CN106352603B - 地源换热器分区分级管理系统 - Google Patents

Abstract

地源换热器分区分级管理系统，其特征在于：该系统包括地源热泵主机(1)、地埋管(2)，首先将地埋管(2)划分为两个或多个地埋管区域、并对不同的地埋管区域设置不同的基准地温，从而实现对各个地埋管区域按照基准地温的高低分级管理。在夏季和冬季中，轮流使用不同的地埋管区域作为主力冷/热源，克服了地埋管区域基准温度难以大幅度变化的缺点，使得地埋管区域的功能转换更加容易。

Description

地源换热器分区分级管理系统

技术领域

本发明涉及一种对地源热泵的地源换热器进行分区分级，提高地源换热器的运行效率、解决由于负荷不均衡导致的热堆积或冷堆积，实现高效、低成本运行的制冷/制热的系统。属于能源优化利用、制冷/制热热泵或空调系统设计和制造的技术领域。

背景技术

建筑能耗是指建筑使用过程中的能耗，包括采暖、空调、照明、热水、家用电器和其他动力能耗。其中，以采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的50%至70%。

设计节能建筑的暖通空调系统，如何减少一次高品位能的利用是一个关键性技术问题。利用在土壤、太阳能、水、空气中的低品位热能无疑是一种成功的节能措施，热泵技术是目前实现这一目标的最佳选择。通过输入较少的高品位能源把低品位自然能源提升为适合建筑用能的高品位能源（如制冷、采暖、生活热水）。

根据热泵系统的热力循环方式，通常将热泵分为蒸汽压缩式热泵、气体压缩式热泵、蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵、热电式热泵。其中，蒸汽压缩式热泵是在目前研究和使用最为普遍的方式，按照其使用的低温热源的种类，基本都属于空气源热泵、地源热泵、水源热泵和太阳能热泵四种类型。

其中，地源热泵：利用地表浅层中蓄存的低品位热能（土壤、地层）作为热源，冬季热泵从浅层的土壤中取热，用于建筑供暖，同时蓄存冷量以备夏用；夏季热泵逆向运行，将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量以备冬用，因此这是一种典型的可以再生的能源。优点是技术成熟；热泵运行高效、稳定，对周围环境影响较小，维护费用低。缺点是：地下埋管内的载能流体与管外的土壤之间的换热系数小，能流密度低，因此系统将占据较大的地下和地上空间，初始投资较高。

空调和热泵一般采用能效比做为评判效率高低的依据，制热时采用的指标是循环性能系数COP(Coefficient of Performance)；制冷时采用的指标是能效比EER（EnergyEfficiency Ratio）。地源热泵的能效比受环境因素的影响较小，能效比数值在4至6之间。

根据参考文件1、2中所述，现有的地埋管地源热泵系统存在以下一些问题：

1、虽然地源中存储了巨大的冷/热量，但能流密度偏低，如果持续从地源侧提取冷/热量则会导致地源侧的换热量、换热效率都大幅度衰减，因此通常采用间歇式的运行模式、系统不能够持续高效率的运行，从而导致实际可利用的地源的储能密度偏低；

2、对于制冷工况而言，地源侧的平均温度越低效率越高；对于制热工况而言，地源侧的平均温度越高效率越高；然而地源侧的平均温度波动幅度是很有限的，因此制冷/制热两种工况之间的难以同时兼顾。

3、如参考文件2中所述，可以采取一些措施解决热失衡的问题，但现有解决热失衡的辅助手段，会导致系统的初投资和运行费用的增加。

综上所述，如果能够增强地源换热器的换热能力、并兼顾制冷/制热两种工况，有助于提升地源的储能密度、降低投资，并能提高地源热泵的运行效率、同时解决热失衡的问题。

参考资料：

1．跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性

作者：杨卫波、陈振乾、施明恒 东南大学学报(自然科学版)第40卷第5期 2010年9月

2．地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施 作者：徐成 区域供热2015.3期。

发明内容

为改善地源侧的稳定性，使地源热泵系统能够持续、稳定、高效的运行，本发明采用对地源热泵的地源换热器进行分区分级管理的技术方案，以提升地源侧的运行效率。具体方案是：

该系统包括地源热泵主机1、地埋管2，首先将地埋管2划分为两个或多个地埋管区域、并对不同的地埋管区域设置不同的基准地温，从而实现对各个地埋管区域按照基准地温的高低分级管理；

该系统至少包括以下一种或两种工作模式：

第一：交替模式，在不同的时间段将地源热泵主机1连接到不同的地埋管区域，交替使用不同的地埋管区域作为系统的低位冷/热源，为地源热泵主机1提供低位冷/热量，以不同基准地温的地埋管区域适配不同的系统负荷状态；

由于系统负荷是不断波动的，当负荷较低时，优先使用基准地温最高/低的地埋管区域（即制冷/制热能力最弱的区域）作为系统的低位冷/热源；当负荷逐渐升高时，再使用基准地温较高/低的地埋管区域作为系统的低位冷/热源、并依此类推，这样以不同基准地温的地埋管区域适配不同的系统负荷状态、物尽其用；并随着系统负荷的波动交替使用不同的地埋管区域、使得各区域的使用量基本均衡、保证地源侧维持高效率换热；

第二：串联模式：将地源热泵主机1同时连接到两个或多个地埋管区域、地埋管区域之间设置为串联回路、各地埋管区域以基准地温的高低为顺序串联，即同时使用两个或多个具有不同基准地温的地埋管区域共同作为系统的低位冷/热源、为地源热泵主机1提供低位冷/热量，通过多级串联换热增强地源侧的换热能力（串联模式中地源侧的阻力变大，必要时应在回路中增加中继水泵）；

该模式主要应用于系统高负荷状态时，通过串联模式增加换热量、并由不同基准地温的地埋管区域逐级均匀的分担地源侧的热交换、在高效率的前提下增加系统可利用的换热温差，通过均匀的使用各地埋管区域、保证系统处于高效率状态。

串联模式中制冷工况和制热工况在地源侧的工质循环过程是不同的：

对于制冷工况，工质先通过基准地温较高的地埋管区域换热降温、再按顺序依次通过基准地温较低的地埋管区域继续换热降温，最后再返回到地源热泵主机1；

对于制热工况，工质先通过基准地温较低的地埋管区域换热升温、再按顺序依次通过基准地温较高的地埋管区域继续换热升温，最后再返回到地源热泵主机1；

对于冬夏两用的系统，冬季运行时源侧以基准地温较高的地埋管区域为主、以基准地温较低的地埋管区域为辅；冬季运行结束后，各个地埋管区域的基准地温均匀的降低；到夏季运行时与冬季正好相反，源侧以基准地温较低的地埋管区域为主、以基准地温较高的地埋管区域为辅；夏季运行结束后，各个地埋管区域的基准地温均匀的上升；并依此循环。

本发明的有益效果是：

1．通过对地埋管区域进行分区分级管理、实现不同区域串联运行，以对应在实际运行过程中占比较小的高负荷工况，提高源侧的利用效率、降低初始投资；

2．在夏季和冬季中，轮流使用不同的地埋管区域作为主力冷/热源，合理利用冷堆积/热堆积的现象（即在制热季/制冷季中，有侧重的利用不同的地埋管区域进行冷堆积/热堆积、并为下一个制冷季/制热季所用），克服了地埋管区域基准温度难以大幅度变化的缺点，使得地埋管区域的功能转换更加容易。

附图说明

附图1：本发明的地源热泵系统制冷季低负荷运行模式图

附图2：本发明的地源热泵系统制冷季中等负荷运行模式图

附图3：本发明的地源热泵系统制冷季高负荷运行模式图

附图4：本发明的地源热泵系统制热季低负荷运行模式图

附图5：本发明的地源热泵系统制热季中等负荷运行模式图

附图6：本发明的地源热泵系统制热季高负荷运行模式图

附图7：本发明的地源热泵系统冷/热量补充模式运行图。

具体实施方式

以下，结合实施例及附图对本发明的方案进行进一步说明。

实施例1：

首先将地埋管区域分为地埋管A区和地埋管B区，地埋管A区的基准地温高于地埋管B区的基准地温，两区域基准地温的温差为3-6摄氏度。

如附图1-3所示，为本发明的一个典型制冷工况：

在制冷季之前，地埋管A区基准地温为18℃，地埋管B区基准地温为15℃。

在制冷季中，当系统负荷较低时（如制冷季的初期和末期），以制冷能力较弱的地埋管A区作为热泵主机1的冷源，地埋管进口温度为33℃、出口温度为30℃，进/出口温差为3摄氏度；（附图1）

当系统负荷逐渐升高时，以制冷能力较强的地埋管B区作为热泵主机1的冷源，地埋管进口温度为33℃、出口温度为29℃，进/出口温差为4摄氏度；（附图2）

当系统负荷达到峰值时（如制冷季中期的使用高峰时段），以地埋管A区和地埋管B区串联作为热泵主机1的冷源，地埋管A区进口温度为35℃、中间温度为32℃、地埋管B区出口温度为29℃，进/出口温差为6摄氏度，由于地埋管A区和地埋管B区的基准地温不同，因此在串联模式下两个地埋管区域均可以稳定的工作；（附图3）

在制冷季结束时，地埋管区域的基准地温均有所上升，地埋管A区基准地温为26℃，地埋管B区基准地温为22℃。

如附图4-6所示，为本发明的一个典型制热工况：

经过过渡季节自然恢复后，在制热季之前，地埋管A区基准地温恢复为23℃，地埋管B区基准地温恢复为20℃。

在制热季中，当系统负荷较低时（如制热季的初期和末期），以制热能力较弱的地埋管B区作为热泵主机1的冷源，地埋管进口温度为10℃、出口温度为13℃，进/出口温差为3摄氏度；（附图4）

当系统负荷逐渐升高时，以制热能力较强的地埋管A区作为热泵主机1的热源，地埋管进口温度为10℃、出口温度为14℃，进/出口温差为4摄氏度；（附图5）

当系统负荷达到峰值时（如制热季中期的使用高峰时段），以地埋管B区和地埋管A区串联作为热泵主机1的热源，地埋管B区进口温度为8℃、中间温度为11℃、地埋管A区出口温度为14℃，进/出口温差为6摄氏度，由于地埋管A区和地埋管B区的基准地温不同，因此在串联模式下两个地埋管区域均可以稳定的工作；（附图6）

在制热季结束时，地埋管区域的基准地温均有所下降，地埋管A区基准地温为16℃，地埋管B区基准地温为12℃。

经过过渡季节自然恢复后，在制冷季之前，地埋管A区基准地温恢复为18℃，地埋管B区基准地温恢复为15℃、并依此过程循环运行。

上述调节过程的切换，可通过管路和换向阀/调节阀来实现，在此不做详细描述。

实际应用过程中，也可以设置将地埋管系统划分为两个以上的地埋管区域，运行模式不变，只需要保持各个地埋管区域的基准地温呈现高低梯级分布即可。

实施例2：

为维持各个地埋管区域的基准地温按高低梯级分布、并适当提升地埋管区域蓄能能力，具体可以采用以下的技术方案。

在系统投入使用的初期，各地埋管区域的基准地温基本相同，为达到对各个地埋管区域按照基准地温的高低分级管理的目标，可以采取以下措施：

其一：通过调整各地埋管区域的使用时间比例，在制冷/制热季中，增加部分地埋管区域的使用时间比例，从而在该部分地埋管区域中形成热堆积/冷堆积，使得该部分地埋管区域的基准地温逐渐升高/降低，最终使得各地埋管区域的基准地温呈现高低梯级分布；

其二：在过渡季节中人为的向部分地埋管区域中补充冷/热量，从而在该部分地埋管区域中形成冷堆积/热堆积，使得各地埋管区域的基准地温呈现高低梯级分布。

如附图7所示，为提高地埋管区域的蓄能能力，利用太阳能、空气能、余热、废热等能源，通过换热装置/热泵3为各地埋管区域补充冷/热量，补充过程中应维持各地埋管区域的基准地温的温差基本恒定。该过程主要在过渡季节中运行、也可在系统工作的间歇期运行，增强了系统的灵活性，具体做法包括：

其一：利用太阳能光热转换装置吸收热量，再通过工质将热量循环输送到地埋管中，为地埋管区域补充热量；

其二：利用气-水直接换热装置或空气源热泵吸收空气中的冷/热量，再通过工质将冷/热量循环输送到地埋管中，为地埋管区域补充冷/热量；

其三：利用各种余热、废热资源，通过换热装置或热泵吸收热量，再通过工质将热量循环输送到地埋管中，为地埋管区域补充热量。

通过在过渡季节补充冷/热量的做法，可以增强地埋管区域蓄冷/蓄热量，再结合对地埋管区域分区分级利用的方案，可以在制冷/制热季中将地埋管区域蓄存的冷/热量稳定、高效的提取出来，形成一个完整的地源热泵系统跨季节循环使用流程。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.地源换热器分区分级管理系统，其特征在于：该系统包括地源热泵主机(1)、地埋管(2)，首先将地埋管(2)划分为两个或多个地埋管区域、并对不同的地埋管区域设置不同的基准地温，从而实现对各个地埋管区域按照基准地温的高低分级管理；

在系统投入使用的初期，各地埋管区域的基准地温基本相同；在系统工作过程中，通过调整各地埋管区域的使用时间比例，使得各地埋管区域的基准地温呈现高低梯级分布；或在过渡季节中、或系统工作的间歇期人为的向部分地埋管区域中补充冷/热量，使得各地埋管区域的基准地温呈现高低梯级分布；

该系统的工作模式至少包括串联模式：

将地源热泵主机(1)同时连接到两个或多个地埋管区域、地埋管区域之间设置为串联回路、各地埋管区域以基准地温的高低为顺序串联，即同时使用两个或多个具有不同基准地温的地埋管区域共同作为系统的低位冷/热源，通过多级串联换热增强地源侧的换热能力；

串联模式中制冷工况和制热工况在地源侧的工质循环过程是不同的：

对于制冷工况，工质先通过基准地温较高的地埋管区域换热降温、再按顺序依次通过基准地温较低的地埋管区域继续换热降温，最后再返回到地源热泵主机(1)；

对于制热工况，工质先通过基准地温较低的地埋管区域换热升温、再按顺序依次通过基准地温较高的地埋管区域继续换热升温，最后再返回到地源热泵主机(1)。

2.根据权利要求1所述的地源换热器分区分级管理系统，其特征在于：利用太阳能、空气能、余热、废热的能源，通过换热装置/热泵(3)为各地埋管区域补充冷/热量，补充过程中应维持各地埋管区域的基准地温的温差基本恒定。

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