一种复合式土壤源热泵系统及控制方法
【专利说明】一种复合式土壤源热泵系统及控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于土壤源热栗技术领域，具体涉及一种适用于严寒寒冷地区的复合式土 壤源热栗系统及控制方法。 【【背景技术】】
[0002] 地源热栗系统可以利用少量的高位能将热量由低位热源转移到高位热源，节能环 保且具有较高的效率，近年来在全球得到广泛的使用。而其中的土壤源热栗则是利用冬季 地下温度明显高于环境温度，夏季地下温度低于环境温度的特点，将地下土壤作为温度恒 定的蓄能体，通过深埋于建筑物周围的换热管路和热栗系统从土壤中提取热量来与建筑物 内部进行热交换，从而达到为建筑物供暖和制冷的目的。但是土壤源热栗系统在使用过程 中也遇到了一些问题。其中制约其发展的主要原因就是土壤的热平衡问题。热平衡问题是 指热栗经使用一段时间之后，土壤的温度会持续的下降或者上升，使得热栗的运行效率下 降，影响土壤源热栗机组持续、稳定、高效的运行。
[0003] 对冷热负荷不等的地区，地源热栗向地下排放和吸收的热量不等，存在着不平衡， 在严寒寒冷地区，一般来说供暖需求大于供冷需求，夏季空调向土壤层排放的热量小于冬 季采暖时提取的热量，这样使得土壤的温度越来越低，所能取得的热量会逐年减少，这也将 降低热栗系统的运行效率，最终导致冬季地源热栗系统不能正常运行。
[0004] 常规土壤源热栗的地埋管深度约为100m，土壤温度受环境的影响程度很大，导致 土壤源热栗的换热能力有限，再加之实际施工时为节省土壤面积而将地埋管密集布置，导 致的管与管之间的相互作用加剧，从而在很大程度上影响了浅层土壤源热栗的运行性能。
[0005] 深层土壤相较于浅层土壤几乎不受大气环境的影响，保温性能好，有地心热传导 作用等因素使得土壤温度能基本保持恒定的高温。这一特点在冬季累计热负荷远大于夏季 累计冷负荷的严寒寒冷地区有很好的使用价值。实际的深层土壤勘测数据显示，在1500m 的土壤深度以内，东北地区的松辽盆地全区的平均地温梯度为3. 375°C /100m(从恒温层往 地下垂直深度增加 l〇〇m则该深度处土壤温度增加3. 375°C )，而下辽河盆地的地温梯度也 均在3°C /100m以上。土壤深处温度的表达式为： G· Η
[0006] Tu =A+- ' 100
[0007] 其中：
[0008] TH为Η处的地温；
[0009] A :常数（查表可得，其中东北全区的平均系数为11. 933);
[0010] G :地温梯度（单位°C /100m)。
[0011] 通过计算可知东北全区地下1500m处土壤的平均温度T15M= 62. 558°C。本发明 利用这一特点，将供暖埋管垂直深度从常规的管群深度（70~100m)延伸到1500m以下。 【
【发明内容】
】
[0012] 本发明的目的在于解决累积冷热负荷不均衡对土壤源热栗系统性能的影响，提供 一种适用于严寒寒冷地区的复合式土壤源热栗系统及控制方法。
[0013] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0014] 一种复合式土壤源热栗系统，包括由冷凝器和蒸发器构成的热栗机组、复合地埋 管系以及控制器；冷凝器的进出水口接末端用户，蒸发器的进出水口接复合地埋管系；复 合地埋管系包括并联在一起的浅层地埋管群和深层地埋管，浅层地埋管群为设置于深度为 70~100m的地埋管，深层地埋管为设置于1500~2000m的地埋管；复合地埋管系的管路 上设置若干电磁阀和水栗，控制器根据安装在冷凝器进出口处的温度传感器采集到的温度 信息，控制电磁阀和水栗的开合，实现浅层地埋管单独工作、深层地埋管单单独工作或联合 工作三种模式。
[0015] 本发明进一步的改进在于：
[0016] 所述浅层地埋管群包括若干均匀分布的浅层地埋管，且浅层地埋管之间按照平行 四边形布置，浅层地埋管的钻孔间距至少为5m ;深层地埋管采用套管式换热器，内套管为 聚乙烯或聚丁烯制成，深层地埋管与浅层地埋管的距离不小于6m。
[0017] 所述蒸发器的出水口连接第一电磁阀，第一电磁阀的出口分两路，一路通过第二 电磁阀与浅层地埋管群的入口相连，另一路接第一水栗，第一水栗的出口接深层地埋管；浅 层地埋管群和深层地埋管的出水口汇合后接第二水栗，第二水栗的出口与蒸发器进水口相 连通，形成封闭循环系统。
[0018] 所述第一电磁阀、第二电磁阀、第一水栗和第二水栗的控制端均与控制器相连。
[0019] 所述冷凝器的进水口或出水口设置有用于控制用户端流量的第三水栗，第三水栗 的控制端与控制器相连。
[0020] -种复合式土壤源热栗系统的控制方法，包括以下步骤：
[0021] 1)当温度传感器检测到冷凝器进出水温差大于18°C时，此时建筑热负荷超过了 浅层地埋管的设计负荷，控制器开启第一电磁阀、第二电磁阀、第一水栗和第二水栗，使浅 层地埋管和深层地埋管联合运行，提高地下换热器的换热性能和整个系统的C0P值；
[0022] 2)当冷凝器进出水温差大于12°C，且小于18°C时，此时建筑热负荷小于浅层地埋 管的设计负荷，这时需要进一步监测浅层地埋管的连续运行时间，以此来判定地埋管的运 行策略：
[0023] 2-1)如果浅层地埋管连续运行时间已经超过两周，这时控制器关闭第二电磁阀以 关闭浅层地埋管，第一电磁阀、第一水栗和第二水栗开启，深层地埋管单独运行，浅层地埋 管恢复一周后，再关闭第一水栗，使浅层地埋管开始单独运行；
[0024] 2-2)如果浅层地埋管的连续运行时间没有超过两周，此时关闭第一水栗，浅层地 埋管单独运行，为整个建筑提供供暖热量；
[0025] 3)冷凝器进出水温差小于12°C时，此时建筑热负荷较小，控制器关闭第一水栗， 使浅层地埋管单独运行。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027] 本发明将浅层地埋管和深层地埋管相结合，从根本上解决了严寒寒冷地区累计冷 热负荷不均衡对地源热栗系统性能的不利影响，扩展了土壤源热栗在严寒寒冷地区的应 用。由于埋管深度加深，且地下高温热源温度保持基本恒定，所以该系统能够长期稳定高 效的运行。本发明节约用地面积。很多建筑在考虑暖通方案时，地源热栗系统是首选（造 价低），但通常室外又没有足够的场地埋管，造成地源热栗系统不能应用。由于深层地埋管 (1500m以下）换热量较大，单根或者和少数埋管就可以满足建筑的用能需求，钻孔量减小， 所以该系统在严寒寒冷地区可以很大程度地节约打孔所需的土地面积。最后，本发明采用 闭式循环系统，没有尾水及尾水回灌的问题，杜绝了尾水的环境污染、过度开采地下水资源 甚至地面沉降等问题。不抽取地下水，防止地下水位下降，节约用水量且与地下水相互隔 离，保护了水资源。本发明深层换热系统稳定、连续、利用效率高、蕴含能量较浅层地热多、 温度也更高等优点，从而导致供热系统性能更好，节能效果更显著。 【【附图说明】】
[0028] 图1为本发明地下换热器平面布置图；
[0029] 图2为本发明的整体结构示意图。
[0030] 其中：1为第一水栗；2为第二水栗；3为第三水栗；4为热栗机组；5为深层地埋 管；6为浅层地埋管群；7为第一电磁阀；8为第二电磁阀。 【【具体实施方式】】
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0032] 为了使浅层地埋管群6与深层地埋管5组合成的地埋管换热器具有较好的换热效 率，并且相邻的管道之间不发生热量交换，本发明需要按照特殊的埋管方式进行布置。浅层 地埋管的钻孔间距为5m，并且浅层地埋管之间按照平行四边形进行布置。深层地埋管与浅 层地埋管群需要隔开一定距离，使得深层地埋管与最近的浅层地埋管的距离不小于6m，具 体布置如图1所示。
[0033] 为了使本发明达到最佳的运行效果与最小的经济投入，提出了适合该系统的运行 控制方案，以实现整个系统的优化运行。本发明是将浅层地埋管与深层地埋管并联起来的 热栗系统，在供冷季，严寒寒冷地区的冷负荷一般较小，建筑负荷全部单独由浅层地埋管承 担。过渡季节，关闭热栗系统，整个地下换热器处于恢复期。在供热季，在并联系统的运行 过程中，根据建筑的负荷变化情况，其运行工况，主要分为以下三种：
[0034] a.浅层地埋管作为单独的供热源，为建筑提供热量。
[0035] b.深层地埋管作为单独的供热源，为建筑提供热量
[0036] c.深层地埋管与浅层地埋管作为联合供热源，为建筑提供热量。
[0037] 本发明主要采用控制器，根据温差对机组运行状态进行控制，同时能够通过调节 第三水栗3控制用户端的流量；本发明的结构示意图如图2所示，在热栗机组4冷凝器的进 水管及出水管处安装温度传感器，在图2的结构示意图中，其安装位置就是在末端用户的 进水管及回水管处。热栗机组运行过程中，检测冷凝器进出水温差，根据温差大小，