专利名称：季节蓄能的地源热泵供暖或供冷装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及太阳能蓄存技术领域和地源热泵应用技术领域。具体是一种能够 利用太阳近地期和远地期的应季气温及建筑物表面蓄温与地温之差，依托建筑物热工条件 设计创新低成本低费用集热和换热的季节蓄能地源热泵供暖或供冷装置。
背景技术：
目前，世界各国都在开发新能源，谋求解决不可再生能源将枯竭的问题。我国提出 “十一五”期间GDP能耗要降低20%的目标，国家财政部、建设部发文《关于推进可再生能源 在建筑中应用的实施意见》以及《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》，明确指出 “十一五”期间，可再生能源应用面积占新建建筑面积比例为25%以上，到2020年，可再生 能源应用面积占新建建筑面积比例为50%以上，太阳能技术和地源热泵技术被列为可再生 能源建筑应用主要内容。常规地源热泵系统给建筑供暖时从地下吸热，制冷时向地下释热。困惑的是建筑 冷热负荷不平衡的客观现状及《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005出于环境保护 和系统安全考虑要求吸热量和释热量必须平衡的执行标准。我国幅员辽阔建筑负荷特点是最南部夏季冷负荷大，冬季没有热负荷(全冷 型)；中南，西南部夏季冷负荷大，冬季热负荷小(冷大热小型)；中东部，夏冬季冷热负荷 持平；中西部，中北部，西北部，东北部夏季冷负荷小，冬季热负荷大(冷小热大型)；最北部 夏季没有冷负荷，冬季热负荷很大(全热型)。全国区域建筑冷热负荷不平衡率占90%以 上，再加上其它功能负荷叠加后冷热负荷平衡型建筑更少。常规地源热泵对于“全热型”， “全冷型”负荷的不能应用；对“冷大热小型”，“冷小热大型”负荷的只能高代价低效应用 (“冷大热小型”排热需要冷却塔；“冷小热大型”补热需排碳热源)；吸释热量不平衡的不 能持久应用，导致地源热泵系统逐年单方向温度积累，系统效率持续降低，最终导致失效。
实用新型内容为了解决现有技术中吸/释热量平衡问题，本实用新型是提供一种季节蓄能的地 源热泵供暖或供冷装置。通过增设可切换的能量交换单元，实现气水换热、建筑外挂板换 热、硬地面换热、水景观换热，蓄存太阳近地期和远地期的能量，通过地埋管换热装置存储 成为可用供暖或供冷的新能源。本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是一种季节蓄能的地源热泵供暖 或供冷装置，包括地源热泵系统，地源热泵系统主要包括热泵机组、室内空调装置和第一、 二地埋管换热装置；该实现装置还包括能量交换单元，所述能量交换单元通过电动阀和循 环泵与第一、二地埋管换热装置连接，通过开关电动阀和启停循环泵将能量交换单元与第 一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。所述能量交换单元包括气水换热装置，所述气水换热装置通过电动阀和循环泵与 第一、二地埋管换热装置连接，通过开关电动阀和启停循环泵将气水换热装置与第一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。所述能量交换单元还包括硬地面换热装置，所述硬地面换热装置通过电动阀和循 环泵与第一、二地埋管换热装置连接，所述硬地面换热装置和气水换热装置为并联连接，通 过开关电动阀和启停循环泵将硬地面换热装置、气水换热装置与第一、二地埋管换热装置 形成一能量循环结构。所述能量交换单元还包括水景观换热装置和外墙壁换热装置，所述水景观换热装 置和外墙壁换热装置通过电动阀和循环泵与第一、二地埋管换热装置连接，所述水景观换 热装置、外墙壁换热装置、硬地面换热装置和气水换热装置互为并联连接，通过开关电动阀 和启停循环泵将水景观换热装置、外墙壁换热装置、硬地面换热装置、气水换热装置与第 一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。本实用新型的优点为1、本实用新型可低费用地实现可再生能源为建筑物室内供暖或供冷，该方法可广 泛应用在全中国国土区域内南北拓展；并且具有高效安全的特点。2、本实用新型可低费用地利用可再生能源，保障重要交通枢纽冬季雨雪天顺畅。3、本实用新型结构简单，可实施性强，成本低廉，便于推广。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型的整体结构示意图。
具体实施方式
一种季节蓄能的地源热泵供暖或供冷实现装置，包括地源热泵系统，地源热泵系 统主要包括热泵机组、室内空调装置和第一、二地埋管换热装置；该实现装置还包括能量 交换单元，所述能量交换单元通过电动阀和循环泵与第一、二地埋管换热装置连接，通过开 关电动阀和启停循环泵将能量交换单元与第一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。所述能量交换单元包括气水换热装置，所述气水换热装置通过电动阀和循环泵与 第一、二地埋管换热装置连接，通过开关电动阀和启停循环泵将气水换热装置与第一、二地 埋管换热装置形成一能量循环结构。所述能量交换单元还包括硬地面换热装置，所述硬地面换热装置通过电动阀和循 环泵与第一、二地埋管换热装置连接，所述硬地面换热装置和气水换热装置为并联连接，通 过开关电动阀和启停循环泵将硬地面换热装置、气水换热装置与第一、二地埋管换热装置 形成一能量循环结构。所述能量交换单元还包括水景观换热装置和外墙壁换热装置，所述水景观换热装 置和外墙壁换热装置通过电动阀和循环泵与第一、二地埋管换热装置连接，所述水景观换 热装置、外墙壁换热装置、硬地面换热装置和气水换热装置互为并联连接，通过开关电动阀 和启停循环泵将水景观换热装置、外墙壁换热装置、硬地面换热装置、气水换热装置与第 一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。如
图1所示，季节蓄能地源热泵供暖或供冷装置，主要包括组成常规地源热泵系 统的热泵机组、室内空调装置、地埋管换热装置加所述蓄能系统包括气水换热装置。所述气水换热装置通过电动阀和循环泵与地埋管换热装置连接，通过切换电动阀开关和启停循环 泵形成一能量循环蓄存结构。所述蓄能系统还包括硬地面换热装置，所述硬地面换热装置 通过电动阀和循环泵与地埋管换热装置连接，所述硬地面换热装置和气水换热装置为并联 连接，通过切换电动阀开关和启停循环泵形成一能量循环蓄存结构。所述蓄能系统还包括 水景观换热装置，所述水景观换热装置通过电动阀和循环泵与地埋管换热装置连接，所述 水景观换热装置、硬地面换热装置和气水换热装置互为并联连接，通过切换电动阀开关和 循环泵形成一能量循环蓄存结构。所述地源热泵系统还包括外墙壁换热装置，所述外墙壁 换热装置通过电动阀和循环泵与地埋管换热装置连接，所述外墙壁换热装置、水景观换热 装置、硬地面换热装置和气水换热装置互为并联连接，通过切换电动阀开关和循环泵启停 形成一能量循环蓄能结构。根据世界各地区的地源热泵热失衡量不同采用方法亦不同。当热泵机组给室内空 调装置供热时从地埋管换热装置GB50366-2005(2009版)中吸热；当热泵机组给室内空 调装置供冷时向地埋管换热器中释热；设吸热量数值为A，释热量数值为B，即地埋管换热 装置失衡值为IA-B |。具体包含如下4种类型(1)冬季热负荷大，夏季冷负荷小(蓄热失衡型)。冬季建筑热负荷大，地源热泵 系统经地埋管换热装置从土壤中吸热量大于夏季向土壤中释入的热量，即失衡值为|A-B|。 夏季建筑冷负荷小，地源热泵系统经地埋管换热装置向土壤中排热量小，增设可切换的能 量交换单元保障地源热泵供暖或供冷的运行，当夏季运行能量交换单元，通过地埋管换热 装置实现该区域土壤蓄热，蓄热量为|A-B|，以便冬季时给建筑供热。所述能量交换单元包 括气水换热装置、硬地面换热装置、水景观换热装置、建筑外挂板换热装置。(2)夏季冷负荷大，冬季热负荷小(蓄冷失衡型)。夏季建筑冷负荷大，地源热泵 系统经地埋管换热装置向土壤中释热量大于冬季在土壤中吸热量，即失衡量为|A-B|。冬季 建筑热负荷小，地源热泵系统经地埋管换热装置从土壤中吸热量小，增设可切换的能量交 换单元保障地源热泵供暖或供冷的运行，当冬季运行能量交换单元，通过地埋管换热装置 实现该区域土壤蓄冷，蓄冷量为|A-B|，以便夏季时给建筑供冷。(3)仅有冬季热负荷，没有夏季冷负荷(全热失衡型)。冬季建筑仅有热负荷，地 源热泵系统经地埋管换热装置从土壤中吸热量，即失衡量为A。夏季没有冷负荷，增设可切 换的能量交换单元保障地源热泵供暖或供冷的运行，当夏季运行能量交换单元，通过地埋 管换热装置实现该区域土壤蓄热，蓄热量为A，以便冬季时给建筑供热。(4)仅有夏季冷负荷，没有冬季热负荷(全冷失衡型)。夏季建筑仅有冷负荷，地 源热泵系统经地埋管换热装置向土壤中释热量，即失衡量为B。冬季没有热负荷，增设可切 换的能量交换单元保障地源热泵供暖或供冷的运行，当冬季运行能量交换单元，通过地埋 管换热装置实现该区域土壤蓄冷，蓄冷量为B，以便夏季时给建筑供冷。进一步实施步骤如下第一步，在地源热泵供热供冷系统里，经计算后已知供冷和供暖的能量失衡量为 Ia-B ；地源热泵系统为全冷失衡型和全热失衡型的时候，将地埋管换热装置与热泵机组连 接独立运行，将地埋管换热装置与能量交换单元连接独立运行；第二步，当地源热泵系统供冷或供热负荷较小时，将地源热泵系统切换到两个独立运行系统。1)当冬季热负荷小和夏季冷负荷大时，在冬季地源热泵系统运用第一地埋管换 热装置利用区域地温供暖时，把夏季失衡的地埋管换热装置与硬地面换热装置连接开启运 行，将换季后要供冷的地埋管换热装置区域地温尽可能降低。冬季没有热负荷时，冬季将地埋管换热装置切换到硬地面换热装置开启运行，将 换季后要供冷的地埋管换热装置区域地温尽可能降低。2)当夏季冷负荷小冬季热负荷大时，夏季地源热泵系统运用第一地埋管换热装置 利用区域地温供冷时，把冬季即将失衡的地埋管装置接入硬地面换热装置开启运行，将换 季后要供热的地埋管换热装置区域地温尽可能提高。夏季没有冷负荷时，夏季将地埋管换热装置切换到硬地面换热装置开启运行，将 换季后要供热的地埋管换热装置区域地温尽可能提高。第三步，当地源热泵系统供冷量大或供热量负荷较大时，将第一、二地埋管换热装 置切换成与热泵机组连接，整体运行。能量交换单元与地源热泵系统切换至断开状态，维护 待用。本实用新型充分利用冬夏应季气温和建筑物表面蓄温与地温之差的条件，增设可 切换的能量交换单元与吸释热量失衡的地埋管换热装置建立可切换的地温蓄能循环系统。 当地源热泵系统为建筑供热或制冷时，实现吸释热失衡量|A-B|的应季补充。地埋管换热 装置与硬地面换热装置建立地温蓄能循环系统。夏季通过硬地面换热装置循环蓄热，等在 冬春季几次短时间冻雨雪天与硬地面换热装置单独循环。实现跑道和路面边下雪边融化边 排水直到地面干爽，用于保障重要交通枢纽顺畅。如
图1所示，地源热泵系统第一地埋管换热装置；第二热泵机组装置；第三室内 空调装置三部分。本实用新型增加第四部分能量交换蓄存单元装置。所述能量交换单元包 括气水换热装置、硬地面换热装置、建筑外挂板换热装置、水景观换热装置。其中水景观换 热装置包括自然河流，人工溪流、喷泉、瀑布和有集散热条件的设施。本实用新型采用的阀 均为电动阀。于第一地埋管换热装置1与第二地埋管换热装置2间设置开关电动阀阀9，于热泵 机组3与室内空调装置之间设置开关电动阀阀1(| ；外墙挂板换热装置8的端口设置有检修 开关电动阀阀8 ；硬地面换热装置7端口设置有检修开关电动阀阀7 ；气水换热装置6的端 口设置有检修开关电动阀阀6 ；水景观换热装置5的端口设置有检修开关电动阀阀5。所述 电动阀阀9是小负荷与失衡负荷的切换阀；阀4是能量交换单元4的检修开关阀。于第一地埋管换热装置1与热泵机组3之间设置有循环泵泵工；于室内空调装置与 热泵机组3之间设置有循环泵泵4 ；于第二地埋管换热装置2与能量交换单元之间设置有循 环泵泵3。蓄能地源热泵系统供大负荷时开启运行阀阀1(|，阀9，泵工，泵4。其他泵阀全关 闭。蓄能地源热泵系统供小负荷时阀1；阀1(1，泵”泵4开启运行；其他泵阀全关闭。蓄能地源热泵系统在供小负荷同时应季蓄能时阀工，阀1(1，泵工，泵4开启运行；阀9 关闭；泵3，阀4、阀5、阀6、阀7、阀8开启运行。实施例
6[0043]北方某建筑经设计部门计算给出冬季热负荷为5000KW ；夏季冷负荷2000KW ；经地 质水文勘查部门测量出每深度米排热量60W，每深度米吸热量40W。按传统地源热泵机组设备计算配置冬季热泵机组制热量4000KW，输入功率 1000KW，循环泵轴功率100KW，总名义制热量5100KW。满足热负荷条件时吸热量4000KW。按 吸热量计算吸热孔数量4000X 1000 + 40 = 100000米。每孔深100米要1000孔。夏季热 泵机组制冷量2000KW，输入功率400KW，循环泵轴功率100KW，总排热量2500KW。按排热量 计算排热孔数量2500X 1000 + 60 = 41667米。每孔深100米要417孔。按照供热负荷条 件，设计配置1000孔安装施工。吸热量孔数比排热量孔数大一倍多。折合每年将有583孔 多提出热量1500KWhX 150天X 10小时=2. 25MW，平均每孔减少热量4000KW不补回热量。 结果逐年运行供暖效率降低，衰减到第六年就不得不补加锅炉。假如按蓄能地源热泵系统配置冬季工况，应用机组设备，末端设备，布置孔数配 置与传统地源热泵完全相同。夏季工况则不同，是将1000孔分成420和580两部分并在相 连的总管分界处加装电动阀阀9。将420孔部总管路与电动阀阀工、泵工连接，形成地源热泵 制冷系统；580孔部总管路与电动阀阀4、泵3连接，并与能量交换单元4连接形成蓄热系统。当夏季制冷时，关闭阀9，阀2泵2 ；开启阀工泵工，阀1(1泵4 ；同时夏季蓄热，开启阀2，泵3，阀5、阀6、阀7、阀8 ；当冬季供热时，开启阀9，泵i，阀i，泵4，阀i。；同时关闭阀2，泵3及阀5、阀6、阀7、阀8。(1)晾水塔蓄温能力平均气温25°C (20 30°C )，地温水平均10°C (8 12°C )， 平均晾水温差5°C。(2)建筑外挂板背敷换热管蓄温能力日照期平均温度35°C (30 40°C)，地温水 平均10°C (8 12°C )，平均换热蓄温100W/米，每平米400W。(3)硬地面下敷换热管蓄温能力日照期平均温度35°C (30 40°C )，地温水平均 IO0C (8 12°C )，平均换热蓄温80W/米，每平米300W。(4)人工溪流、喷泉、瀑布水景观设施蓄温能力平均气温25°C (20 30°C )，地温 水平均10°C (8 12°C )，平均晾蓄温差2 3。如有条件自然河流平均温度25°C，地温平 均10°C (8 12°C )，开式直流温差8 10°C。以上蓄温形式3种开式，2种闭式。总有几种供选择在夏季120多天里补足热量。 例如选开式(1) (4)平均温差 4°C，2. 25MWX0. 86 + 120 天 +10 小时 +4+1000 = 400 吨 /小时。应用300吨/小时晾水塔，100吨/小时溪流和瀑布景观。例如选闭式(2) (4)平均每平米350W。2. 25MW+120天+16小时+350w = 3400m2.选2000m2硬路地面，选1500m2建筑外挂墙板。本实用新型设计理念是运用地面上设置的地面集散热设施吸收当季气温和建筑 物表面蓄温，与失衡部分的地埋管换热器预先应季泵循环换热调节地温，再加地源热泵系 统进行制冷时向地下排热量或制热时从地下吸热量，共同作用实现土壤吸热量或排热量的 平衡。当建筑仅有冷或热负荷时，地面上设置的地面集散热设施与地埋管换热器循环换热 在停用季预先调节地温，单独作用实现土壤吸热量与排热量的平衡。所述气水换热装置，为普通形式单向用于热水换成冷水的冷却塔，在本系统应用 是双向的，既可以在冬季将地埋管换热器循环温水换成冷水，又可以在夏季将地埋管换热器循环冷水晾成温水。所述外墙挂板换热装置，为在建筑外墙的挂板材与墙体钢支座之间水平往复设置 PE100管道设施。其作用不仅能将建筑表面蓄温传进管内流体完成蓄能，并且改变了挂板背 面与墙面之间的温度，从而改善了建筑墙体的传热条件，降低了墙体流失的热或冷，还降低 了建筑传热负荷及减少了供热或供冷的费用。所述硬地面换热装置，为在建筑物周边的行人路面，停车场，景观广场，停机坪，浙 青或砼交通道等硬地面层下，在机械防护和温度影响有效深度内，水平往复设置PE100管 道系统和竖直设置地埋管换热装置系统。其作用能将夏天硬地面体蓄温传热到管内流体与 地埋管换热最终循环完成蓄热作用。不仅应用于地源热泵吸排热平衡功能，而且当冬春季 几次短时间冻雨雪天，利用夏季全部蓄能设施积存的土壤增温加原始基温，单独将重要交 通枢纽地面下水平敷设换热管系统与蓄热后的地埋管换热装置(包括硬地面下的)循环预 热，边下雪边化水边排水直到地面干爽，应用于保障重要交通枢纽顺畅。所述水景观换热装置，为自然河流，人工溪流、喷泉、瀑布及有变温条件的水景观 设施，因其位置处于建筑物周边，应季运用水温条件与地埋管换热装置循环蓄能时，可影响 景观区温度和湿度，夏天凉爽冬天湿润，尤其是改善城市热岛效应。所述地源热泵系统、地埋管换热装置系统均符合GB50366-2005 (2009版)《地源热 泵系统工程技术规范》。
权利要求一种季节蓄能地源热泵供暖或供冷装置，包括地源热泵系统，其特征在于；地源热泵系统主要包括热泵机组、室内空调装置和第一、二地埋管换热装置；该实现装置还包括能量交换单元，所述能量交换单元通过电动阀和循环泵与第一、二地埋管换热装置连接，通过开关电动阀和启停循环泵将能量交换单元与第一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。
2.按权利要求1所述的实现装置，其特征在于；所述能量交换单元包括气水换热装置， 所述气水换热装置通过电动阀和循环泵与第一、二地埋管换热装置连接，通过开关电动阀 和启停循环泵将气水换热装置与第一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。
3.按权利要求1所述的实现装置，其特征在于；所述能量交换单元还包括硬地面换热 装置，所述硬地面换热装置通过电动阀和循环泵与第一、二地埋管换热装置连接，所述硬地 面换热装置和气水换热装置为并联连接，通过开关电动阀和启停循环泵将硬地面换热装 置、气水换热装置与第一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。
4.按权利要求1所述的实现装置，其特征在于；所述能量交换单元还包括水景观换热 装置和外墙壁换热装置，所述水景观换热装置和外墙壁换热装置通过电动阀和循环泵与第 一、二地埋管换热装置连接，所述水景观换热装置、外墙壁换热装置、硬地面换热装置和气 水换热装置互为并联连接，通过开关电动阀和启停循环泵将水景观换热装置、外墙壁换热 装置、硬地面换热装置、气水换热装置与第一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。
专利摘要本实用新型公开一种季节蓄能的地源热泵供暖或供冷装置，包括地源热泵系统；地源热泵系统主要包括热泵机组、室内空调装置和第一、二地埋管换热装置；该实现装置还包括能量交换单元，所述能量交换单元通过电动阀和循环泵与第一、二地埋管换热装置连接，通过开关电动阀和启停循环泵将能量交换单元与第一、二地埋管换热装置形成一能量循环结构。所述能量交换单元包括冷水换热装置、硬地面换热装置、水景观换热装置；本实用新型可低费用地实现可再生能源为建筑物室内供暖或供冷，该方法可广泛应用在全中国国土区域内南北拓展；并且具有高效安全的特点。本实用新型结构简单，可实施性强，成本低廉，便于推广。
文档编号F25B30/06GK201753999SQ201020265678
公开日2011年3月2日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者金秋实, 金风 申请人:金秋实;金风