。

5.如权利要求1所述的利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于：所述的换热器I、换热器II、换热器III位于用户侧的二次侧，其回到二次侧的连接管路与高位水箱III或定压补水装置连通，用于系统定压补水。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的利用谷电辅助供热/供冷的地埋管地源热泵系统的控制方法，其特征在于，如下：

采暖季：用电高峰及平段，由地源热泵机组满足全部供暖热负荷，仅第一阀门、第二阀门、第九阀门、第十阀门开启；若某些特殊严寒时间，地源热泵机组不能够满足高峰及平时时段的热负荷时时，第一阀门、第二阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门开启，地源热泵和电热水锅炉系统同时运行；

晚上低谷时段，仅开启阀门第七阀门、第八阀门，由电锅炉满足全部供暖热负荷；

供冷季：冷负荷需求量小或无冷负荷需求，地埋管侧水直接循环供冷，仅第十一阀门、第十二阀门、第十三阀门、第十四阀门开启；冷负荷需求大，使用地源热泵机组供冷，仅第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十阀门开启，启动地源热泵，进一步承担部分室内冷负荷，通过板式换热器控制水温，避免供水温度太低时室内地板结露。