地源热泵水平与垂直复合式地埋管系统及适用性判定方法与流程

本发明属于土壤源热泵技术领域，具体涉及一种适用于寒冷地区中南部和夏热冬冷地区的复合式地埋管系统。

背景技术：

地源热泵技术是一项高效、环保的可再生能源技术，其中以地埋管热泵系统应用最为普遍。

地埋管热泵系统又叫土壤源热泵系统，是指利用地埋管换热器与土壤进行热交换的热泵系统，该系统埋管形式主要有垂直式和水平式两种。水平式地埋管换热系统通过埋置于地表面以下2m～4m的水平埋管与土壤进行冷热交换，垂直式地埋管换热系统通过垂直钻孔，将换热地埋管埋置在50m～400m深的岩土体中与土壤进行冷热交换，一般埋深为100m～120m。与水平式地埋管系统相比，虽然垂直式系统初投资和施工难度相对较高，但是占地面积较小，而且埋管周边土壤温度常年保持相对稳定，换热效率较高，因此在实际工程中应用广泛。

对于垂直式地埋管系统而言，长期运行下土壤的热平衡在很大程度上影响系统的运行效果。当系统从土壤的取热量和排热量差异较大时，有可能对土壤形成热积聚或冷积聚，即，长期运行土壤温度会持续升高或持续降低。当地源热泵系统夏季制冷向土壤的累计排热量远大于冬季供热从土壤的累计取热量时，如果土壤的恢复能力不足以抵消这种差异，就会出现土壤温度逐年升高，系统能效逐年降低的趋势，严重影响制冷效果。因此，实现土壤的热平衡对于保证系统的高效运行至关重要。

当地源热泵系统制冷季向土壤的累计排热量远大于供热季从土壤的累计取热量时，为了实现土壤的热平衡，目前的常规做法是利用冷却塔承担一部分机组的排热量，从而减少机组制冷时向土壤的排热量，形成冷却塔地源热泵复合式系统。

冷却塔与地源热泵的联合运行可以有效缓解土壤的热不平衡问题，改善机组运行效率。冷却塔中的换热介质是冷却水和室外空气，换热效果受气象因素的影响较大，理想条件下的冷却水最低出水温度为室外空气的湿球温度，从经济角度一般取3～5℃的冷幅高，即冷却塔出水温度高于湿球温度3～5℃。在以冷负荷为主的地区，供冷季湿球温度通常在20℃～30℃之间，而地下2m左右土壤温度通常在15℃～23℃之间，因此从增大换热温差的角度，如果能够利用埋深较浅的水平埋管替代冷却塔进行热平衡，可以有效降低冷却水温度，提高机组能效。鉴于此，本发明提出一种基于土壤热平衡的地源热泵水平与垂直耦合式地埋管复合系统形式。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，针对某些垂直式地埋管热泵系统由于取/排热量的严重不平衡会造成土壤热积聚的问题，本发明旨在提出一种基于土壤热平衡的水平与垂直复合式地埋管系统，代替常规的冷却塔与垂直埋管的复合式系统。与常规的冷却塔与垂直埋管复合式系统相比，本发明以降低初投资和提高系统运行能效为目的来实现土壤的热平衡。为此，本发明采用的技术方案是，地源热泵水平与垂直复合式地埋管系统适用性判定方法，复合式地埋管系统为采用水平式埋管与垂直式埋管的并联方式、水平式埋管与垂直式埋管的串联方式或水平式埋管与垂直式埋管的各自独立连接方式；对于并联连接方式，通过阀门开闭切换实现3种运行方式：第一个阀门开启且第二个阀门关闭为垂直埋管单独运行；第一个阀门关闭且第二个阀门开启为水平埋管单独运行；第一个、第二个阀门同时开启为水平与垂直埋管换热联合运行；对于串联连接方式，通过阀门开闭切换实现2种运行方式：第一个阀门开启且第二个阀门关闭为垂直埋管单独运行；第一个阀门关闭且第二个阀门开启为水平与垂直埋管换热联合运行；复合式地埋管系统适用性判定的步骤如下：

(1)根据冬季峰值热负荷确定垂直埋管数量；

(2)根据垂直埋管占地面积确定最大水平埋管数量及能够承担的最大冷热负荷；

(3)校核该垂直埋管数量是否满足夏季峰值冷负荷需求，如满足需求，执行步骤5；

(4)校核垂直埋管与水平埋管共同运行是否满足夏季峰值冷负荷需求，如满足需求，执行步骤6，否则判定项目不适用该复合式系统；

(5)从节省初投资角度，利用水平埋管承担部分冬季的峰值热负荷，以峰值热负荷与水平埋管承担的热负荷差值作为垂直埋管承担的热负荷，重新计算峰值热负荷下所需的垂直埋管数量；

(6)根据土壤的热平衡性判定该复合式系统的适用性，当运行年限内土壤温升不超过允许阈值，判定项目适用该复合式系统，否则判定项目不适用该复合式系统。

地源热泵水平与垂直复合式地埋管系统，由水平式埋管与垂直式埋管构成，水平式埋管与垂直式埋管并联连接。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出的一种基于土壤热平衡的水平与垂直复合式地埋管系统，水平埋管不仅在制冷工况能够负担机组的排热量进行土壤的热平衡，而且在冬季峰值热负荷下能够承担一部分机组取热量，从一定程度上减少所需埋管数量，实现双工况运行，降低初投资。

附图说明：

图1水平埋管与垂直埋管的并联连接方式示意图。

图2水平埋管与垂直埋管的串联连接方式示意图。

图3水平埋管与垂直埋管的独立连接方式示意图。图中：

1热泵机组 2用户 3垂直式地埋管 4水平式地埋管

5用户侧水泵 6地源侧垂直埋管水泵 7地源侧水平埋管水泵

8换热器 9、10阀门。

具体实施方式

针对寒冷地区中南部和夏热冬冷地区夏季排热量大于冬季取热量的特点，本发明提出一种基于土壤热平衡的水平与垂直复合式地埋管系统，利用水平式埋管负担一部分机组夏季制冷的排热量，实现垂直式埋管系统的土壤热平衡，同时在冬季峰值热负荷下承担一部分机组取热量，从一定程度上减少所需埋管数量。

地源侧换热系统包含水平埋管和垂直埋管两部分，以不增大占地面积为前提，该复合式系统的特征之一是水平埋管布置于垂直埋管上方，由此可以确定水平埋管的最大数量、承担的冷热负荷和累计取/排热量。

水平式埋管与垂直式埋管的连接方式可以采用并联方式(见图1)、串联方式(见图2)或独立连接方式(见图3)。对于并联连接，可以通过阀门9和10的开闭切换实现3种运行方式：阀门9开启且阀门10关闭为垂直埋管单独运行；阀门9关闭且阀门10开启为水平埋管单独运行；阀门9和10同时开启为水平与垂直埋管换热联合运行。对于串联连接，可以通过阀门9和10的开闭切换实现2种运行方式：阀门9开启且阀门10关闭为垂直埋管单独运行；阀门9关闭且阀门10开启为水平与垂直埋管换热联合运行

该复合式系统适用性判定的主要步骤如下：

(1)根据冬季峰值热负荷确定垂直埋管数量；

(2)根据垂直埋管占地面积确定最大水平埋管数量及能够承担的最大冷热负荷；

(3)校核该垂直埋管数量是否满足夏季峰值冷负荷需求，如满足需求，执行步骤5；

(4)校核垂直埋管与水平埋管共同运行是否满足夏季峰值冷负荷需求，如满足需求，执行步骤6，否则判定项目不适用该复合式系统；

(5)从节省初投资角度，利用水平埋管承担部分冬季的峰值热负荷，以峰值热负荷与水平埋管承担的热负荷差值作为垂直埋管承担的热负荷，重新计算峰值热负荷下所需的垂直埋管数量；

(6)根据土壤的热平衡性判定该复合式系统的适用性，当运行年限内土壤温升不超过允许阈值，判定项目适用该复合式系统，否则判定项目不适用该复合式系统。