一种地源回复系统和方法与流程

本发明涉及一种优先利用自然能源、优化地源热泵的跨季节蓄能性能、修复由于负荷不均衡导致的热堆积或冷堆积，实现高效、低成本运行的制冷/制热的系统和方法。属于自然能源利用、制冷/制热热泵或空调系统设计和制造的技术领域。

背景技术：

建筑能耗是指建筑使用过程中的能耗，包括采暖、空调、照明、热水、家用电器和其他动力能耗。其中，以采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的50%至70%。

设计节能建筑的暖通空调系统，如何减少一次高品位能的利用是一个关键性技术问题。利用在土壤、太阳能、水、空气中的低品位热能无疑是一种成功的节能措施，热泵技术是目前实现这一目标的最佳选择。通过输入较少的高品位能源把低品位自然能源提升为适合建筑用能的高品位能源（如制冷、采暖、生活热水）。

根据热泵系统的热力循环方式，通常将热泵分为蒸汽压缩式热泵、气体压缩式热泵、蒸汽喷射式热泵、吸收式热泵、热电式热泵。其中，蒸汽压缩式热泵是在目前研究和使用最为普遍的方式，按照其使用的低温热源的种类，基本都属于空气源热泵、地源热泵、水源热泵和太阳能热泵四种类型。

其中，地源热泵：利用地表浅层中蓄存的低品位热能（土壤、地层）作为热源，冬季热泵从浅层的土壤中取热，用于建筑供暖，同时蓄存冷量以备夏用；夏季热泵逆向运行，将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量以备冬用，因此这是一种典型的可以再生的能源。优点是技术成熟；热泵运行高效、稳定，对周围环境影响较小，维护费用低。缺点是：地下埋管内的载能流体与管外的土壤之间的换热系数小，能流密度低，因此系统将占据较大的地下和地上空间，初始投资较高。

空调和热泵一般采用能效比做为评判效率高低的依据，制热时采用的指标是循环性能系数COP(Coefficient of Performance)；制冷时采用的指标是能效比EER（Energy Efficiency Ratio）。地源热泵的能效比受环境因素的影响较小，能效比数值在4至6之间。

但是，正如参考文件1中所述，“土壤热平衡问题对于跨季节蓄能型地源热泵系统的长期运行效率及其节能与环保性至关重要。”；“以一年为时间周期全年运行状况为夏季蓄能(放热)运行4个月，秋季恢复3个月，冬季释能(取热)运行3个月，春季又恢复2个月，从而完成全年运行周期”。

由此可见，现有的跨季节蓄能型地源热泵系统，主要依靠自然恢复方式，在过渡季节修复土壤的热平衡。这样存在以下的问题：

1、过渡季节的自然恢复过程，效率较低，容易导致的热堆积或冷堆积；

2、为了维持全年运行后土壤温度恢复，取放热不平衡率可控制在1.2至1.3，这样就限制了系统的应用范围；

3、如参考文件2中所述，可以采取一些措施解决热失衡的问题，但现有解决热失衡的辅助手段，会导致系统的初投资和运行费用的增加。

参考资料：

1．跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性

作者：杨卫波、陈振乾、施明恒 东南大学学报(自然科学版)第40卷第5期 2010年9月

2．地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施 作者：徐成 区域供热2015.3期。

技术实现要素：

为改善地源热泵的稳定性、消除热失衡对其长期运行的不利影响，本发明优先利用自然能源，包括空气能和太阳能，在过渡季节通过自然换热的方式吸取自然能源中的冷/热量，并通过循环工质将冷/热量输送到地源内储存，克服自然恢复过程效率低的问题。

具体技术方案为：本发明包括包括地埋管2、循环泵3、自然能源换热器4，地埋管2、循环泵3、自然能源换热器4形成循环回路，通过自然换热循环吸取自然能源中的冷/热量输送到地源内储存。该系统可以与地源热泵主机1配合应用，或作为低位冷/热源直接应用于暖通空调系统。

本发明中优先利用自然通风的风能，通过自然能源换热器4吸取空气中的冷/热量，当风力不足时，开启风机5增强换热能力。

在制热季节前的过渡季节中，可以利用太阳能提高换热量：

将自然能源换热器4设置于太阳辐照强的地方，使得自然能源换热器4能够自然吸取太阳能；

或者，设置太阳能光热模块6，吸取热能并通过换热器7与自然能源换热器4进行热交换，再将热能传递到地源内储存。

本发明的地源热泵系统运行模式是：

1、当系统的冷/热负荷不平衡率较高时（大于1.4），过渡季节的自然换热过程为单向补充冷量或热量，用于消除地源侧单向的热堆积或冷堆积；

2、当系统的冷/热负荷不平衡率较低时（小于1.4），过渡季节的自然换热过程为双向运行，制热季节前补充冷量、制热季节前补充热量，用于双向提高地源侧的蓄热/蓄冷能力，以缩减地源侧的换热体积，降低初始投资。

本发明的地源热泵系统运行方法是：

1、在制冷季节前的过渡季节中，主要利用空气能进行换热，将自然能源换热器4设置于自然通风良好的地方，首先检测环境温度是否低于地源侧的平均温度，当环境温度低于地源侧的平均温度时开启自然换热循环，由自然能源换热器4吸取空气中的冷量、并输送到地源内储存；运行过程中，检测自然能源换热器4的进回水温度，当进回水温差降低时，开启风机5增加通过自然能源换热器4的空气流量、增强换热能力，并根据进回水温差变大/变小相应的将风机5的送风量调小/调大；

2、在制热季节前的过渡季节中，首先利用空气能进行换热，将自然能源换热器4设置于自然通风良好的地方，首先检测环境温度是否高于地源侧的平均温度，当环境温度高于地源侧的平均温度时开启自然换热循环，由自然能源换热器4吸取空气中的冷/热量、并输送到地源内储存；运行过程中，检测自然能源换热器4的进回水温度，当进回水温差降低时，开启风机5增加通过自然能源换热器4的空气流量、增强换热能力，并根据进回水温差变大/变小相应的将风机5的送风量调小/调大。

3、在制热季节前的过渡季节中，可以充分利用太阳能提高换热效率，或者可以利用余热、废热资源为地源侧补充热量。

本发明的有益效果是：

1、充分利用自然能源消除冷/热堆积，主要能源消耗为循环泵的电能消耗和少量的换热风机运行电能消耗，运行成本很低；

2、过渡季节的自然换热可以利用的时间较长，能够补充的冷/热量总量较大，因此地源热泵系统可以更好的应用于冷/热负荷不平衡率很高的项目中；

3、通过过渡季节的自然换热可以提高地源侧的蓄热/蓄冷能力，因此可以适当缩减地源侧的换热体积，降低初始投资。

附图说明

附图1：现有地源热泵系统结构图

附图2：在制冷季节前的过渡季节中运行结构图（空气能换热）

附图3：在制热季节前的过渡季节中运行结构图（空气能换热）

附图4：在制热季节前的过渡季节中运行结构图（太阳能光热模块换热）

其中：1a为暖通空调末端系统； 3a、3b为三通阀。

具体实施方式

实施例1：

在制冷季节前的过渡季节中，夜间或阴雨天时，环境温度较低，与地源侧的平均温度相比至少低5至10度。此时，自然能源换热器4为气/液热交换式换热器，利用空气能进行换热（如图2所示）。

首先关闭地源热泵主机1，通过三通阀3a、3b切换回路、并启动循环泵3，由地埋管2、循环泵3、自然能源换热器4形成循环回路。将自然能源换热器4设置于自然通风良好的地方，优先利用自然风能冷却循环工质，通过地埋管2将冷量输送到地源侧储存。运行过程中，检测自然能源换热器4的进回水温度，当进回水温差很小时，表明换热能力不足，此时应开启风机5增加通过自然能源换热器4的空气流量、增强换热能力。

实施例2：

在制热季节前的过渡季节中，天气晴好、太阳辐照较强时，环境温度较高，与地源侧的平均温度相比至少高5至10度。此时，自然能源换热器4为气/液热交换式换热器，利用空气能进行换热。（如图3所示）

首先关闭地源热泵主机1，通过三通阀3a、3b切换回路、并启动循环泵3，由地埋管2、循环泵3、自然能源换热器4形成循环回路。将自然能源换热器4设置于自然通风良好、太阳辐照较强的地方，优先利用自然风能加热循环工质，通过地埋管2将热量输送到地源侧储存。运行过程中，检测自然能源换热器4的进回水温度，当进回水温差很小时，表明换热能力不足，此时应开启风机5增加通过自然能源换热器4的空气流量、增强换热能力。

实施例3：

在制热季节前的过渡季节中，可以利用设置太阳能光热模块6，快速吸取热能并通过热交换传递给自然能源换热器4。与太阳能光热模块6的换热过程可以采用直接换热和间接换热两种方式。直接换热效率更高，间接换热稳定性较好。

首先关闭地源热泵主机1，通过三通阀3a、3b切换回路、并启动循环泵3，由地埋管2、循环泵3、自然能源换热器4形成循环回路。太阳能光热模块6通过循环工质将热量输送到换热器7中，此时，自然能源换热器4和换热器7为液/液热交换式换热器组合。通过太阳能光热模块6产生的制热工质温度至少在30度以上、比地源侧的平均温度高很多，换热效率较高（如图4所示）。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。