CN1982810A - 平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统 - Google Patents

Abstract

平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，包括地下埋管换热器系统、能量提升供给系统，其特征在于：还包括反季节平衡蓄能系统；地下埋管换热器系统包括：竖埋管换热器(1)、能量提升供给系统集水器(7)和能量提升供给系统分水器(8)、反季节平衡蓄能系统集水器(2)和反季节平衡蓄能系统分水器(3)；能量提升供给系统包括：热泵机组(10)、地源水水泵(9)、能量提升供给系统水泵(11)、能量提升供给系统末端(20)；反季节平衡蓄能系统包括：地上季节性热量采集器(4)、地上季节性冷量采集器(5)、蓄能水泵(6)。通过反季节平衡蓄能系统将地上冷量和热量(包括太阳能、建筑物、大气及地表层等所含冷热量)采集后送入地下蓄存异季节利用。本系统利用反季节平衡蓄能系统克服了冬夏两季的负荷不平衡，实现冬夏季完全使用地下冷热源满足冷热负荷的要求；并且解决了地埋供回水支管间的热短路问题，是充分利用地下蓄存冷热量的完善的地源热泵系统。

Description

平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统

技术领域

本发明为平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，属于能源领域和空调技术领域。

背景技术

地下埋管换热的地源热泵系统(以下称土壤源热泵)，被称为21世纪的一项以节能和环保为特征的最具有发展前途的空调技术。地热换热器有水平和竖直两种布置方式，由于竖直埋管地热换热器具有占地少、工作性能稳定等优点，因此受到广泛关注。按埋管形式的不同，一般有单U形管、双U形管、套管式等形式；按埋设深度不同分为浅埋(埋深≤30m)、中埋(埋深31～80m)和深埋(埋深≥80m)。目前使用最多的是U形管、多U形管。现在工程上常见的地热换热器的钻孔直径为100～200mm，钻孔深度40～200m。

土壤源热泵虽然是极有发展前途的空调方式，而且在工程中越来越多地使用，但作为一项新技术，还不够成熟，还存在很突出的问题：

1、地下土壤的热平衡问题

土壤源热泵空调系统，当冬夏两季空调负荷不平衡时，长期运行地下温度场得不到恢复，不能保证地热源工况。北方地区建筑物的冬季供暖季总热负荷远大于夏季空调季总冷负荷，长期运行会使使用的土壤温度场温度下降，使土壤源热泵系统供热能力和能效下降；对于南方地区，由于夏季空调冷负荷大于冬季供暖负荷，可能造成地下土壤的温度越来越高，造成机组的冷凝温度提高，致使制冷量减少，耗功率上升。一般情况下，土壤温度降低1℃，会使制取同样热量的能耗增加3～4％。给系统的可靠性、稳定性带来问题，给用户带来麻烦。被视为土壤源热泵应用的一大局限，认为因其自身特点而有其适用的最佳地域范围，即夏热冬冷且冬夏冷热负荷相当的地区。

对于冬夏冷热负荷不相当的地区，目前的工程解决办法是加辅助热源补偿地下冷热源差值，即混合源系统。对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方寒冷地区，最常用的方法是采用带有太阳能集热器辅助加热的太阳能——地源热泵系统。冬季采暖时，以太阳能及土壤中夏季蓄存的部分热量作为低位热源直接或间接通过热泵提升后供给采暖用户，夏季与过渡季节，太阳能集热器主要用于提供生活用热水。对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区，最常用的方法是采用带有冷却塔的辅助散热系统。这些模式下的空调系统不是纯粹的土壤源热泵，是半地源热泵半太阳能采暖，土壤源热泵的节能环保优势未能充分发挥。

2、地下竖埋管换热器的热短路问题

目前使用的这几种形式的换热器，供水管和回水管之间都存在热短路(或叫热回流)。由于地下钻孔的直径与造价有关，孔径一般都较小(100～200mm)，所以竖直U型管支管间存在热短路(或叫热回流)，根据国外有关研究资料，热短路热量占到U型管总换热量的20％左右，而且随埋深增加而增加；根据理论计算的结果DN25的管道5度温差下热短路造成的热量损失约在10～20W/米。这是一个相当大的比例，它对换热率效、供回水温差及地埋换热器的发展等问题起着严重的障碍作用。特别是对深埋管换热器的发展影响更大。虽然它并没有影响土壤源热泵的工程应用，但它的解决无疑会大大提高地埋管换热器的效率和能力，减少地埋管换热器的使用量，减小初投资，对其推广应用有大的推动作用，促进土壤源热泵技术的成熟。目前工程应用中排除热短路的办法是在U型管间加分管器，使两管尽可能分开，钻孔直径有限分开距离也受限，这种办法的作用是有限的；重庆大学发明了一项保温套管式换热器，在内管与外管之间充填5～50mm厚保温材料，一方面保温层厚度太大，也只适用于浅埋的套管式换热器，在U管上根本无法使用；另一方面保温层在管道无接头的情况下制作的现实性也成问题，而且保温太厚还有保护承压问题。其适用性不强。解决本问题的关键在于采用高效的绝热技术，尽可能少占用钻孔内非常有限的空间。

发明内容

本发明的目的主要在于解决当前的地埋管地源热泵在冬夏季总的冷热负荷相差较大的地区，为了避免长期运行地下温度场得不到恢复、不能保证地热源工况，所以只能按较小的季节负荷部分地使用地源热泵，负荷较大的季节要辅助能源来补偿。本发明提出了一种平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，此系统在总负荷较小季节或过渡季节利用独立的平衡蓄能系统运行向地下蓄能，来平衡负荷较大季节的季节负荷差，实现冬夏季都完全使用地下冷热源满足冷热负荷的要求，而不需要其它冷热源同时辅助运行；还实现了主动调节地下温度工况的作用，能够提高竖埋管换热器的取热能力，提高热泵能效，减小初投资，在北方地区尤显重要；同时本系统还具有克服热短路的地埋管换热器，提高换热管与土壤间的传热能力和效率，促进地源热泵技术的成熟。

平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，由克服了热短路的地下埋管换热器系统、能量提升供给系统(空调、热水系统等)、反季节平衡蓄能系统三部分组成。其中克服了热短路的地下埋管换热器系统包括：回水管部分管段绝热处理的竖埋管换热器1、供能量提升供给系统用的地源水集水器7和分水器8、能量提升供给系统集水器切换阀门12、能量提升供给系统分水器切换阀门13、供反季节平衡蓄能系统用的地源水集水器2和分水器3、蓄能集水器切换阀门14、蓄能分水器切换阀门15；能量提升供给系统系统包括：热泵机组10、地源水水泵9、能量提升供给系统水泵11、能量提升供给系统末端20；反季节平衡蓄能系统包括：地上季节性热量采集器4、地上季节性冷量采集器5、蓄能水泵6，其中地上季节性热量采集器4和地上季节性冷量采集器5在一个系统中可以只有一者，也可两者都有。

地上季节性热量采集器4和地上季节性冷量采集器5是将地上冷量和热量(包括太阳能、建筑物、大气及地表层等所含冷热量)采集后送入地下蓄存利用的装置。

能量提升供给系统通过能量提升供给系统地源水集水器7和分水器8与地下埋管换热器1连接，反季节平衡蓄能系统通过反季节平衡蓄能系统地源水集水器2和分水器3与地下埋管换热器1连接，通过切换阀门的开关，使能量提升供给系统和反季节平衡蓄能系统可以分别与一部分地埋管连通，形成两个独立的循环水系统。在总负荷较小的季节，通过能量提升供给系统集水器切换阀门12和分水器切换阀门13部分打开与相应部分地埋管连通，使该部分地埋管用来满足较小季节的负荷；而地埋管的另一部分通过打开相对应的蓄能集水器切换阀门14和蓄能分水器切换阀门15与反季节平衡蓄能系统连通，可以进行季节性蓄能。在总负荷较大的季节，通过能量提升供给系统集水器切换阀门12和分水器切换阀门13全部打开与全部地埋管连通，使全部地埋管用来满足较大季节的负荷；而全部关闭与地埋管连接的蓄能集水器切换阀门14和蓄能分水器切换阀门15，停止蓄能系统运行；如果条件允许的情况下也可以在负荷较大的季节同时运行能量提升供给系统和反季节平衡蓄能系统。过渡季节如果是采用太阳能等形式，也可以运行反季节平衡蓄能系统向地下蓄热。本系统克服了冬夏两季的负荷不平衡问题，是充分利用地下蓄存冷热量的完整的地源热泵系统。

本发明还包括其中的克服热短路的地埋管换热器，是采用在地埋管回水管的部分管段采用绝热作法达到使地埋管供回支管间工程应用可以接受的绝热程度。包括地埋管换热器1、外套管18、两端的堵头16、中间为2～9mm厚的空气层19、内管外表面作防辐射换热的面层(铝箔等)。解决了地埋供回水支管间的热短路问题。

本系统与目前的带有太阳能集热器辅助加热的太阳能——地源热泵系统(以下称太阳能辅助采暖系统)的区别：运行模式不同，太阳能辅助采暖系统的太阳能主要用途是在冬季使用，地源热泵同时以相同的制热模式配合运行；而在本系统中如果地上热量采集器采用太阳能的话，太阳能主要是夏季运行，取热蓄存备用，而夏季的地源热泵是制冷模式，两者相互独立。两系统的管路连接模式不同，太阳能辅助系统是和空调系统与地下埋管共用管路，在管路使用上是相互耦合互相影响的；而本系统通过两套相互独立的地源水集分水器及切换阀门，能够把地埋管分成两部分分别与空调系统和反季节平衡蓄能系统连通，各自独立地使用。采集装置包括的范围不同，本系统地上季节性冷热量采集器包括热量采集器和冷量采器，太阳能只是热量采器的一种形式，热量采集器还可是空气换热取热装置、屋顶埋管综合取热装置等。目的意义不同，太阳能辅助系统的目的在于即时补偿热负荷，受天气影响不稳定，负荷高峰期却是效率最低点，目的还有防止地下土壤冻结，因为冻结而熔解后会造成空隙，降低钻孔周围土壤的密实度和传热能力；而本系统以蓄能和提高地下温度工况为目的，在高效率的夏季存蓄热量，冬季供应稳定无波动。总之两者使用的意义、模式、效率和成本都有着本质的差别。

原理：1、本系统的平衡蓄能原理：从理论上说地下蓄存着取之不竭的浅层位品位能源，但由于土壤的热扩散能力非常有限，在土壤源热泵冬夏季负荷不平衡时，长期运行时能源得不到及时补偿，不能保证地热源工况。从土壤源热泵冬夏季运行试验看，在整季运行之后，竖埋管四周温度场中温度有明显变化的地方为以竖埋管为中心，3-5米为半径的范围之内。显然土壤的热扩散能力较差。但反过来，它却是较好的热蓄体，对土壤进行反季节蓄能，其扩散范围也不大，相应就能得到高效率的利用，实际应用中是竖埋管群，其蓄能效率更高。从长期运行来看，地埋管地源热泵更大程度是利用地下土壤等的良好蓄能性能。利用地源热泵空调系统加反季节蓄能系统，用来解决冬夏季负荷不平衡问题，无疑是对这一应用难题非常用效的突破性解决。不但可以平衡冬夏季负荷差，甚至还能通过过度蓄存来调节地下温度工况，提高取热能力，减少埋管量减小初投资，同时提高热泵机组的能效，超理想地解决负荷不平衡。土壤源热泵的节能环保优势实现充分发挥，使系统成为完整的土壤源热泵。根据哈尔滨工业大学的研究资料(暖通空调杂志2005年第10期)显示冬季向地下埋管蓄冷的能效比(即蓄冷量与耗电量的比值)为13以上。向地下排热的能效比更高。说明从理论上是可行的。

当然平衡蓄存能量的现实可行性还要依据空调系统冷热负荷的大小、整季总冷热负荷的大小、地埋管换热的取热排热特性和初投资几个方面，特别是在满足空调系统负荷的情况下，不额外增加地埋管就能实现空调系统的平衡蓄能，那将有着极大的实用意义。事实上，竖埋管换热器的取热弱和排热能力强的特性及北方地区的冷热负荷特点，决定了北方地区竖直埋管热泵在冬季负荷埋管数量的情况下，能实现反季节蓄能，平衡热负荷。而且通过反季节蓄热能调节地下温度工况，提高竖埋管换热器的取热能力，减少地埋管数量减小初投资，提高热泵能效。

以北京为例：单位建筑面积的冬季采暖设计热负荷和夏季设计冷负荷是比较接近的，就是说峰值瞬时负荷比较接近。但由于采暖天数(129天)和空调天数(90天)相差较大，再加上两季平均温度带来的平均负荷系数相差很大，造成大多数建筑总热负荷比总冷负荷大得多。如某酒店的冬季总热负荷是夏季总冷负荷的2.5倍左右。如果有生活热水这一差值会更大。而对于同一土壤竖埋管的冬季取热能力和夏季排热能力，根据天津大学机械学院试验的结果：同一系统U型井埋管冬季取热能力为36W/米，夏季排热能力为110W/米；桩埋管冬季取热50W/米，夏季排热为120W/米。在其他北方地区很多研究试验中的结果也接近这一数量比例关系。

也就是说，在北方地区的地埋管热泵系统，冬季总负荷大但土壤源取热能力差；相反夏季总负荷小但向土壤排热能力强。在满足冬季采暖的情况下，只要其中较少的一部分地埋管就能满足夏季空调的总冷负荷和瞬时峰值的设计负荷，另外很大比例的地埋管换热器可以不使用。如果此时利用这一部分独立出来进行反季节蓄热运行，利用天然地上热源低成本送入地下蓄存，而且因为向地下排热能力较强，无疑只要地上取热系统足够大，就能满足冬季取热多而夏季排热少的不平衡部分，甚至通过过量蓄能调节地下温度工况，提高地埋换热器的取热能力，减少埋管量减小初投资；提高热泵系统的能效；减小运行费。

地上反季节热量采集器可以是设置在屋顶及其它建筑围护结构处、地表处、及空气加热器及太阳能等形式的水管系统，将吸收的热量送入地下蓄存的装置。当利用太阳能时过渡季节也可实现蓄热。初投资少采集热量大的采集装置是易实现的。

在偏南方地区当夏季排热量大于冬季取热量时，也可以采用平衡反季节蓄冷系统蓄冷，但冷量采集装置会不同。

2、克服热短路的地埋管换热器，采用在地埋管回水管的部分管段采用绝热作法达到使地埋管供回支管间工程应用可以接受的绝热程度。包括U型管、外套管、两端的堵头、中间为2～9mm厚的空气层或抽真空层、内管外表面作防辐射换热的面层(铝箔等)。

绝热原理：根据传热学原理，当空气在常温常压下厚度为0-8.6mm左右的空间内，能够完全防止自然对流，使空气层呈现为纯粹气体导热的状态。由于气体是所有物质中导热系数最弱的，非常小，空气在0.023W/m.k左右，而交联聚苯乙烯管的导热系数为0.35～0.48W/m.k。因此采用3mm的空气层就能把DN25的交联聚苯乙烯管热阻提高到原来的20倍左右，即由原来的10～20W/m.k的热损降为0.5～1W/m.k的热损，在工程上已经达到了绝热排除热短路的目的。而在5度温差下内外管间辐射换热在2W/m.k左右的数量级，可以采用铝箔等防辐射换热面层把它降到可忽略。内外管都有足够的承压能力，解决了承压保护问题。

本绝热作法：工艺简单，制作容易，成本低；绝热层厚度小效率高，U型管外径增加较少不影响施工；而且能满足地下承压要求。

附图说明

附图1为平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统图。

附图2为部分管段绝热的U型管式地埋换热器；

附图3为集回水单管绝热的复合U型管式换热器。

附图标记：1-地埋管换热器  2-反季节平衡蓄能系统地源水集水器  3-反季节平衡蓄能系统地源水分水器  4-地上季节性热量采集器  5-地上季节性冷量采集器  6-蓄能水泵  7-能量提升供给系统地源水集水器  8-能量提升供给系统地源水分水器  9-地源水水泵  10-热泵机组  11-能量提升供给系统水泵  12-能量提升供给系统集水器切换阀门  13-能量提升供给系统分水器切换阀门  14-蓄能集水器切换阀门  15-蓄能分水器切换阀门  16-套管堵头  17-内外管隔离垫片  18-外套管  19-空气层或抽真空层  20-能量提升供给系统末端  21--能量提升供给系统地源水进水管  22--能量提升供给系统地源水出水管  23--反季节平衡蓄能系统地源水进水管  24--反季节平衡蓄能系统地源水出水管

具体实施方式

平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，包括克服了热短路的地下埋管换热器系统、空调系统、反季节平衡蓄能系统；其中克服了热短路的地下埋管换热器系统包括：部分管段绝热处理的竖埋管换热器1、供空调系统用的集水器7和分水器8、供反季节平衡蓄能系统用的集水器2和分水器3；能量提升供给系统系统包括：热泵机组10、地源水水泵9、能量提升供给系统水泵11、能量提升供给系统末端20；反季节平衡蓄能系统包括：地上季节性热量采集器4、地上季节性冷量采集器5、蓄能水泵6。

地上季节性热量采集器4地上季节性冷量采集器5：是设置在屋顶及其它建筑围护结构处、地表层、空气冷却或加热器及太阳能等形式的水管系统，将吸收的冷热量送入地下蓄存的装置。当设置在屋顶或其他围护结构时，可以起到隔热层的作用，也降低了室内空调能耗。初投资少采集热量大的采集装置是易实现的，可以开发出产品。

根据附图的克服冬季负荷不平衡和热短路的地埋管地源热泵系统，对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方寒冷地区，夏季运行时，由于夏季向地下排热能力较强，所以只需要使用部分U型管换热器1来和热泵机组10连接，提供冷却水源，其余U型管可通过两组地源水集分水器：能量提升供给系统用的地源水集水器7和分水器8、供反季节平衡蓄能系统用的集水器2和分水器3上的阀门进行切换，连通反季节蓄能系统，运行蓄能水泵6和热量集器4，使夏季地上的热量通过地埋换热器1蓄存入地下；在过渡季节，如果是采用太阳能集热器等可能的情况下，可以通过两组地源水集分水器上的阀门切换，把地埋管换热器1的部分或全部连接到反季平衡蓄能系统，进行蓄能。直到达到最有利于冬季夏季综合的最好地温工况为止。冬季采暖时，通过地源水两组集分水器上的阀门的切换，把地埋管换热器部分或全部连接在空调系统上，利用夏季蓄存的热量直接或间接供热；同时蓄存冷量，供夏季使用。

对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区，也可以采用类似的运行方式进行反季节蓄冷。

克服热短路的地埋管换热器的实施方式：对地埋管式换热器1，首先计算对热回流影响比较大的管段，在埋入地下前，对该管段进行防辐射换热的面层处理，比如铝箔等。且隔1～10米长度设置防止内外管接触的塑料垫片17，最后套入外部套管18，使内外管之间有2～9mm的空气层或抽真空层19。两端安装封闭堵头16。

Claims (4)

1.一种平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，包括地下埋管换热器系统、能量提升供给系统，其特征在于：还包括反季节平衡蓄能系统；地下埋管换热器系统包括：竖埋管换热器(1)、能量提升供给系统集水器(7)和能量提升供给系统分水器(8)、反季节平衡蓄能系统集水器(2)和反季节平衡蓄能系统分水器(3)；能量提升供给系统包括：热泵机组(10)、地源水水泵(9)、能量提升供给系统水泵(11)、能量提升供给系统末端(20)；反季节平衡蓄能系统包括：地上季节性热量采集器(4)、地上季节性冷量采集器(5)、蓄能水泵(6)，其中地上季节性热量采集器(4)和地上季节性冷量采集器(5)在同一系统中可以只有其一，也可两者都有；能量提升供给系统通过地源水进水管(21)与能量提升供给系统地源水集水器(7)连接，能量提升供给系统地源水集水器(7)通过能量提升供给系统集水器切换阀门(12)与竖埋管换热器(1)的出水管束连接，能量提升供给系统通过热泵地源水出水管(22)与能量提升供给系统地源水分水器(8)连接，能量提升供给系统地源水分水器(8)通过能量提升供给系统分水器切换阀门(13)与地下埋管换热器(1)的进水管束连接；反季节平衡蓄能系统的地源水出水管(23)与反季节平衡蓄能系统地源水集水器(2)连接，反季节平衡蓄能系统地源水集水器(2)通过蓄能集水器切换阀门(14)与竖埋管换热器(1)的出水管束连接，反季节平衡蓄能系统的地源水进水管(24)与反季节平衡蓄能系统地源水分水器(3)连接，反季节平衡蓄能系统地源水分水器(3)通过蓄能分水器切换阀门(15)与竖埋管换热器(1)的进水管束连接。

2.根据权利要求1所述的平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，其特征在于：地下埋管换热器是克服热短路的地下埋管换热器，其结构为：在回水管有热短路的管段外加套管，套管两端设封闭堵头，回水管与套管之间采用空气层或抽真空层，并且隔一定距离设垫片防内外管接触。

3.根据权利要求2所述的平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，其特征在于：克服热短路的地下埋管换热器的绝热外套管内的回水管段外表面作防辐射换热的面层。

4.根据权利要求1所述的平衡冬夏负荷且克服热短路的地源热泵系统，其特征在于：反季节平衡蓄能系统的地上季节性热量采集器(4)和地上季节性冷量采集器(5)是设置在屋顶及其它建筑围护结构处、地表层、空气中及太阳能等形式的循环水系统，将吸收的冷热量送入地下蓄存的装置。

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