CN112696748A - 地热通风与地源热泵耦合系统及其适用性判定和运行方法 - Google Patents

地热通风与地源热泵耦合系统及其适用性判定和运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了地热通风与地源热泵耦合系统,包括地热通风预处理系统和地源热泵系统;地热通风预处理系统包括送风装置、地热通风管道和出口装置,送风装置位于地表,地热通风管道埋设于地下,出口装置设置于建筑室内,送风装置通过地热通风管道与出口装置相连通;地源热泵系统包括地埋管换热器、热泵机组和室内地暖,地埋管换热器包括若干换热管且换热管均竖直埋设于地下,热泵机组位于地表,室内地暖设置于建筑室内,地埋管换热器通过循环管路与热泵机组相连通,热泵机组通过循环管路与室内地暖相连通。本发明依据“通风预处理+换热”的设计理念,将地热通风预处理系统和地源热泵系统结合,为利用浅层地热能给建筑通风换热提供了新思路。

Description

地热通风与地源热泵耦合系统及其适用性判定和运行方法
技术领域
本发明涉及土壤源热泵技术领域,尤其涉及地热通风与地源热泵耦合系统及其适用性判定和运行方法。
背景技术
浅层地热能的开发利用方式大体上分为三种:地源热泵系统、浅层地热通风预处理系统及地下储热系统。地源热泵系统具有高效率、无污染等特点,其中以垂直地埋管地源热泵系统应用最为普遍。垂直地埋管地源热泵系统是以岩土体为热源/冷汇,通过地下埋设的换热器与岩土体进行热量交换,利用热泵技术,输入少量高位电能将地下提取的大量热能运输到室内建筑进行供暖/制冷或输入家庭热水。浅层地热通风预处理系统以空气为传热介质,所需驱动力小,一般使用风机即可以满足,甚至于太阳能烟囱等自然动力系统结合,可以直接为建筑进行供暖、制冷或者通风换气,同时也可以对空调系统的新风进行预处理,减少系统能耗。
上述两种系统在使用过程中都存在一些不足。地源热泵系统长期的运行会造成地下热不平衡。在夏季地源热泵系统从地下岩土体吸取的热量和在冬季向地下岩土体释放的热量差异较大时,会使地下岩土体形成热积聚或冷积聚,导致岩土体升高或降低,从而影响地源热泵系统的供暖/制冷效果。其次,垂直埋管系统为室内建筑供暖/制冷,是一种“换热不换质”的方式。在冬季长时间运行下,室内封闭环境条件下,空气CO2含量增高,环境舒适度降低。最后,垂直地埋管地源热泵系统是在100-200m深的垂直钻孔内布置换热管与岩土体进行热交换,由于钻井成孔成本较高,所以导致地源热泵初始投资大。地热通风预处理系统因埋深较浅,受地表气温影响较大,在夏季高温情况下(冬季低温)只能负担一部分冷(热)负荷,换热性能远不如地源热泵系统。
目前,已有一些与土壤源热泵技术相关的发明专利,例如:“地源热泵水平与垂直复合式地埋管系统及适用性判定方法”,公开号:CN108151369A;“地下水源热泵空调系统”,公开号:CN103245022A;“一种具有热平衡系统的地源热泵系统”,公开号:CN205119566U;“一种小型地源热泵空调系统的热回收系统”,公开号:CN201615557U;“一种基于多点进风及利用地热能的置换式通风系统”,公开号:CN102759170A;“一种利用太阳能和地热能的被动式通风系统”,公开号:CN111609501A;“室内通风系统”,公开号:CN204787025U。
以上专利虽然基于系统能效及热泵机组设计优化等方面的考虑,进行了技术上的创新,但并没有能够很好地解决室内空气质量及节能的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状,提供一种地热通风与地源热泵耦合系统及其适用性判定和运行方法,本发明依据“通风预处理+换热”的设计理念,将地热通风预处理系统和地源热泵系统结合,为利用浅层地热能给建筑通风换热提供了新思路。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
地热通风与地源热泵耦合系统及其适用性判定和运行方法,其中,地热通风与地源热泵耦合系统包括并联的地热通风预处理系统和地源热泵系统;所述地热通风预处理系统包括送风装置、地热通风管道和出口装置,送风装置位于地表,地热通风管道埋设于地下,出口装置设置于建筑室内,送风装置通过地热通风管道与出口装置相连通,送风装置将建筑室外的新鲜空气送入地热通风管道换热后,经出口装置通入建筑室内,并使建筑室内的空气排出;所述地源热泵系统包括地埋管换热器、热泵机组和室内地暖,地埋管换热器包括若干换热管且换热管均竖直埋设于地下,热泵机组位于地表,室内地暖设置于建筑室内,室内地暖包括散热器和风扇,地埋管换热器通过循环管路与热泵机组相连通,热泵机组通过循环管路与散热器和风扇均相连通,在冬季,散热器用于将热泵机组提取的热量排散至建筑室内,在夏季,风扇用于将建筑室内的热量提取到热泵机组。
进一步的,所述热泵机组包括通过循环管路首尾依次相连通的冷凝器、储液罐、过滤器、膨胀阀、蒸发器、气液分离器、压缩机,压缩机与电能输入端相连;冷凝器将循环管路内的高压气体或蒸气转变成液体,从而释放大量热量;储液罐是将冷凝器液化的液体储存起来;过滤器是为了将循环液体中的杂质截留下来,净化循环液体;膨胀阀使高温高压的液体通过节流成为低压低温的湿蒸汽;;蒸发器是由低温的冷凝液体通过,与外界的空气进行热交换,气化吸热,达到制冷的效果;气液分离器使气液两相完全分离;压缩机将由气液分离器分离出来的低压气体提升为高压气体。
进一步的,膨胀阀上连接设有温度传感器,温度传感器用于监测循环液的温度。
进一步的,所述送风装置为中压风机,送风装置上方设有将其遮覆的防雨罩。
进一步的,所述地热通风管道的埋深为1-4m,管径为40-600mm。
进一步的,所述地埋管换热器的埋深为150-200m,埋设地埋管换热器的钻孔直径不小于0.11m且钻孔间距为4-7m。
进一步的,所述换热管采用U型管,其直径不大于50mm。
进一步的,地埋管换热器与热泵机组连通所用循环管路包括横向部分和纵向部分,其横向部分的埋深大于2m且位于地热通风管道之下。
其中,地热通风与地源热泵耦合系统的适用性判定方法包括如下步骤:
S1、根据建筑的室内面积确定地热通风预处理系统中地热通风管道的数量及排布方式;
S2、计算地热通风预处理系统所承担的建筑冷热负荷;
S3、根据建筑冷热总负荷与地热通风预处理系统所承担的建筑冷热负荷之差,确定地埋管换热器中换热管的数量;
S4、根据土壤热平衡判定该耦合系统的适用性:在整个系统中,当周围土壤温度的浮动不超过允许值时,判定适用该耦合系统;反之,判定不适用该耦合系统。
其中,地热通风与地源热泵耦合系统的运行方法包括如下步骤:
在夏季高温情况下,首先运行地热通风预处理系统对室内空气进行通风换气及预降温,当室内温度降至某一温度恒定时,启动地源热泵系统继续制冷工作,使室内温度达到舒适温度;
在冬季低温情况下,首先运行地热通风预处理系统对室内空气进行通风换气及预升温,当室内温度升至某一温度恒定时,启动地源热泵系统继续制热工作,使室内温度达到舒适温度。
本发明的有益效果为:
本发明依据“通风预处理+换热”的设计理念,将地热通风预处理系统和地源热泵系统结合,为利用浅层地热能给建筑通风换热提供了新思路,地热通风预处理系统不仅可以在冬夏两季实现通风换气的效果,而且在夏季制冷情况下可以负担一部分建筑排热量,在冬季供暖情况下可以承担一部分建筑取热量,从而一定程度上减少地源热泵系统中垂直埋管的数量,降低初始投资。
附图说明
附图1为本发明地热通风与地源热泵耦合系统的连接结构示意图;
附图2为本发明热泵机组中各个组件的连接结构示意图;
附图3为本发明建筑热负荷随时间变化的曲线图。
标注说明:1、送风装置,2、地热通风管道,3、出口装置,4、防雨罩,5、地埋管换热器,6、热泵机组,6-1、冷凝器,6-2、储液罐,6-3、过滤器,6-4、膨胀阀,6-5、蒸发器,6-6、气液分离器,6-7、压缩机,6-8、温度传感器,7、散热器,8、风扇。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1所示,地热通风与地源热泵耦合系统包括并联的地热通风预处理系统和地源热泵系统。地热通风预处理系统包括送风装置1、地热通风管道2和出口装置3。送风装置1位于地表,一般选用铜线中压风机,送风装置1上方设有将其遮覆的防雨罩4。地热通风管道2埋设于地下,其埋深为1-4m,地热通风管道2一般选用PE管材,其管径为40-600mm。出口装置3设置于建筑室内,送风装置1通过地热通风管道2与出口装置3相连通。
地热通风预处理系统工作时,送风装置1将建筑室外的新鲜空气送入地热通风管道2换热后,经出口装置3通入建筑室内,并使建筑室内的空气排出。具体的,地热通风预处理系统将室外新鲜空气(O2含量高)带入室内,将室内空气(CO2含量高)的排出,从而改善室内空气质量,同时,在夏季,外界空气进入地热通风管道2将与地下岩土体进行热量交换,空气温度降低后再进入建筑室内,承担一部分建筑热负荷;在冬季,反之亦然。
请参阅图1-2所示,地源热泵系统包括地埋管换热器5、热泵机组6和室内地暖。地埋管换热器5包括若干换热管且换热管均竖直埋设于地下,其埋深为150-200m,埋设地埋管换热器5的钻孔直径不小于0.11m且钻孔间距为4-7m,地下吸放热量不均衡时,应取最大值。竖直换热管采用U型管形式,载热流体的流量不宜过大,应而换热管得直径不大于50mm。
热泵机组6位于地表,热泵机组6包括通过循环管路首尾依次相连通的冷凝器6-1、储液罐6-2、过滤器6-3、膨胀阀6-4、蒸发器6-5、气液分离器6-6、压缩机6-7,压缩机6-7与电能输入端相连。冷凝器6-1将循环管路内的高压气体或蒸气转变成液体,从而释放大量热量;储液罐6-2是将冷凝器液化的液体储存起来;过滤器6-3是为了将循环液体中的杂质截留下来,净化循环液体;膨胀阀6-4使高温高压的液体通过节流成为低压低温的湿蒸汽;蒸发器6-5是由低温的冷凝液体通过,与外界的空气进行热交换,气化吸热,达到制冷的效果;气液分离器6-6使气液两相完全分离;压缩机6-7将由气液分离器分离出来的低压气体提升为高压气体。膨胀阀6-4上连接设有温度传感器6-8,温度传感器6-8用于监测循环液的温度。
室内地暖设置于建筑室内,室内地暖包括散热器7和风扇8,地埋管换热器5通过循环管路与热泵机组6相连通,热泵机组6通过循环管路与散热器7和风扇8均相连通。其中,地埋管换热器5与热泵机组6连通所用循环管路包括横向部分和纵向部分,其横向部分的埋深大于2m且位于地热通风管道2之下。在冬季,散热器7用于将热泵机组6提取的热量排散至建筑室内,在夏季,风扇8用于将建筑室内的热量提取到热泵机组6。
具体的,上述地热通风与地源热泵耦合系统的运行方法,包括如下步骤:
在夏季高温情况下,首先运行地热通风预处理系统对室内空气进行通风换气及预降温,当室内温度降至某一温度恒定时,启动地源热泵系统继续制冷工作,使室内温度达到舒适温度;
在冬季低温情况下,首先运行地热通风预处理系统对室内空气进行通风换气及预升温,当室内温度升至某一温度恒定时,启动地源热泵系统继续制热工作,使室内温度达到舒适温度。
请参阅图3所示,图中,QTotal=QEAHE+QGSHP,设计建筑时,需要通过模拟技术对地热通风与地源热泵耦合系统的适用性进行判定,具体方法包括如下步骤:
S1、根据建筑的室内面积确定地热通风预处理系统中地热通风管道2的数量及排布方式;
S2、计算地热通风预处理系统所承担的建筑冷热负荷;
S3、根据建筑冷热总负荷与地热通风预处理系统所承担的建筑冷热负荷之差,确定地埋管换热器5中换热管的数量;
S4、根据土壤热平衡判定该耦合系统的适用性:在整个系统中,当周围土壤温度的浮动不超过允许值时,判定适用该耦合系统;反之,判定不适用该耦合系统。
本发明依据“通风预处理+换热”的设计理念,将地热通风预处理系统和地源热泵系统结合,为利用浅层地热能给建筑通风换热提供了新思路,地热通风预处理系统不仅可以在冬夏两季实现通风换气的效果,而且在夏季制冷情况下可以负担一部分建筑排热量,在冬季供暖情况下可以承担一部分建筑取热量,从而一定程度上减少地源热泵系统中垂直埋管的数量,降低初始投资。
当然,以上仅为本发明较佳实施方式,并非以此限定本发明的使用范围,故,凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:包括并联的地热通风预处理系统和地源热泵系统;所述地热通风预处理系统包括送风装置、地热通风管道和出口装置,送风装置位于地表,地热通风管道埋设于地下,出口装置设置于建筑室内,送风装置通过地热通风管道与出口装置相连通,送风装置将建筑室外的新鲜空气送入地热通风管道换热后,经出口装置通入建筑室内,并使建筑室内的空气排出;所述地源热泵系统包括地埋管换热器、热泵机组和室内地暖,地埋管换热器包括若干换热管且换热管均竖直埋设于地下,热泵机组位于地表,室内地暖设置于建筑室内,室内地暖包括散热器和风扇,地埋管换热器通过循环管路与热泵机组相连通,热泵机组通过循环管路与散热器和风扇均相连通,在冬季,散热器用于将热泵机组提取的热量排散至建筑室内,在夏季,风扇用于将建筑室内的热量提取到热泵机组。
2.根据权利要求1所述的地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:所述热泵机组包括通过循环管路首尾依次相连通的冷凝器、储液罐、过滤器、膨胀阀、蒸发器、气液分离器、压缩机,压缩机与电能输入端相连;冷凝器将循环管路内的高压气体或蒸气转变成液体,从而释放大量热量;储液罐是将冷凝器液化的液体储存起来;过滤器是为了将循环液体中的杂质截留下来,净化循环液体;膨胀阀使高温高压的液体通过节流成为低压低温的湿蒸汽;;蒸发器是由低温的冷凝液体通过,与外界的空气进行热交换,气化吸热,达到制冷的效果;气液分离器使气液两相完全分离;压缩机将由气液分离器分离出来的低压气体提升为高压气体。
3.根据权利要求2所述的地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:膨胀阀上连接设有温度传感器,温度传感器用于监测循环液的温度。
4.根据权利要求1所述的地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:所述送风装置为中压风机,送风装置上方设有将其遮覆的防雨罩。
5.根据权利要求1所述的地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:所述地热通风管道的埋深为1-4m,管径为40-600mm。
6.根据权利要求1所述的地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:所述地埋管换热器的埋深为150-200m,埋设地埋管换热器的钻孔直径不小于0.11m且钻孔间距为4-7m。
7.根据权利要求1所述的地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:所述换热管采用U型管,其直径不大于50mm。
8.根据权利要求1所述的地热通风与地源热泵耦合系统,其特征在于:地埋管换热器与热泵机组连通所用循环管路包括横向部分和纵向部分,其横向部分的埋深大于2m且位于地热通风管道之下。
9.权利要求1-8任意一项所述的地热通风与地源热泵耦合系统的适用性判定方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1、根据建筑的室内面积确定地热通风预处理系统中地热通风管道的数量及排布方式;
S2、计算地热通风预处理系统所承担的建筑冷热负荷;
S3、根据建筑冷热总负荷与地热通风预处理系统所承担的建筑冷热负荷之差,确定地埋管换热器中换热管的数量;
S4、根据土壤热平衡判定该耦合系统的适用性:在整个系统中,当周围土壤温度的浮动不超过允许值时,判定适用该耦合系统;反之,判定不适用该耦合系统。
10.权利要求1-8任意一项所述的地热通风与地源热泵耦合系统的运行方法,其特征在于:包括如下步骤:
在夏季高温情况下,首先运行地热通风预处理系统对室内空气进行通风换气及预降温,当室内温度降至某一温度恒定时,启动地源热泵系统继续制冷工作,使室内温度达到舒适温度;
在冬季低温情况下,首先运行地热通风预处理系统对室内空气进行通风换气及预升温,当室内温度升至某一温度恒定时,启动地源热泵系统继续制热工作,使室内温度达到舒适温度。
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