一種復(fù)合式土壤源熱泵系統(tǒng)及控制方法
【專利說(shuō)明】一種復(fù)合式土壤源熱泵系統(tǒng)及控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于土壤源熱栗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的復(fù)合式土 壤源熱栗系統(tǒng)及控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 地源熱栗系統(tǒng)可以利用少量的高位能將熱量由低位熱源轉(zhuǎn)移到高位熱源，節(jié)能環(huán) 保且具有較高的效率，近年來(lái)在全球得到廣泛的使用。而其中的土壤源熱栗則是利用冬季 地下溫度明顯高于環(huán)境溫度，夏季地下溫度低于環(huán)境溫度的特點(diǎn)，將地下土壤作為溫度恒 定的蓄能體，通過(guò)深埋于建筑物周圍的換熱管路和熱栗系統(tǒng)從土壤中提取熱量來(lái)與建筑物 內(nèi)部進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到為建筑物供暖和制冷的目的。但是土壤源熱栗系統(tǒng)在使用過(guò)程 中也遇到了一些問(wèn)題。其中制約其發(fā)展的主要原因就是土壤的熱平衡問(wèn)題。熱平衡問(wèn)題是 指熱栗經(jīng)使用一段時(shí)間之后，土壤的溫度會(huì)持續(xù)的下降或者上升，使得熱栗的運(yùn)行效率下 降，影響土壤源熱栗機(jī)組持續(xù)、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。
[0003] 對(duì)冷熱負(fù)荷不等的地區(qū)，地源熱栗向地下排放和吸收的熱量不等，存在著不平衡， 在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)，一般來(lái)說(shuō)供暖需求大于供冷需求，夏季空調(diào)向土壤層排放的熱量小于冬 季采暖時(shí)提取的熱量，這樣使得土壤的溫度越來(lái)越低，所能取得的熱量會(huì)逐年減少，這也將 降低熱栗系統(tǒng)的運(yùn)行效率，最終導(dǎo)致冬季地源熱栗系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。
[0004] 常規(guī)土壤源熱栗的地埋管深度約為100m，土壤溫度受環(huán)境的影響程度很大，導(dǎo)致 土壤源熱栗的換熱能力有限，再加之實(shí)際施工時(shí)為節(jié)省土壤面積而將地埋管密集布置，導(dǎo) 致的管與管之間的相互作用加劇，從而在很大程度上影響了淺層土壤源熱栗的運(yùn)行性能。
[0005] 深層土壤相較于淺層土壤幾乎不受大氣環(huán)境的影響，保溫性能好，有地心熱傳導(dǎo) 作用等因素使得土壤溫度能基本保持恒定的高溫。這一特點(diǎn)在冬季累計(jì)熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季 累計(jì)冷負(fù)荷的嚴(yán)寒寒冷地區(qū)有很好的使用價(jià)值。實(shí)際的深層土壤勘測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在1500m 的土壤深度以內(nèi)，東北地區(qū)的松遼盆地全區(qū)的平均地溫梯度為3. 375°C /100m(從恒溫層往 地下垂直深度增加 l〇〇m則該深度處土壤溫度增加3. 375°C )，而下遼河盆地的地溫梯度也 均在3°C /100m以上。土壤深處溫度的表達(dá)式為： G· Η
[0006] Tu =A+- ' 100
[0007] 其中：
[0008] TH為Η處的地溫；
[0009] A :常數(shù)（查表可得，其中東北全區(qū)的平均系數(shù)為11. 933);
[0010] G :地溫梯度（單位°C /100m)。
[0011] 通過(guò)計(jì)算可知東北全區(qū)地下1500m處土壤的平均溫度T15M= 62. 558°C。本發(fā)明 利用這一特點(diǎn)，將供暖埋管垂直深度從常規(guī)的管群深度（70~100m)延伸到1500m以下。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0012] 本發(fā)明的目的在于解決累積冷熱負(fù)荷不均衡對(duì)土壤源熱栗系統(tǒng)性能的影響，提供 一種適用于嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的復(fù)合式土壤源熱栗系統(tǒng)及控制方法。
[0013] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0014] 一種復(fù)合式土壤源熱栗系統(tǒng)，包括由冷凝器和蒸發(fā)器構(gòu)成的熱栗機(jī)組、復(fù)合地埋 管系以及控制器；冷凝器的進(jìn)出水口接末端用戶，蒸發(fā)器的進(jìn)出水口接復(fù)合地埋管系；復(fù) 合地埋管系包括并聯(lián)在一起的淺層地埋管群和深層地埋管，淺層地埋管群為設(shè)置于深度為 70~100m的地埋管，深層地埋管為設(shè)置于1500~2000m的地埋管；復(fù)合地埋管系的管路 上設(shè)置若干電磁閥和水栗，控制器根據(jù)安裝在冷凝器進(jìn)出口處的溫度傳感器采集到的溫度 信息，控制電磁閥和水栗的開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)淺層地埋管單獨(dú)工作、深層地埋管單單獨(dú)工作或聯(lián)合 工作三種模式。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：
[0016] 所述淺層地埋管群包括若干均勻分布的淺層地埋管，且淺層地埋管之間按照平行 四邊形布置，淺層地埋管的鉆孔間距至少為5m ;深層地埋管采用套管式換熱器，內(nèi)套管為 聚乙烯或聚丁烯制成，深層地埋管與淺層地埋管的距離不小于6m。
[0017] 所述蒸發(fā)器的出水口連接第一電磁閥，第一電磁閥的出口分兩路，一路通過(guò)第二 電磁閥與淺層地埋管群的入口相連，另一路接第一水栗，第一水栗的出口接深層地埋管；淺 層地埋管群和深層地埋管的出水口匯合后接第二水栗，第二水栗的出口與蒸發(fā)器進(jìn)水口相 連通，形成封閉循環(huán)系統(tǒng)。
[0018] 所述第一電磁閥、第二電磁閥、第一水栗和第二水栗的控制端均與控制器相連。
[0019] 所述冷凝器的進(jìn)水口或出水口設(shè)置有用于控制用戶端流量的第三水栗，第三水栗 的控制端與控制器相連。
[0020] -種復(fù)合式土壤源熱栗系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0021] 1)當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到冷凝器進(jìn)出水溫差大于18°C時(shí)，此時(shí)建筑熱負(fù)荷超過(guò)了 淺層地埋管的設(shè)計(jì)負(fù)荷，控制器開(kāi)啟第一電磁閥、第二電磁閥、第一水栗和第二水栗，使淺 層地埋管和深層地埋管聯(lián)合運(yùn)行，提高地下?lián)Q熱器的換熱性能和整個(gè)系統(tǒng)的C0P值；
[0022] 2)當(dāng)冷凝器進(jìn)出水溫差大于12°C，且小于18°C時(shí)，此時(shí)建筑熱負(fù)荷小于淺層地埋 管的設(shè)計(jì)負(fù)荷，這時(shí)需要進(jìn)一步監(jiān)測(cè)淺層地埋管的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，以此來(lái)判定地埋管的運(yùn) 行策略：
[0023] 2-1)如果淺層地埋管連續(xù)運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過(guò)兩周，這時(shí)控制器關(guān)閉第二電磁閥以 關(guān)閉淺層地埋管，第一電磁閥、第一水栗和第二水栗開(kāi)啟，深層地埋管單獨(dú)運(yùn)行，淺層地埋 管恢復(fù)一周后，再關(guān)閉第一水栗，使淺層地埋管開(kāi)始單獨(dú)運(yùn)行；
[0024] 2-2)如果淺層地埋管的連續(xù)運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有超過(guò)兩周，此時(shí)關(guān)閉第一水栗，淺層地 埋管單獨(dú)運(yùn)行，為整個(gè)建筑提供供暖熱量；
[0025] 3)冷凝器進(jìn)出水溫差小于12°C時(shí)，此時(shí)建筑熱負(fù)荷較小，控制器關(guān)閉第一水栗， 使淺層地埋管單獨(dú)運(yùn)行。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0027] 本發(fā)明將淺層地埋管和深層地埋管相結(jié)合，從根本上解決了嚴(yán)寒寒冷地區(qū)累計(jì)冷 熱負(fù)荷不均衡對(duì)地源熱栗系統(tǒng)性能的不利影響，擴(kuò)展了土壤源熱栗在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的應(yīng) 用。由于埋管深度加深，且地下高溫?zé)嵩礈囟缺３只竞愣ǎ栽撓到y(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定高 效的運(yùn)行。本發(fā)明節(jié)約用地面積。很多建筑在考慮暖通方案時(shí)，地源熱栗系統(tǒng)是首選（造 價(jià)低），但通常室外又沒(méi)有足夠的場(chǎng)地埋管，造成地源熱栗系統(tǒng)不能應(yīng)用。由于深層地埋管 (1500m以下）換熱量較大，單根或者和少數(shù)埋管就可以滿足建筑的用能需求，鉆孔量減小， 所以該系統(tǒng)在嚴(yán)寒寒冷地區(qū)可以很大程度地節(jié)約打孔所需的土地面積。最后，本發(fā)明采用 閉式循環(huán)系統(tǒng)，沒(méi)有尾水及尾水回灌的問(wèn)題，杜絕了尾水的環(huán)境污染、過(guò)度開(kāi)采地下水資源 甚至地面沉降等問(wèn)題。不抽取地下水，防止地下水位下降，節(jié)約用水量且與地下水相互隔 離，保護(hù)了水資源。本發(fā)明深層換熱系統(tǒng)穩(wěn)定、連續(xù)、利用效率高、蘊(yùn)含能量較淺層地?zé)岫唷?溫度也更高等優(yōu)點(diǎn)，從而導(dǎo)致供熱系統(tǒng)性能更好，節(jié)能效果更顯著。 【【附圖說(shuō)明】】
[0028] 圖1為本發(fā)明地下?lián)Q熱器平面布置圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 其中：1為第一水栗；2為第二水栗；3為第三水栗；4為熱栗機(jī)組；5為深層地埋 管；6為淺層地埋管群；7為第一電磁閥；8為第二電磁閥。 【【具體實(shí)施方式】】
[0031] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0032] 為了使淺層地埋管群6與深層地埋管5組合成的地埋管換熱器具有較好的換熱效 率，并且相鄰的管道之間不發(fā)生熱量交換，本發(fā)明需要按照特殊的埋管方式進(jìn)行布置。淺層 地埋管的鉆孔間距為5m，并且淺層地埋管之間按照平行四邊形進(jìn)行布置。深層地埋管與淺 層地埋管群需要隔開(kāi)一定距離，使得深層地埋管與最近的淺層地埋管的距離不小于6m，具 體布置如圖1所示。
[0033] 為了使本發(fā)明達(dá)到最佳的運(yùn)行效果與最小的經(jīng)濟(jì)投入，提出了適合該系統(tǒng)的運(yùn)行 控制方案，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。本發(fā)明是將淺層地埋管與深層地埋管并聯(lián)起來(lái)的 熱栗系統(tǒng)，在供冷季，嚴(yán)寒寒冷地區(qū)的冷負(fù)荷一般較小，建筑負(fù)荷全部單獨(dú)由淺層地埋管承 擔(dān)。過(guò)渡季節(jié)，關(guān)閉熱栗系統(tǒng)，整個(gè)地下?lián)Q熱器處于恢復(fù)期。在供熱季，在并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行 過(guò)程中，根據(jù)建筑的負(fù)荷變化情況，其運(yùn)行工況，主要分為以下三種：
[0034] a.淺層地埋管作為單獨(dú)的供熱源，為建筑提供熱量。
[0035] b.深層地埋管作為單獨(dú)的供熱源，為建筑提供熱量
[0036] c.深層地埋管與淺層地埋管作為聯(lián)合供熱源，為建筑提供熱量。
[0037] 本發(fā)明主要采用控制器，根據(jù)溫差對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)能夠通過(guò)調(diào)節(jié) 第三水栗3控制用戶端的流量；本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，在熱栗機(jī)組4冷凝器的進(jìn) 水管及出水管處安裝溫度傳感器，在圖2的結(jié)構(gòu)示意圖中，其安裝位置就是在末端用戶的 進(jìn)水管及回水管處。熱栗機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，檢測(cè)冷凝器進(jìn)出水溫差，根據(jù)溫差大小，