本发明涉及的是一种利用谷电辅助蓄冷/蓄热的地埋管地源热泵系统（以下简称地源热泵），主要用于热负荷占优的单供暖（兼顾供冷）系统的研究及其设计方法，属于建筑环境与能源应用专业工程技术领域。
背景技术：
近年来由于对建筑节能、CO2减排及改善大气雾霾等环境问题的关注，利用可再生的浅层地热能的地源热泵技术在建筑空调领域得到了迅速发展。其中的地埋管地源热泵技术利用大地热容量巨大且地下岩土体温度相对稳定的特性，通过闭环式地埋管换热器夏季向岩土体释放热量、冬季从岩土体吸收热量，通过地源热泵实现对建筑物供冷供热。我国的地源热泵项目普遍趋于大型化，现在已经出现了利用地源热泵技术解决大型社区集中供热的迫切需求，但也面临埋管用地不足和地下冷热不平衡等突出问题。例如，单一的地源热泵系统应用于以供热为主要需求的北方住宅项目时，由于供暖季从岩土体中吸收的热量常常大于供冷季向其释放的热量，长期来看系统从岩土体中的取热量大于放热量，会引起岩土体温度逐年下降，导致系统冬季运行性能下降甚至无法正常供热。上述问题常常导致地源热泵在北方集中供热的大型住宅项目中效率不佳甚至失效。目前针对由全年冷热量不平衡引起的地源热泵系统性能退化或失效问题进行了大量的研究，开发了多种地源热泵复合系统。以冷却塔为辅助冷源的地源热泵复合系统已成功地应用于夏季冷负荷占优的项目。然而，对于冬季热负荷占优或单供暖的建筑，虽然已经有了以太阳能、工业余热、燃气锅炉为辅助热源的地源热泵复合系统，但是由于种种技术经济条件的制约，这些复合系统未能大规模推广应用。要为我国北方的城镇化提供新的供热途径，并灵活有效地解决应用地源热泵技术时地下岩土体全年冷热量不平衡问题，必须寻求更符合现有资源条件和能源政策、稳定且费用更低的辅助制热方式及更经济的运行策略。
技术实现要素：
为了解决现有地源热泵技术在供暖为主的北方地区应用的局限性，本发明将可再生的浅层地热能和利用谷电的电力需求侧管理技术、蓄能技术相结合，提出了以地埋管地源热泵为主要冷热源，以谷电时段蓄积的热量为辅助热源，满足以供暖为主的实际工程需求，或实现采用地板辐射等末端形式的地源热泵单供暖（适当兼顾免费供冷）的技术应用。本发明采用的技术方案如下：一种利用谷电辅助蓄冷/蓄热的地埋管地源热泵系统，包括地埋管换热器、地源热泵机组和电加热装置、蓄能水箱，所述的地埋管换热器、地源热泵机组的蒸发器/冷凝器构成冷/热源侧环路I,所述的地源热泵机组的蒸发器、换热器I的一次侧构成中间换热环路II,所述的换热器I的二次侧与用户端形成用户侧环路III；地源热泵机组的蒸发器、蓄能水箱的构成蓄冷环路IV；蓄能水箱、换热器II的一次侧构成放冷/放热环路V；换热器II的二次侧与用户端形成循环环路VI；所述的电加热装置和蓄能水箱构成热源侧环路VII；所述的地源热泵机组的冷凝器和地暖管道构成用户侧环路VIII；所述的循环环路I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII上均设有控制其开断的阀门。所述的地埋管换热器串联循环泵后，与地源热泵机组的冷凝器/蒸发器入口连通；地源热泵机组的冷凝器/蒸发器出口通过管道回到地埋管换热器，形成了冷/热源侧环路I。地源热泵机组的出口还通过管路串联第三阀门、循环泵后，经过换热器I的一次侧后，串接第四阀门返回到地埋管换热器，形成中间换热环路II；换热器I的二次侧与用户侧的第五阀门、循环泵、地暖管道、第六阀门串联形成用户侧环路III。所述的地源热泵机组的蒸发器串联第七阀门、第八阀门、中间循环泵后，与蓄能水箱的构成蓄冷环路IV。所述的蓄能水箱串联循环泵后，与换热器II的一次侧形成放冷/放热环路V，换热器II的二次侧位于用户侧，且通过管路串联第十一阀门、第十二阀门后与用户侧的地暖管道形成用户侧环路VI。所述的电加热装置串联一次侧循环泵、第九阀门、第十阀门后，和蓄能水箱构成热源侧环路VII。所述的地源热泵机组的冷凝器串联第一阀门、第二阀门、用户侧循环泵后，和地暖管道构成用户侧环路VIII。所述的换热器I、换热器II位于用户侧的二次侧，其回到二次侧的连接管路与高位水箱III或定压补水装置连通，用于系统定压补水。所述的循环环路I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII上均设有温度传感器、流量传感器和循环泵。一种谷电辅热地源热泵蓄热蓄冷系统的控制方法，如下：采暖季：晚上低谷时段，由电加热装置承担全天或部分热负荷，第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门开启，系统边蓄边供热；白天用电高峰及平段，通过蓄能水箱放热，第十一阀门、第十二阀门开启，系统处于放热阶段；某些严寒天气，夜间蓄热量不足时，白天第一阀门、第二阀门、第十一阀门、第十二阀门开启，地源热泵系统与电蓄能放热系统同时运行。供冷季：冷负荷需求量小或无冷负荷需求时，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门开启，使用热泵机组直接供冷；晚上低谷时段，由热泵机组承担全天或部分冷负荷，第七阀门、第八阀门、第十一阀门、第十二阀门开启，系统边蓄边供冷；白天用电高峰及平段，通过蓄能水箱放冷，第十一阀门、第十二阀门开启，系统处于放冷阶段；某些严热天气，夜间蓄冷量不足时，白天第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第十一阀门、第十二阀门开启，地源热泵系统与电蓄能放冷系统同时运行。本发明的有益效果如下：1）可有效解决在华北的住宅建筑中应用地源热泵技术时遇到的地下全年冷热量不平衡的瓶颈问题，充分利用可再生能源，不需燃气锅炉做备用热源，有助于废除燃煤锅炉房，可向不具备市政管网集中供热条件的区域提供节经济可靠的冬季供暖，为我国的可持续发展和城镇化建设做出贡献。2）积极响应电力需求侧管理相关政策，充分利用夜间谷电作为地源热泵的辅助热源，利用谷电蓄能技术实现更经济的系统运行方式。同时可有效提高电网的供电效率，将系统所服务建筑物的用电效率提升5~10%，实现新型供热系统的经济效益和社会效益的高度统一。3）利用谷电蓄能技术，可按一定比例的冬季热负荷进行地埋管换热器设计计算及热泵机组配置，减少了埋管量及装机容量，系统初投资较传统地源热泵系统显著降低。白天用电高峰段及平段可以仅运行循环泵,由蓄能系统承担全部负荷,极端天气时则同时运行蓄能系统与地源热泵系统.由于谷电电价约为高峰电价的1/3，该系统的总体供冷/供热费用亦明显降低。4）考虑设置板式换热器进行间接换热，以便于水蓄能系统水力调节和温度调节,避免供水温度过低造成地板结露、防止采用闭式蓄能水箱时水箱承压过高或采用开式水箱时回水的重力势能损失。6）该技术可缓解地下冷热不平衡问题，也可用作某些供暖效果不佳的地源热泵系统、尤其是单供暖地源热泵项目的补救措施。附图说明图1谷电辅助蓄冷/蓄热地源热泵系统流程图图中：1地源热泵机组，2电加热装置，3蓄能（蓄冷/蓄热）水箱，4地暖管道，5地埋管换热器，7-1板式换热器I，7-2板式换热器II,8-1高位水箱（或定压补水装置）I,8-2高位水箱（或定压补水装置）II,8-3高位水箱（或定压补水装置）III,V1-V12阀门。具体实施方式下面结合附图对本发明进行详细说明：本发明主要涉及严寒和寒冷地区（尤其是CDD26≤90的寒冷(A)区），地源热泵承担全部夏季制冷负荷和部分冬季供热负荷，以谷电时段电锅炉通过蓄能水箱蓄积的热量作为辅助热源，满足建筑供热需求的地源热泵复合系统的地埋管配置、装机容量及蓄能水箱配置、地下岩土体全年冷热平衡问题研究及其优化设计方法。该系统可充分利用可再生能源和夜间谷电，能够稳定高效地用于建筑物冬季供暖和夏季“免费供冷”，有效解决以供暖为主的北方住宅项目的地下岩土体全年冷热量不平衡问题。并结合电蓄能技术，实现最经济的空调运行方式。本发明主要研究内容是根据具体的建筑负荷动态模拟结果及现场可放置蓄能水箱的空间条件，对系统主要部分（热泵、谷电时段运行的电锅炉、蓄能水箱、地埋管）的配置和运行策略进行研究，以地下岩土体的长期动态冷热平衡和系统运行费用最低为优化目标。通过改变运行策略，计算其系统初投资及运行费用，确定最经济的运行方式；若项目具备足够的供电能力、可放置蓄能水箱的空间条件或技术经济合理的情况时，匹配设置蓄能水箱，尽量使用谷电蓄能，用于全天的供热/供冷。具体的设计方法如下：1、谷电辅热地源热泵系统设计首先，计算建筑的逐时冷热负荷。可采用成熟的DEST软件模拟。其次，针对具体项目，计算不同的建筑负荷（供冷/供热量）时地埋管换热器的运行参数，从而得到通过“免费供冷”的方式所能够向地下补充的热量。第三，研究大型地埋管换热器传热机理，建立较为准确的地下传热模型，结合实际运行效果，对地埋管专业设计软件进行优化升级。结合岩土热物性参数，通过模拟软件进行10～20年的地下冷热平衡分析。第四，通过专业软件，确定最佳的埋管形式及间距。第五，对同一建筑物选用能满足用户使用需求的配比方案，调整地源热泵负荷系统的地热换热器、热泵机组、辅助电锅炉、蓄能水箱的配置，尽量满足全年地下冷热平衡，并进行全年逐时运行能耗模拟。通过与单一地源热泵系统和常规空调系统的初投资及运行费用比较，确定最佳技术方案。最后，确定系统运行控制策略。供暖季的白天（用电高峰时段）及平时时段主要由蓄热系统和/或地源热泵系统承担热负荷，夜间谷电时段主要运行电锅炉通过蓄能水箱蓄热。确定电锅炉、地热换热器所能够承担的热负荷、埋管间距等参数。在满足地下岩土体热平衡的前提下，经过技术经济比较，确定最佳运行策略，尽量减少设备的装机容量。最终形成的实施方案如图1所示，地埋管换热器串联循环泵后，与地源热泵机组的冷凝器/蒸发器入口连通；地源热泵机组的冷凝器/蒸发器出口通过管道回到地埋管换热器，形成了冷/热源侧环路I。地源热泵机组1的出口还通过管路串联第三阀门、循环泵后，经过板式换热器I的一次侧后，串接第四阀门返回到地源热泵机组1，形成中间换热环路II；换热器I的二次侧与用户侧的第五阀门V5、循环泵、地暖管道、第六阀门v6串联形成用户侧环路III。地源热泵机组1的蒸发器串联第七阀门V7、第八阀门V8、中间循环泵后，与蓄冷/蓄能水箱3的构成蓄冷环路IV。蓄能水箱13串联循环泵后，与板式换热器II的一次侧形成放冷/放热环路V，板式换热器II的二次侧位于用户侧，且通过管路串联第十一阀门V11、第十二阀门V12后与用户侧的地暖管道形成用户侧环路VI。电加热装置串联一次侧循环泵、第九阀门V9、第十阀门V10后，和蓄能水箱3构成热源侧环路VII。地源热泵机组的冷凝器串联第一阀门V1、第二阀门V2、用户侧循环泵后，和地暖管道构成用户侧环路VIII。板式换热器I7-1、板式换热器II7-2位于用户侧的二次侧，其回到二次侧的连接管路与高位水箱III或定压补水装置连通，用于系统定压补水。循环环路I、II、III、IV、V、VI、VII、VIII上均设有温度传感器、流量传感器和循环泵。高位水箱（或定压补水装置）I8-1用于地源侧定压补水；高位水箱（或定压补水装置）II8-2用于锅炉系统定压补水；高位水箱（或定压补水装置）III8-3用于用户侧定压补水；电加热装置2：按热负荷的100%配置，用来制造热水，只在冬季晚上谷电时段运行，通过蓄能（蓄冷/蓄热）水箱3蓄能。蓄能（蓄冷/蓄热）水箱3：谷电蓄能用。根据现场可放置蓄能水箱的空间及经济性，分析地源热泵系统及电蓄能系统的配比，确定电蓄能系统的最大蓄能量，根据蓄冷/蓄热温差，从而确定蓄能（蓄冷/蓄热）水箱3的尺寸。板式换热器7-1：夏季负荷需求量较小时，地源热泵系统直接供冷；或蓄冷水箱的蓄冷量不能满足全天的冷负荷时，需要地源热泵系统和电蓄能系统同时供冷运行。末端地板辐射供冷，板式换热器7-1的作用:一是控制水温在16-18℃以上，避免供水温度太低造成地板结露。板式换热器7-2：冬、夏季均运行，末端地板辐射供冷/供热，板式换热器7-2的作用:一是便于系统水力调节。二是防止用户侧与蓄能水箱串联造成水箱超压，起中间换热作用。三是控制水温在16-18℃以上，避免夏季运行时，供水温度太低造成地板结露。3个高位水箱：又称膨胀水箱，系统补水用，可放置在屋顶。2、系统监测平台建立如附图1所示，系统安装了热电阻温度传感器和涡轮流量传感器，分别用于计量用户侧换热量、地埋管换热器换热量、电锅炉系统换热量等。收集监测系统数据，对实际运行数据进行分析，并判定系统冷热平衡情况。依托实际运行效果，进行系统优化，实现动态控制。本系统的运行策略如下：（系统共8个环路，有些环路属于冬夏共用环路）夏季供冷：1）冷负荷需求量小或无冷负荷需求，使用热泵机组直接供冷，系统往地下释热，以保证全年地下冷热平衡。末端地板辐射供冷，为避免供水温度太低造成地板结露，加入板式换热器7-1进行水温控制，将末端供水水温控制在16-18℃以上。此时，地埋管换热器5、地源侧循环泵、地源热泵机组1的冷凝器构成冷源侧环路I；地源热泵机组1的蒸发器、第三阀门V3、第四阀门V4、中间循环泵、板式换热器7-1的一次侧构成中间换热环路II；板式换热器7-1的二次侧、第五阀门V5、第六阀门V6、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路III。2）晚上谷电时段，通过蓄能水箱边蓄边供冷，满足全天或部分的冷负荷需求。谷电时段，热泵机组制冷运行，电蓄能系统边蓄边供冷。此时，地埋管换热器5、地源侧循环泵、地源热泵机组1的冷凝器构成冷源侧环路I；地源热泵机组1的蒸发器、第七阀门V7、第八阀门V8、中间循环泵、蓄能水箱3的构成蓄冷环路IV；蓄能水箱3、中间循环泵、板式换热器7-2的一次侧构成放冷环路V；板式换热器7-2的二次侧、第十一阀门V11、第十二阀门V12、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路VI。3）白天用电高峰及平段，通过蓄能水箱放冷。为防止用户侧与蓄能水箱串联造成水箱超压及系统水力调节，特加入板式换热器7-2起中间换热作用；同时板式换热器7-2可将供水水温控制在16-18℃以上，避免供水温度太低造成地板结露。此时，蓄能水箱3、中间循环泵、板式换热器7-2的一次侧构成放冷环路V；板式换热器7-2的二次侧、第十一阀门V11、第十二阀门V12、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路VI。4）某些严热天气，蓄能水箱积蓄的冷量满足不了白天全部的冷负荷需求时，地源热泵系统与电蓄能放冷系统并联运行，同时供冷。此时，蓄能水箱3、中间循环泵、板式换热器7-2的一次侧构成放冷环路V；板式换热器7-2的二次侧、第十一阀门V11、第十二阀门V12、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路VI。地埋管换热器5、地源侧循环泵、地源热泵机组1的冷凝器构成冷源侧环路I；地源热泵机组1的蒸发器、V3、V4、中间循环泵、板式换热器7-1的一次侧构成中间换热环路II；板式换热器7-1的二次侧、V5、V6、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路III。冬季供热：1）晚上谷电时段，通过蓄能水箱边蓄边供热，满足全天或部分的热负荷需求。谷电时段，电加热装置运行，电蓄能系统边蓄边供热，锅炉按热负荷的100%配置。此时，电加热装置2、一次侧循环泵、第九阀门V9、第十阀门V10、蓄能水箱3构成热源侧环路VII。蓄能水箱3、中间循环泵、板式换热器7-2的一次侧构成放热环路V；板式换热器7-2的二次侧、第十一阀门V11、第十二阀门V12、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路VI。2）白天用电高峰及平段，通过蓄能水箱放热。为防止用户侧与蓄能水箱串联造成水箱超压及系统水力调节，特加入板式换热器7-2起中间换热作用。此时，蓄能水箱3、中间循环泵、板式换热器7-2的一次侧构成放热环路V；板式换热器7-2的二次侧、第十一阀门V11、第十二阀门V12、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路VI。3）某些严寒天气，蓄能水箱积蓄的热量满足不了白天全部的热负荷需求时，地源热泵系统与电蓄能放热系统并联运行，同时供热。末端采用地板辐射采暖。针对热负荷占优建筑，地埋管量、装机容量按设计热负荷的一定比例进行配置（如100%或70%）。此时，蓄能水箱3、中间循环泵、板式换热器7-2的一次侧构成放热环路V；板式换热器7-2的二次侧、第十一阀门V11、第十二阀门V12、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路VI。地埋管换热器5、地源侧循环泵、地源热泵机组1的蒸发器构成热源侧环路I；地源热泵机组1的冷凝器、第一阀门V1、第二阀门V2、用户侧循环泵、地暖管道4构成用户侧环路VIII。本系统采用地埋管系统承担冷负荷及部分热负荷，埋管量根据设计热负荷的一定比例进行配置，相应配置热泵机组的装机容量。相比于常规地源热泵系统，减少了埋管量、装机容量，降低了初投资。初投资较传统地源热泵显著降低。白天用电高峰段及平段，地源热泵系统运行（地源热泵和电蓄能系统并联运行），效率较高，消耗1kwh的电约制造4kwh的冷量或热量；晚上低谷段，在建筑供电能力满足的情况下，系统最大限度的全谷段运行。由于低谷段电价约为高峰段的1/3，总运行费用较现有集中供热系统显著减少。控制方法如下：采暖季：晚上低谷时段，由电加热装置承担全天或部分热负荷，第九阀门V9、第十阀门V10、第十一阀门V11、第十二阀门V12开启，系统边蓄边供热；白天用电高峰及平段，通过蓄能水箱放热，第十一阀门V11、第十二阀门V12开启，系统处于放热阶段；某些严寒天气，夜间蓄热量不足时，白天第一阀门V1、第二阀门V2、第十一阀门V11、第十二阀门V12开启，地源热泵系统与电蓄能放热系统同时运行。供冷季：冷负荷需求量小或无冷负荷需求时，第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第六阀门V6开启，使用热泵机组直接供冷；晚上低谷时段，由热泵机组承担全天或部分冷负荷，第七阀门V7、第八阀门V8、第十一阀门V11、第十二阀门V12开启，系统边蓄边供冷；白天用电高峰及平段，通过蓄能水箱放冷，第十一阀门V11、第十二阀门V12开启，系统处于放冷阶段；某些严热天气，夜间蓄冷量不足时，白天第三阀门V3、第四阀门V4、第五阀门V5、第六阀门V6、第十一阀门V11、第十二阀门V12开启，地源热泵系统与电蓄能放冷系统同时运行。