耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统及方法

耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统及方法，将被动式太空辐射制冷作为地埋管地源热泵的新型辅助制冷方式，通过廉价的太空辐射制冷有效解决建筑物全年冷热负荷不平衡问题，保障地源热泵系统的高效节能运行。太空辐射制冷器的出口依次经过回流水箱和板式换热器后与太空辐射制冷器的入口连通；地埋管换热器的出口经过地埋管循环水泵后始终与热泵机组换热器的入口连通；热泵机组换热器的出口分别与板式换热器的入口或地埋管换热器的入口连通，且在热泵机组换热器与板式换热器入口连通的管路上设有仅在夜间制冷开启的阀门II，在热泵机组换热器与地埋管换热器的入口连通的管路上设有仅在在夜间制冷关闭的阀门I。
【专利说明】耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种将被动式太空辐射制冷与地埋管地源热泵耦合的系统及方法，属于建筑环境与设备工程、建筑热环境及制冷工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，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通过循环液在封闭的地下埋管中流动，在实现高效换热的同时保护了宝贵的地下水资源。目前许多国际机构及政府均把推广应用地埋管地源热泵作为节约能源、减少CO2排放和改善环境问题的重要手段。地埋管地源热泵技术利用大地热容量巨大及地下土壤温度相对稳定的特性，通过闭环式地埋管换热器夏季向土壤释放热量、冬季从土壤吸收热量，通过热泵实现对建筑物供冷供热。
[0003]然而，以节能环保著称的地埋管地源热泵技术在推广应用中遇到了建筑物冷热负荷平衡性方面的障碍。我国横跨暖温带和亚热带，大量建筑物尤其是商用建筑属于冷负荷占优型建筑物，即其全年冷负荷之和大于全年热负荷之和。在冷负荷占优型建筑物中使用地埋管地源热泵技术时，单一的地埋管换热器作为热泵系统的冷热源将使夏季向土壤的排热量大于冬季从土壤的吸热量，长期运行后会使多余热量在地埋管换热器周围土壤中积聚，造成土壤温度的升高，进而使热泵夏季进水温度升高，导致整个系统运行效率降低，甚至使系统失效。解决问题并扫清障碍的关键在于使地埋管换热器所承担的全年冷热负荷平衡，使用其他辅助制冷方式来排除建筑物不平衡的冷负荷。
[0004]现存的地埋管地源热泵技术的辅助制冷方式集中于使用冷却塔向空气中排除不平衡的建筑物冷负荷。但在实际运行中，一些建筑物由于所处地段、外观要求、节水要求、噪音控制等条件限制不适合使用冷却塔，要在这些冷负荷占优型建筑物内使用节能环保的地埋管地源热泵技术，必须寻求更合适、更节能的辅助制冷方式。
[0005]太空夜间辐射制冷现象得益于地表平面与太空(接近于绝对零度)之间的红外电磁辐射热交换。地球表面的大气层对于波长在8?13μπι之间的红外辐射是接近完全透过的。因此，对于在此波长范围内表面发射率高的物体，可有效利用夜间太空作为免费冷源以释放自身热量。作为一种有效、廉价的被动式自然冷却方式，太空夜间辐射制冷技术得到了各界研究者越来越多的关注，但由于其只能夜间运行、制冷量与建筑物冷负荷不匹配以及性能受天气条件影响较大等原因，太空夜间辐射制冷不适合作为主动式制冷系统的稳定冷源。

【发明内容】

[0006]为了解决现有技术存在的缺点，本发明提出将被动式的太空辐射制冷与主动式的地埋管地源热泵技术耦合，将被动式太空辐射制冷作为地埋管地源热泵系统的新型辅助制冷方式，通过廉价的太空自然冷却方式有效解决建筑物全年冷热负荷不平衡问题，保障地埋管地源热泵系统的全年高效运行，扩大这种节能技术的应用范围。[0007]本发明采用的技术方案如下:
[0008]耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，包括以红外热辐射方式释放热量的太空辐射制冷器、热泵机组和埋设于土壤中的地埋管换热器，且将太空辐射制冷器耦合于地埋管地源热泵系统中，系统中冷却水管路的连接方式:所述的太空辐射制冷器的出口依次经过回流水箱和换热器后与太空辐射制冷器的入口连通；所述的地埋管换热器的出口经过地埋管循环水泵后始终与热泵机组换热器I的入口连通；热泵机组换热器I的出口分别与换热器的入口或地埋管换热器的入口连通，且在热泵机组换热器I与换热器入口连通的管路上设有仅在夜间制冷开启的阀门II，在热泵机组换热器I与地埋管换热器的入口连通的管路上设有仅在在夜间制冷关闭的阀门I;同时，热泵机组换热器I又通过制冷剂环路依次与膨胀机构1、热泵机组换热器I1、压缩机、和过热降温器连通。
[0009]所述的太空辐射制冷器，包括一个金属框架，在所述的金属框架上设有一个或多个辐射制冷器模块，所述的辐射制冷器模块为两张镀锌钢板组成，且两个镀锌钢板之间形成供冷却水流动的间隙；所述的两个镀锌钢板长度方向的两端分别连通冷却水分水器和冷却水集水器，所述的冷却水分水器与冷却水入口连通，冷却水集水器与冷却水出口连通；宽度方向两端采用无铆钉压铆加胶粘剂连接。
[0010]所述的热泵机组换热器I在供冷工况为冷凝器，供热工况为蒸发器；所述的热泵机组换热器II供冷工况为蒸发器，供热工况为冷凝器。
[0011]在热泵机组换热器II，热泵机组换热器I连通的管路上还设有与膨胀结构I并联的膨胀机构II ;所述的热泵机组换热器II连接在用户侧循环水管路上，通过制冷剂与用户侧循环水的热量交换实现对空调房间的冬季供热和夏季供冷，在用户侧循环水管路上设有冷冻水循环水泵、温度传感器、流量传感器。
[0012]所述的换热器与地埋管换热器的入口连通管路上串联有温度传感器。
[0013]所述的地埋管换热器的出口与热泵机组换热器I的入口连接管路上串联有地埋管循环水泵、温度传感器。
[0014]热泵机组换热器I的出口与地埋管换热器的入口连通，在其连通的管路上设有控制阀I。作为辅助制冷源，所述的热泵机组换热器I的出口还通过旁通管路及控制阀II与板式换热器的入口连接。
[0015]热泵机组换热器1、热泵机组换热器II的入口、出口依次连通，在其连通的管路上设有膨胀结构、压缩机、过热降温器。
[0016]所述的过热降温器与生活热水箱连通；
[0017]所述的耦合太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统的控制方法如下:
[0018]冬季供热工况时，太空辐射制冷器不工作，阀门I开启，阀门II关闭；热泵机组压缩机出口的高温高压制冷剂首先在过热降温器中向生活热水放热，然后进入热泵机组换热器II (冷凝器)通过热媒水向建筑物内空调空间供热，经膨胀机构II后进入热泵机组换热器I (蒸发器)通过地埋管换热器中的循环水从土壤吸收热量。
[0019]夏季供冷工况白天运行时，太空辐射制冷器不工作，此时阀门I开启，阀门II关闭；热泵机组压缩机出口的高温高压制冷剂首先在过热降温器中向生活热水放热，然后进入热泵机组换热器I (冷凝器)通过地埋管换热器中的循环水向土壤释放热量，随后经膨胀机I后进入热泵机组换热器II (蒸发器)通过冷冻水向建筑物内空调房间供冷；夜间运行太空辐射制冷器时，太空辐射制冷器工作，阀门I关闭，阀门II开启，太空辐射制冷循环水泵开启，使冷却水流经安装于屋顶的太空辐射制冷器，通过辐射换热向太空释放不平衡部分建筑冷负荷。
[0020]如整个系统是夜间持续供冷的连续运行条件时，由热泵机组冷凝器I流出的高温冷却水先经由换热器通过太空辐射制冷器带走部分热量后流入地埋管换热器继续向土壤放热。如整个系统是夜间停止供冷的间歇运行条件时，仅地埋管循环水泵和辐射制冷器循环水泵联合运行，将土壤中积聚的热量通过太空辐射制冷器排除。白天日出后停止运行太空辐射制冷器，开启阀门I，关闭阀门II，关闭太空辐射制冷循环水泵，使太空辐射制冷器中的冷却水在重力作用下流至回流水箱。
[0021]在白天停止运行期间，太空辐射散热器内部是无水状态以减小散热器的热容量，增加散热器夜间的有效散热量。
[0022]本发明的有益效果如下:
[0023]太空辐射制冷器的性能随其内部冷却水流速的增大而升高，但流速过大又会增加循环水泵的能耗，因此存在太空辐射制冷器的冷却水经济流速。经模拟比较，一般工况下此经济流速为0.5kg/s左右。另一方面，太空辐射制冷器的性能取决于云层厚度、云层高度、露点温度等天气条件。为实现高效运行，应尽可能地在晴朗少云且露点温度低的夜间开启太空辐射制冷器。如果夏季供冷期内由于天气条件等限制未能通过太空辐射散热器完全将不平衡冷负荷排除，也可以在冬季供热期过后的春季夜晚开启地埋管循环水泵和辐射制冷器循环水泵，通过其联合运行，在较好天气条件下将土壤中积聚的多余热量有效排至太空。
[0024]此外，采用耦合被动式太空辐射制冷后，地埋管地源热泵技术可以依据冷负荷占优型建筑物的较小的热负荷设计地埋管换热器，减小了地埋管换热器的埋管总长度，降低了系统的初投资和埋管占地面积。根据国内外详尽调研，耦合被动式太空辐射制冷与主动式地埋管地源热泵的技术尚未被提及。
[0025]将被动式太空辐射制冷与地埋管地源热泵耦合首先需要设计出在地源热泵冷却水温度范围内具有高辐射制冷性能和低成本的太空辐射制冷器。其次地埋管换热器和太空辐射制冷器两种散热方式实现散热的原理不同，能耗效率不同，且性能取决于不同的环境参数。要将太空辐射制冷器与地埋管换热器耦合为一个全生命周期内节能高效的系统，亟需优化设计和运行的技术来实现地埋管换热器和太空辐射制冷器之间合理的容量匹配及运行控制。因此，本发明技术主要包含太空辐射散热器的设计、辐射制冷量的计算方法、耦合被动式太空辐射散热器的地源热泵系统的设计及运行方案。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1太空辐射制冷器构造图；
[0027]图2为图1的B-B视图；
[0028]图3为图1的A-A视图；
[0029]图4太空辐射制冷器模拟计算流程图；
[0030]图5耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统原理图；
[0031]图中:1-1冷却水分水器，1-2冷却水集水器，1-3保温材料，1-4金属框架，1-5镀锌钢板，1-6凹陷点，1-7冷却水入口，1-8冷却水出口，I太空辐射制冷器，2回流水箱，3太空辐射制冷循环水泵，4换热器，5阀门1，5’阀门II，6地埋管换热器，7地埋管循环水泵，8热泵机组换热器1，9膨胀机构1，9’膨胀机构II，10热泵机组换热器II，11用户侧循环水泵，12压缩机，13过热降温器，14生活热水箱，15建筑地面，16生活用热水设备，17空调房间，18建筑屋顶，19温度传感器，20流量传感器。
【具体实施方式】
[0032]根据传热分析结果，在热泵机组冷却水温度范围内工作的太空辐射制冷器需要尽可能地加强材料发射率，并且尽量增大冷却水与外界的相对换热面积以实现较高的制冷性能。与结构复杂的辐射制冷装置相比，简单的平板结构具有相当的辐射制冷能力，且更易加工、安装和维护，具有更高的性价比。因此，本发明公开了一种构造简单的辐射制冷器模块，如图1-3所示，工程中可选用一个或多个制冷器模块承担实际所需辐射制冷量，包括一个金属框架1-4，在所述的金属框架1-4上至少设有一个辐射制冷器模块，辐射制冷器模块包括为两个镀锌钢板1-5，且两个镀锌钢板1-5之间形成供冷却水流动的间隙；所述的两个镀锌钢板1-5长度方向的两端分别连通冷却水分水器1-1和冷却水集水器1-2，所述的冷却水分水器1-1与冷却水入口 1-7连通，冷却水集水器1-2与冷却水出口 1-8连通；宽度方向两端采用无铆钉压铆加胶粘剂连接。在镀锌钢板与金属框架平行的面之间设有保温材料1_3 ο
[0033]由于镀锌钢板价廉易得，导热系数大，且在红外辐射波段有较高发射率，因此本发明中的辐 射制冷器模块选用厚度为1mm的镀锌钢板制作。为了增大冷却水的相对散热面积，本发明使冷却水在间距为5mm的两张镀锌钢板形成的空隙间流动。钢板长度方向两端通过外径为40_的分集水器与冷却水管路连接，宽度方向两端采用无铆钉压铆加胶粘剂连接。如图1所示，镀锌钢板上分布一些凹陷点1-6通过加强流动扰动来强化冷却水与钢板间的传热。
[0034]为了进一步增强夜间的太空辐射制冷及减少白天的太阳辐射得热，本发明考虑经济性后在上层镀锌钢板外涂白色二氧化钛(8~13 μ m的红外发射率ε ^ 0.94)。
[0035]为了适应不同的辐射制冷量和安装条件，每个辐射制冷器模块长度可在I~3m之间调整，宽度可在0.5~2m之间调整。各辐射制冷器模块之间采用镀锌钢管并联连接，根据水力计算确定镀锌钢管管径。
[0036]根据辐射换热空间热阻的特性,辐射表面与太空平行时的空间热阻最小,辐射换热性能最佳。因此，太空辐射制冷器的最佳安装方式是平铺于建筑物屋顶上。
[0037]另一方面，太空辐射制冷器的性能取决于云层厚度、云层高度、露点温度等天气条件。为实现高效运行，应尽可能地在晴朗少云且露点温度低的夜间开启太空辐射制冷器。如果夏季供冷期内由于天气条件等限制未能通过太空辐射散热器完全将不平衡冷负荷排除，也可以在冬季供热期过后的春季夜晚开启地埋管循环水泵和辐射制冷器循环水泵，通过其联合运行，在较好天气条件下将土壤中积聚的多余热量有效排至太空。
[0038]太空辐射制冷器的解析解传热模型的设计方法如下:
[0039]太空辐射制冷器在运行时，冷却水由入口流入，在镀锌钢板夹层间流动并主要通过制冷器与太空间的辐射换热释放出多余热量，降低自身温度后流出。根据传热特性分析，太空辐射制冷器适合在晴朗或少云的夜间条件下运行。[0040]综合考虑计算模型的准确性和实用性后，本发明在以下几点假设的基础上建立了解析解传热模型以模拟太空辐射制冷器在不同工况下的运行参数:
[0041](I)由于稳定运行后温度场变化相对缓慢，太空辐射制冷器的传热可视为稳态过程。
[0042](2)由于保温层的存在，可认为热辐射和少量的热对流只发生在太空辐射制冷器的上表面，忽略其他部位传热。
[0043](3)太空辐射制冷器内部的冷却水通道厚度很小，冷却水和热量可认为只沿着水流方向一维传播。
[0044](4)涂了二氧化钛涂层的太空辐射制冷器上表面可视为红外发射率为0.94的灰体。
[0045](5)由于镀锌钢板的热扩散系数大，太空辐射制冷器的上表面可视为等温表面。[0046]基于上述假设条件，根据传热基本理论可推导出冷却水向太空辐射制冷器上表面的传热量、太空辐射制冷器上表面与周围空气的对流散热量、太空辐射制冷器上表面与太空间的辐射散热量的传热表达式。根据太空辐射制冷器的热量平衡将各传热表达式联立，可得到太空辐射制冷器的制冷量及冷却水出口水温的解析解。此解析解传热模型可用于太空辐射制冷器的模拟和设计计算，其迭代法计算流程如图4所示，具体包括以下步骤:
[0047]步骤(1)开始；
[0048]步骤(2)获取室外气象数据，包括空气温度Ta、空气相对湿度RH、大气压力P、风速Ua、太空红外辐射强度Ris，使用插值法计算出空气的导热系数匕、运动粘度Va和普朗特数Pra,并根据斯蒂芬-玻尔茨曼定律计算出太空等效温度Ts，
[0049]7；=?^1式中σ =5.67Χ 10_8W/(m2.K4)为斯蒂芬_玻尔茨曼常量；
KO-J
[0050]步骤(3)获取太空辐射制冷器的结构参数，包括太空辐射制冷器的长度L和宽度W，所采用镀锌钢板的厚度δ和导热系数ks，以及镀锌钢板外侧二氧化钛涂层的红外发射率
ε ;
[0051]步骤(4)获取太空辐射制冷器的冷却水流量m ；
[0052]步骤(5)根据连续性方程计算太空辐射制冷器内的冷却水流速Uf，
[0053]uf = m/ (L.W)；
[0054]步骤(6)获取太空辐射制冷器的冷却水入口水温Tfi ；
[0055]步骤(7)假设太空辐射制冷器的冷却水出口水温为TfM ；
[0056]步骤(8)设置迭代次数IT=O ；
[0057]步骤(9)计算太空辐射制冷器内冷却水平均温度Tm，
[0058]Tffl=0.5*(Tfi+Tfoa)；
[0059]步骤(10)使用插值法计算水温Tni对应的冷却水的物理性质，包括冷却水的比热容cp、导热系数kf、运动粘度vf和普朗特数Prf;
[0060]步骤(11)计算太空辐射制冷器上层镀锌钢板外壁面与周围空气间的对流换热系数hi ；
【权利要求】
1.耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:包括以红外热辐射方式释放热量的太空辐射制冷器、热泵机组和埋设于土壤中的地埋管换热器，且将太空辐射制冷器耦合于地埋管地源热泵系统中，系统中冷却水管路的连接方式:所述的太空辐射制冷器的出口依次经过回流水箱、换热器后与太空辐射制冷器的入口连通；所述的地埋管换热器的出口经过地埋管循环水泵后始终与热泵机组换热器I的入口连通；热泵机组换热器I的出口分别与换热器的入口或地埋管换热器的入口连通，且在热泵机组换热器I与换热器入口连通的管路上设有仅在夜间制冷开启的阀门II，在热泵机组换热器I与地埋管换热器的入口连通的管路上设有仅在在夜间制冷关闭的阀门I;同时，热泵机组换热器I又通过制冷剂环路依次与膨胀机构1、热泵机组换热器I1、压缩机、和过热降温器连通。
2.如权利要求1所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:所述的太空辐射制冷器包括一个框架，在所述的框架上设有一个或多个辐射制冷器模块，所述的辐射制冷器模块包括两个用于导热的金属板；且两个金属板之间形成供冷却水流动的间隙；所述的两个金属板长度方向的两端分别连通冷却水分水器和冷却水集水器，金属板宽度方向两端直接连接；且所述的冷却水分水器与冷却水入口连通，冷却水集水器与冷却水出口连通。
3.如权利要求2所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:所述的金属板为镀锌钢板，在所述的镀锌钢板上设有规则分布的点状凹陷；在镀锌钢板与金属框架平行的面之间设有保温材料。
4.如权利要求2所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:所述的辐射制冷器模 块为多块时，辐射制冷器模块之间采用镀锌钢管并联连接。
5.如权利要求1所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:所述的热泵机组换热器I在供冷工况时为冷凝器，供热工况时为蒸发器；所述的热泵机组换热器II供冷工况时为蒸发器，供热工况时为冷凝器。
6.如权利要求1所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:在热泵机组换热器II，热泵机组换热器I连通的管路上还设有与膨胀结构I并联的膨胀机构II ;所述的热泵机组换热器II连接在用户侧循环水管路上，通过制冷剂与用户侧循环水的热量交换实现对空调房间的冬季供热和夏季供冷，在用户侧循环水管路上设有冷冻水循环水泵、温度传感器、流量传感器。
7.如权利要求1所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:所述的太空辐射制冷器的出口与换热器的连通管道上串联循环水泵、温度传感器；所述的换热器与地埋管换热器的入口连通管路上串联有温度传感器；所述的地埋管换热器的出口与热泵机组换热器I的入口连接管路上串联有地埋管循环水泵、温度传感器。
8.如权利要求1所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统，其特征在于:所述的热泵机组换热器I的出口与换热器的入口连接管道上串联有温度传感器、流量传感器、控制阀II;且热泵机组换热器I的出口与地埋管换热器的入口连通，在其连通的管路上设有控制阀I。
9.如权利要求f8任一所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统的控制方法，其特征在于: 冬季供热工况时，太空辐射制冷器不工作，阀门I开启，阀门II关闭；热泵机组压缩机出口的高温高压制冷剂首先在过热降温器中向生活热水放热，然后进入作为冷凝器的热泵机组换热器II，通过热媒水向建筑物内空调空间供热，经膨胀机构II后进入作为蒸发器的热泵机组换热器I，通过地埋管换热器中的循环水从土壤吸收热量； 夏季供冷工况白天运行时，太空辐射制冷器不工作，此时阀门I开启，阀门II关闭；热泵机组压缩机出口的高温高压制冷剂首先在过热降温器中向生活热水放热，然后进入作为冷凝器的热泵机组换热器I通过地埋管换热器中的循环水向土壤释放热量，随后经膨胀机构I后进入作为蒸发器的热泵机组换热器II通过冷冻水向建筑物内空调房间供冷；夜间运行太空辐射制冷器时，太空辐射制冷器工作，阀门I关闭，阀门II开启，太空辐射制冷循环水泵开启，使冷却水流经安装于屋顶的太空辐射制冷器，通过辐射换热向太空释放不平衡部分建筑冷负荷；白天日出后停止运行太空辐射制冷器，开启阀门I，关闭阀门II，关闭太空辐射制冷循环水泵，使太空辐射制冷器中的冷却水在重力作用下流至回流水箱。
10.如权利要求9所述的耦合被动式太空辐射制冷的地埋管地源热泵系统的控制方法，其特征在于: 夏季供冷时，若整个系统是夜间持续供冷的连续运行条件时，由热泵机组冷凝器I流出的高温冷却水先经由换热器通过太空辐射制冷器带走部分热量后流入地埋管换热器继续向土壤放热； 若整个系统是夜间停止供冷的间歇运行条件时，仅地埋管循环水泵和辐射制冷器循环水泵联合运行，将土壤中积聚的热量通过太空辐射制冷器排除。
【文档编号】F25B27/00GK103925735SQ201410123527
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月28日 优先权日:2014年3月28日
【发明者】满意, 杨文斐, 张珊珊, 方肇洪 申请人:山东中瑞新能源科技有限公司