CN106839199B - 一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统 - Google Patents

一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于地源热泵应用领域，特别涉及一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统。包括地源热泵地埋管换热系统，换热装置，室外环境监测和控制系统；所述控制系统包括PLC、中文触摸显示屏及外部设备；所述外部设备包括所述换热设备水温度传感器及地埋管换热系统回水温度传感器、室外环境温度传感器、湿度传感器、热计量设备、电动执行机构。本发明根据地埋管换热系统使用中形成的热不平衡问题通过本方法直接、有效的解决地源热泵地埋管换热系统本身的热平衡问题。本发明构思新颖，使用简单高效，值得推广。

Description

一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统
（一）技术领域
本发明属于地源热泵应用领域，特别涉及一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统。
（二）背景技术
地源热泵系统属于可再生能源利用技术，主要利用储存于地表浅层的低品质热能，消耗部分高品质电能利用热泵技术为用户提供冷热源的应用系统，具有高效节能、低运行成本和良好的社会环保效益等优点。地源热泵应用基本不受地质、地理条件及政策限制，具有良好的应用前景，近年来在我国发展迅速，应用范围非常广泛，不论建筑类还是工农业生产等都有广泛应用。
可是在实际应用中由于用户的应用模式、需求不同给地埋管换热系统造成了地下土壤温度的冷热不均衡，对系统的长期运行安全和效果带来巨大隐患，且使用时间越长越明显：单热型应用时，地埋管换热系统从土壤中累积提取的热量大于大地自身恢复的热量，地温越来越低易形成“冷岛效应”造成地埋管换热系统供水温度越来越低；单冷型应用时，地埋管换热系统向土壤中排放的热量大于大地自身散发的热量，地温越来越高易形成“热岛效应”造成地埋管换热系统供水温度越来越高；冷热型应用时，地源热泵从土壤中提取的热量和向土壤中排放的热量不平衡，当从土壤中提取的热量大于向土壤中排放的热量时，易形成“冷岛效应”，反之则易形成“热岛效应”。这成为地源热泵应用的安全瓶颈，已引起理论与应用各界对地源热泵系统长期运行安全的担心和广泛关注。
目前，国内解决地源热泵系统热平衡问题的主要方法有三：太阳能-地埋管地源热泵，因地埋管换热系统形成冷岛后系统制热能力不足而采用太阳能做热补充；地源热泵间歇式运行，为提高地埋管换热系统的土壤温度恢复能力而采取的应用方式，对连续运行使用的用户有很大的制约；冷却塔-地埋管地源热泵，因地埋管换热系统形成热岛降低了制冷能力，采用冷却塔作为制冷的应用补充，增加了运行成本。以上方法都仅仅是对地埋管换热系统应用的补充，并没有从根本上解决地埋管换热系统本身的热平衡问题。我们发明的地埋管换热系统热平衡的方法则是彻底解决地埋管换热系统本身因使用而存在的热平衡问题，为地源热泵的长期稳定运行提供技术和安全保障。
（三）发明内容
本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统，其特征在于：包括地源热泵地埋管换热系统，换热装置，室外环境监测和控制系统；所述控制系统包括PLC、中文触摸显示屏及外部设备；所述外部设备包括所述换热设备水温度传感器及地埋管换热系统回水温度传感器、室外环境温度传感器、湿度传感器、热计量设备、电动执行机构。
所述室外环境监测包括室外温度传感器C6，室外湿度传感器RH2。
进一步，所述地源热泵地埋管换热系统包括若干地埋管，所述地埋管出水端与地源侧集水器相连，地埋管近水端与地源侧分水器相连；所述地源侧集水器通过管道与换热装置进水端连接，换热装置出水端与地源侧分水器通过管道相连。
进一步，所述地源侧集水器与换热装置之间的管道上分别安装有循环泵，温度传感器C1，计量设备RL1，电磁阀DF2；所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上分别安装有闸阀ZF1，温度传感器C2。
进一步，所述地源侧集水器与换热装置之间的管道上分别安装有循环泵，温度传感器C1，计量设备RL1，电磁阀DF2；所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上分别安装有闸阀ZF1，温度传感器C2，电磁阀DF3，计量设备RL2，温度传感器C3；所述换热装置两端设有并联管道，该并联管道入水口设在计量设备RL1与电磁阀DF2之间，出水口设在闸阀ZF1与温度传感器C2之间；所述并联管道上安装有电磁阀DF1。
进一步，所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上串联有室内系统，该室内系统与电磁阀DF3并联；所述室内系统包括室内分水器，室内盘管，室内集水器；所述室内分水器进水端设有电磁阀DF4，该电磁阀DF4连接到换热装置出水端管道中；所述室内集水器出水端设有电磁阀DF5，该电磁阀DF5连接到地源侧分水器进水端管道中；所述室内系统设有室内盘管温度传感器C4，室内温度传感器C5，室内湿度传感器RH1。
解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统的控制方法，包括（1）采集温度：温度传感器C1采集的温度T1和温度传感器C2采集的温度T2分别为换热装置前后两端的水温，PLC存储温度数据并得到其温差△T，室外温度传感器C6测定室外温度T6，并存储在PLC中；（2）当T6与T1差值达到PLC中的设定值时，PLC控制循环泵启动， PLC通过控制电磁阀DF2进而控制系统内水流量大小，并根据温差△T经计算PLC得到向土壤中回存的热量值；（3）通过PLC对比从土壤中提取的热量值与向土壤中回存的热量值，PLC调节水量调节向土壤中回存的热量值，直至从土壤中提取的热量值与向土壤中回存的热量值相当。
当使用室内系统时，解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统的控制方法，（1）采集温度数据：温度传感器C1、温度传感 器C2、温度传感器C3、温度传感器C4、温度传感器C5、温度传感器C6分别测定换热装置进水温度T1、换热装置出水温度T2、地源热泵侧回水T3、室内盘管温度T4、室内环境温度T5、室外环境温度T6，并将采集的数据存储在PLC中；（2）参数逻辑关系：经PLC计算得换热设备进出水温差△T1=T2-T1，结露温差△T2=T5-T2，用户侧进出水温差△T3=T3-T2，结露设定变量修正值△T4=T4-T2并形成历史曲线；PLC设定变量值分别为B1、B2、B3、B4，B1为室内盘管温度与室内温度最大差值，B2为室内盘管温度与室内温度理想差值，B3为供水温度理想状态下限值，B4为供水温度理想状态上限值；（3）控制逻辑关系1：当系统运行时长72h>t≥48h,且△T2≤B1+△T4时，电磁阀DF2、电磁阀DF4、电磁阀DF5开启，电磁阀DF1关闭，此时PLC判断室内湿度RH1与设定湿度值RH0；当RH1<RH0时，换热装置与室内系统同时运行；当RH1≥RH0时，自动调整室内末端系统的水量直至满足RH1< RH0条件；（4）控制逻辑关系2：当系统运行时长t≥72h,当△T2≤B1+△T4时，电磁阀DF2、电磁阀DF4、电磁阀DF5开启，电磁阀DF1关闭，此时PLC判断RH1与设定湿度值RH0；当RH1< RH0时，换热装置与室内系统同时运行；当RH1≥RH0时，自动调整室内末端系统的水量直至满足RH1< RH0条件。
本发明的有益效果是：本发明根据地埋管换热系统使用中形成的热不平衡问题通过本方法直接、有效的解决地源热泵地埋管换热系统本身的热平衡问题。本发明构思新颖，使用简单高效，值得推广。
（四）附图说明
附图1为本发明结构示意图；
附图2为本发明换热设备的结构示意图。
图中，1、地源热泵地埋管换热系统，2、换热装置，3、室外环境监测，4、控制系统，5室内系统。
（五）具体实施方式
实施例1：
如附图1所示，1、地源热泵地埋管换热系统，2、换热装置，3、室外环境监测，4、控制系统，5、室内系统，A表示地源侧集水器，B表示地源侧分水器，C表示室内分水器，D室内集水器，ZF表示闸阀，DF表示电动阀，RL为冷热量表，C为温度传感器；具体包括地源热泵地埋管换热系统1，换热装置2，室外环境监测3和控制系统4；所述控制系统4包括PLC、中文触摸显示屏及外部设备；所述外部设备包括所述换热设备水温度传感器及地埋管换热系统回水温度传感器、室外环境温度传感器、湿度传感器、热计量设备、电动执行机构；室外环境监测3包括室外温度传感器C6，室外湿度传感器RH2；地源热泵地埋管换热系统1包括若干地埋管，所述地埋管出水端与地源侧集水器相连，地埋管进水端与地源侧分水器相连；所述地源侧集水器通过管道与换热装置进水端连接，换热装置出水端与地源侧分水器通过管道相连。地源侧集水器与换热装置之间的管道上分别安装有循环泵，温度传感器C1，计量设备RL1，电磁阀DF2；所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上分别安装有闸阀ZF1，温度传感器C2。
实施例2：
地源热泵地埋管换热系统1，换热装置2，室外环境监测3和控制系统4；所述控制系统4包括PLC、中文触摸显示屏及外部设备；所述外部设备包括所述换热设备水温度传感器及地埋管换热系统回水温度传感器、室外环境温度传感器、湿度传感器、热计量设备、电动执行机构。室外环境监测3包括室外温度传感器C6，室外湿度传感器RH2。
地源热泵地埋管换热系统1包括若干地埋管，所述地埋管出水端与地源侧集水器相连，地埋管近水端与地源侧分水器相连；所述地源侧集水器通过管道与换热装置进水端连接，换热装置出水端与地源侧分水器通过管道相连。
地源侧集水器与换热装置之间的管道上分别安装有循环泵，温度传感器C1，计量设备RL1，电磁阀DF2；所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上分别安装有闸阀ZF1，温度传感器C2，电磁阀DF3，计量设备RL2，温度传感器C3；所述换热装置两端设有并联管道，该并联管道入水口设在计量设备RL1与电磁阀DF2之间，出水口设在闸阀ZF1与温度传感器C2之间；所述并联管道上安装有电磁阀DF1。
所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上串联有室内系统5，该室内系统5与电磁阀DF3并联；所述室内系统5包括室内分水器，室内盘管，室内集水器；所述室内分水器进水端设有电磁阀DF4，该电磁阀DF4连接到换热装置出水端管道中；所述室内集水器出水端设有电磁阀DF5，该电磁阀DF5连接到地源侧分水器进水端管道中；所述室内系统设有室内盘管温度传感器C4，室内温度传感器C5，室内湿度传感器RH1。
实施例3：
冬季时，地源热泵向室内输送热量，久而久之，地下出现局部性的热量减少，即冷岛效应，造成地埋管换热系统供水温度越来越低；当夏季到来时，本系统通过地源热泵地埋管换热系统1将水抽出后通过换热装置进行换热，并通过换热器前后水温温度差，计量设备RL1将数据传送至PLC，计算得到输入的热量，当从土壤中提取的热量值＞通过本系统向土壤中回存的热量值时，通过所述控制系统4对所述外部设备采集的温度数据进行分析，达到设定条件系统自动开机调节，利用所述换热设备实现地埋管换热系统从空气中提取热量；当从土壤中提取的热量值=通过本系统向土壤中回存的热量值时，关闭所有相关设备。
实施例4：
夏季时，地源热泵向室内输送冷量，久而久之，地下出现局部性的热量增多，即热岛效应，造成地埋管换热系统供水温度越来越高，造成夏季室内制冷效果不佳，节能效果变差；当冬季到来时，本系统通过地源热泵地埋管换热系统1将水抽出后通过换热装置进行换热，并通过换热器前后水温温度差，计量设备RL1将数据传送至PLC，计算得到输出的冷量，当从土壤中存储的冷量值＞通过本系统向土壤中提取的冷量值时，通过所述控制系统4对所述外部设备采集的温度数据进行分析，达到设定条件系统自动开机调节，利用所述换热设备实现地埋管换热系统向空气中放出热量；当从土壤中提取的冷量值=通过本系统向土壤中回存的冷量值时，关闭所有相关设备。
实施例5
当出现冷岛效应时，使用室内系统5，通过室内盘管带走室内的热量，缓解冷岛效应，此时由于流经室内盘管的水温较低，当室内湿度较大时，容易在室内盘管的外设面板上出现凝露，如将室内盘管设在地板下面，则地板表面容易形成凝露，因此为了防止形成凝露并且解决冷岛的问题，需要本系统进行调节；
（1）采集温度数据：温度传感器C1、温度传感器C2、温度传感器C3、温度传感器C4、温度传感器C5、温度传感器C6分别测定换热装置进水温度T1、换热装置出水温度T2、地源热泵侧回水T3、室内盘管温度T4、室内环境温度T5、室外环境温度T6，并将采集的数据存储在PLC中；（2）参数逻辑关系：经PLC计算得换热设备进出水温差△T1=T2-T1，结露温差△T2=T5-T2，用户侧进出水温差△T3=T3-T2，结露设定变量修正值△T4=T4-T2并形成历史曲线；PLC设定变量值分别为B1、B2、B3、B4，B1为室内盘管温度与室内温度最大差值，B2为室内盘管温度与室内温度理想差值，B3为供水温度理想状态下限值，B4为供水温度理想状态上限值；（3）控制逻辑关系1：当系统运行时长较短时，如72h>t≥48h,且△T2≤B1+△T4时，电磁阀DF2、电磁阀DF4、电磁阀DF5开启，电磁阀DF1关闭，此时PLC判断RH1与设定湿度值RH0；当RH1< RH0时，换热装置与室内系统5同时运行；当RH1≥RH0时，自动调整室内末端系统的水量直至满足RH1< RH0条件；（4）控制逻辑关系2：当系统运行时长较长时，如t≥72h,当△T2≤B1+△T4时，电磁阀DF2、电磁阀DF4、电磁阀DF5开启，电磁阀DF1关闭，此时PLC判断RH1与设定湿度值RH0；当RH1< RH0时，换热装置与室内系统5同时运行；当RH1≥RH0时，自动调整室内末端系统的水量直至满足RH1< RH0条件。

Claims (6)

1.一种解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统，其特征在于：包括地源热泵地埋管换热系统，换热装置，室外环境监测和控制系统；所述控制系统包括PLC、中文触摸显示屏及外部设备；所述外部设备包括所述换热设备水温度传感器及地埋管换热系统回水温度传感器、室外环境温度传感器、湿度传感器、热计量设备、电动执行机构；
所述地源热泵地埋管换热系统包括若干地埋管，所述地埋管出水端与地源侧集水器相连，地埋管进水端与地源侧分水器相连；所述地源侧集水器通过管道与换热装置进水端连接，换热装置出水端与地源侧分水器通过管道相连；
所述地源侧集水器与换热装置之间的管道上分别安装有温度传感器C1，计量设备RL1、电磁阀DF2；
所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上分别安装有闸阀ZF1、温度传感器C2，电磁阀DF3，温度传感器C3；
所述换热装置两端设有并联管道，该并联管道入水口设在计量设备RL1与电磁阀DF2之间，出水口设在闸阀ZF1与温度传感器C2之间；所述并联管道上安装有电磁阀DF1；
所述电磁阀DF3两端并联有室内系统；
所述室内系统包括室内分水器、室内集水器和室内盘管，所述述室内分水器进水端设有电磁阀DF4，所述室内集水器出水端设有电磁阀DF5；
所述室内系统设有室内盘管温度传感器C4、室内温度传感器C5、室内湿度传感器RH1；所述室外环境监测包括室外温度传感器C6；
上述解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统的控制方法，包括：
（1）采集温度数据：温度传感器C1、温度传感器C2、温度传感器C3、温度传感器C4、温度传感器C5、室外温度传感器C6分别测定换热装置进水温度T1、换热装置出水温度T2、地源热泵侧回水T3、室内盘管温度T4、室内环境温度T5、室外环境温度T6，并将采集的数据存储在PLC中；
（2）参数逻辑关系：经PLC计算得换热设备进出水温差△T1=T2-T1，结露温差△T2=T5-T2，用户侧进出水温差△T3=T3-T2，结露设定变量修正值△T4=T4-T2并形成历史曲线；PLC设定变量值分别为B1、B2、B3、B4，B1为室内盘管温度与室内温度最大差值，B2为室内盘管温度与室内温度理想差值，B3为供水温度理想状态下限值，B4为供水温度理想状态上限值；
（3）控制逻辑关系：当系统△T2≤B1+△T4时，电磁阀DF2、电磁阀DF4、电磁阀DF5开启，电磁阀DF1、电磁阀DF3关闭，此时PLC判断RH1与设定湿度值RH0：当RH1< RH0时，换热装置与室内系统同时运行；当RH1≥RH0时，自动调整室内末端系统的水量直至满足RH1< RH0条件。
2.根据权利要求1所述的解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统，其特征在于：所述室外环境监测还包括室外湿度传感器RH2。
3.根据权利要求1所述的解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统，其特征在于：所述地源侧集水器与换热装置之间的管道上还安装有循环泵。
4.根据权利要求1所述的解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统，其特征在于：所述换热装置出水端与地源侧分水器之间的管道上还安装有，计量设备RL2。
5.根据权利要求4所述的解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统，其特征在于；所述电磁阀DF4连接到换热装置出水端管道中；所述电磁阀DF5连接到地源侧分水器进水端管道中。
6.根据权利要求1所述的解决地源热泵地埋管换热系统热不平衡的换热系统，其特征在于：所述换热设备由设备外壳、排风机和换热器组成，所述设备外壳起支撑保护所述排风机、所述换热器等作用；所述排风机在所述换热器之上，用于加快空气循环，提高所述换热器换热效率；所述换热器由铜管和铝翅片组成。
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