一种浅层地热能分区利用系统及热失恒调控方法与流程

本发明涉及浅层地热能利用，具体涉及一种浅层地热能分区利用系统及热失恒调控方法。

背景技术：

1、目前，地热能、太阳能、风能等绿色能源开发与应用备受重视。其中，利用浅层地热能结合地源热泵进行供暖供能，取热不取水，是地热能环保开发利用的重要形式之一。

2、由于用能末端全年度冷热负荷常常存在不匹配的情形，地源热泵长期运行会导致地温失衡，浅层岩土中产生“冷堆积”或“热堆积”等问题，会导致热泵供能效率逐年下降，影响供能保障能力，严重制约了浅层地热能可持续开发利用。对此，学者们提出了相关解决方案。例如，有学者提出通过空冷塔分流热泵制冷所排放的废热，解决“热堆积”型热失衡，但在高环温下热泵以空冷塔作为源测的制冷能效相对较低；还有学者提出太阳能跨季节蓄热解决北方寒冷或严寒地区“冷堆积”型热失衡，但这类方案限用于太阳能资源相对丰富的地区，且在储热过程中热量的温度品位下降较为显著。

3、专利(cn201520765698.6)公开了一种分区补热的跨季节蓄热地埋管地源热泵，提出在夏季利用空气源热泵将空气热能储存到土壤中解决太阳能匮乏地区“冷堆积”型热失衡，这需要附加配置一套空气源热泵系统。此外，还有一些专利(cn201220134027.6、cn201920709068.5)公开了一些间歇运行、分区运行方案提高地源热泵运行效率，但由于岩土地温自恢复能力比较有限，并未从根本上解决地源热泵长周期运行热失衡问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种浅层地热能分区利用系统及热失恒调控方法，以解决地源热泵供能存在的“冷堆积”或“热堆积”的热失衡问题。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种浅层地热能分区利用系统，包括呈同心圆或同心圆环分布的热失衡补偿区域、横向梯度地温用能区域和地温自恢复区域，热失衡补偿区域、横向梯度地温用能区域和地温自恢复区域从内向外依次设置；

4、横向梯度地温用能区域包括若干地埋管组和热泵，若干地埋管组分布在热失衡补偿区域的周向且分别并联在热泵源侧，地埋管组由若干地埋管和若干支路水平管串联组成；

5、热失衡补偿区域包括储水箱，储水箱连接有热失衡补偿源，储水箱用于跨季节储能以补偿横向梯度地温用能区域的热失衡负荷；

6、地温自恢复区域用于恢复地埋管组外侧的地埋管周围的岩土地温，地埋管组的外侧靠近地温自恢复区域；还包括用能末端，用能末端与热泵负荷侧相连。

7、本发明的原理：

8、源侧出水流入地埋管组，通过支路水平管依次流经串联的地埋管，地埋管从横向梯度地温用能区域的岩土中提取或释放热量，地埋管内水沿其流动方向水温逐步升高或降低，最后流至热泵。则地埋管内水在其流出端的水温最高或最低，即沿其流动方向地埋管内水也就越接近岩土温度，因此地埋管与岩土的热交换就越少，岩土的热失衡负荷越小，使横向梯度地温用能区域岩土的温度呈横向梯度分布。

9、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

10、1、本方案中横向梯度地温用能区域的用能呈梯度分布，通过在中心增设热失衡补偿区域，采用储水箱储能与岩土梯度储能相结合的分区储能方案，补偿横向梯度地温用能区域的热失衡负荷，能有效的解决地源热泵地温失衡的问题。

11、2、本方案通过能量梯级的高效利用，岩土温度呈横向梯度分布，与地埋管组内流体温度分布趋势一致，能减小因传热温差造成的能量品位不可逆损失，提高地埋管的换热效率。

12、3、本方案中还增设地温自恢复区域，使靠近外侧地埋管周围的岩土通过地温自恢复区域辅助恢复地温，使其具有一定的地温自恢复能力，有利于地温自调控，恢复地温平衡。

13、作为本发明优选的实施方式，还包括储水箱进出水第一管路、储水箱进出水第二管路、第三阀门、第四阀门和储能模块，第三阀门和第四阀门分别安装在储水箱进出水第一管路和储水箱进出水第二管路上，储水箱通过储水箱进出水第一管路、储水箱进出水第二管路与热失衡补偿源相连；储能模块在供暖或供冷季环境温度最低或最高时控制第三阀门和第四阀门打开，并控制热失衡补偿源经储水箱进出水第一管路和储水箱进出水第二管路注入储水箱，实现储水箱跨季节储能，以补偿非供暖季的冷负荷或非供冷季的热负荷。

14、作为本发明优选的实施方式，所述储水箱跨季节储冷，储水箱温度记为t1，所需的热失衡补偿源采用如下公式确定：

15、

16、其中，δq为热失衡补偿负荷；η为储水箱(e1)储能系数，η<1；ρ为水的密度；cp为定压比热容，t1”为储水箱(e1)内水能量释放完毕后的温度。

17、作为本发明优选的实施方式，还包括换热盘管、第三补能模块、连接在热泵源侧和地埋管组之间的热泵源侧第一管路、热泵源侧第二管路和热泵源侧第三管路，换热盘管设置在储水箱内并连接在热泵源侧和地埋管组靠近内侧的一端之间，换热盘管两端分别与热泵源侧第一管路和热泵源侧第三管路相连，热泵源侧第一管路上安装有第一阀门和第二阀门，地埋管组靠近内侧的一端位于第一阀门和第二阀门之间，第一阀门用于控制换热盘管与地埋管组靠近内侧的一端的连通，第二阀门用于控制热泵源侧和地埋管组靠近内侧的一端的连通；第三补能模块用于控制第一阀门打开，第二阀门关闭，使换热盘管串联在热泵源侧第一管路和热泵源侧第三管路之间，并控制换热盘管从储水箱中提取或释放热量，以提高或降低来自热泵源侧第一管路的源侧循环水的温度。本方案通过换热盘管从储水箱中提取或释放热量，可进一步提高或降低源侧循环水的温度，进而能提高热泵的制热性系数cop或制冷性系数eer，实现热泵节能运行。

18、作为本发明优选的实施方式，还包括第二补能模块，储水箱进出水第一管路和储水箱进出水第二管路上还分别有储水箱支路第三管路和储水箱支路第四管路，储水箱通过储水箱支路第三管路和储水箱支路第四管路与热泵源侧相连，储水箱支路第三管路和储水箱支路第四管路上分别设置有第七阀门和第八阀门；第二补能模块用于控制第七阀门和第八阀门打开，并控制热泵启动制冷或制热模式，以储水箱中水为冷源或热源运行水源热泵制冷或制热。本方案中储水箱支路第三管路和储水箱支路第四管路连接热泵源侧与储水箱，能使储水箱内水作为冷源运行水源热泵制冷或制热，由于储水箱内水温较高或较低，可以进一步提高或降低源侧循环水的温度，进而提高热泵的制热性系数cop或制冷性系数eer，实现热泵节能运行。

19、作为本发明优选的实施方式，还包括第一补能模块，储水箱进出水第一管路和储水箱进出水第二管路上分别连接有储水箱支路第一管路和储水箱支路第二管路，储水箱通过储水箱进出水第一管路和储水箱进出水第二管路与用能末端相连，储水箱支路第一管路和储水箱支路第二管路上分别设置有第五阀门和第六阀门；第一补能模块用于控制第五阀门和第六阀门打开，并控制储水箱直接给用能末端供能。本方案中储水箱支路第一管路和储水箱支路第二管路用于直接连接用能末端与储水箱，能使储水箱内水直接给用能末端供冷或供暖，储水箱内水通过用能末端热交换设备换热后，水温会升高或降低，而后重新流入储水箱内的水温较高或较低，有利于提高或降低源侧循环水的温度，进而提高热泵的制热性系数cop或制冷性系数eer，实现热泵节能运行。

20、本发明还公开了一种浅层地热能热失恒调控方法，包括以下步骤：

21、s1：确定热失衡补偿负荷δq：

22、根据供暖末端维护结构、当地气象数据，确定用能末端制冷负荷qc和供暖负荷qh；根据岩土热响应测试，获得地埋管延米换热量、岩土初始地温tg,0，以及岩土导热系数、蓄热系数等热物性参数；基于仿真计算，预估所有地埋管全年度的自恢复负荷δqg0；通过能量平衡关系确定热失衡补偿负荷δq；

23、s2：在供暖或供冷季节运行调控：

24、s201：通过地埋管地源热泵制热或制冷模式给用能末端供暖或供冷，热泵保持制热或制冷模式，若干地埋管组周向分布在热失衡补偿区域外侧，地埋管内水流流向从内向外，横向梯度地温用能区域最内侧温度最低或最高；

25、s202：在供暖或供冷季环境温度最低或最高时，热失衡补偿源注入储水箱，通过储水箱跨季节储冷或储热，以补偿非供暖季的冷负荷或非供冷季的热负荷；

26、s3：在非供暖季节或非供冷季节运行调控：

27、s301：储水箱直接供冷或供暖，将储水箱中的热失衡补偿源直接输送至用能末端以供冷或供暖，横向梯度地温用能区域最内侧温度回升或下降；

28、s302：地埋管地源热泵制冷或制热模式给用能末端供冷或供暖，热泵保持制冷或制热模式，地埋管内水流流向从外向内，横向梯度地温用能区域温度整体回升或下降；

29、s303：地埋管与储水箱耦合的地源热泵制冷或制热模式给用能末端供冷或供暖，在热泵源侧和地埋管组靠近内侧的一端之间接入换热盘管，换热盘管进一步降低或提高热泵源侧循环水的温度，横向梯度地温用能区域温度整体回升或下降的同时其最内侧温度进一步回升或下降；

30、s4：在非供暖季节或非供冷季节结束后，根据实际运行数据，对热失衡补偿负荷δq进行修正，直到下一个供暖季节或供冷季节开始，循环重复s2、s3和s4。

31、本方案的原理：

32、1、储水箱直接供冷或供暖，储水箱中的水输送至用能末端，与用能末端的热交换设备换热，将冷量释放后，水被加热，而后重新流入储水箱内，根据热量守恒定律，储水箱与周围岩土进行热交换，周围岩土温度回升或下降。

33、2、地埋管地源热泵制冷或制热，热泵通过地埋管向横向梯度地温用能区域的岩土中释放热量或提取热量，随着时间推移，横向梯度地温用能区域整体温度将逐渐回升或逐渐下降。

34、3、地埋管与储水箱耦合的地源热泵制冷或制热，在热泵的作用下，地埋管向横向梯度地温用能区域的岩土中释放热量或提取热量，横向梯度地温用能区域整体温度将逐渐回升或逐渐下降，而后地埋管内水流经换热盘管，换热盘管从储水罐中进一步释放热量或提取热量，使热泵源侧水进一步降低或提高，同时储水罐中水温升高或降低，根据热量守恒定律，储水箱与周围温度较低的岩土进行热交换，周围岩土温度回升或下降，即横向梯度地温用能区域最内侧温度回升或下降。

35、本方案相比现有技术，其有益效果在于：

36、1、本方案增加了储水箱直接调控模式和地埋管与储水箱耦合的地源热泵制冷或制热模式，优化并合理的设置了调控步骤，通过三次对横向梯度地温用能区域的调控，实现横向梯度地温用能区域的地温自恢复，从根本上解决了地源热泵长周期运行热失衡问题；

37、2、岩土温度横向梯度的空间分布特征，与地埋管内流体温度分布趋势一致，能减小因传热温差造成的能量品位不可逆损失，地埋管换热效率提高；

38、3、热泵源侧水可最大限度的提高或降低，使得热泵的制热性系数cop或制冷性系数eer提高，能实现节能高效运行。

39、作为本发明优选的实施方式，所述s301中储水箱直接供冷或供暖包括：

40、s3011：关闭热泵，将储水箱中的热失衡补偿源直接输送至用能末端(e6)以供冷或供暖；

41、s3012：启动热泵，以储水箱中水为冷源或热源运行水源热泵制冷或制热，以供冷或供暖。本方案两次利用储水箱中水以供冷或供暖，实现了能量的高效利用。

42、作为本发明优选的实施方式，“热堆积”的热失恒调控方法如下：

43、a1：确定热失衡补偿负荷δq：

44、通过如下能量平衡关系确定热失衡补偿负荷δq：

45、

46、其中，eer为热泵的制冷性能系数，cop为热泵的制热性能系数；各项负荷计算的时间周期为从供暖季第1天开始计算，到下一个供暖季节开始前1天，1个完整年度的累计值；

47、a2：在供暖季节运行调控

48、a201：地埋管地源热泵制热模式给用能末端供暖：

49、热泵调节为制热模式，源侧管路与热泵的蒸发器相连，根据用能末端实时供暖负荷需求，热泵通过地埋管从横向梯度地温用能区域的岩土中提取热量，给用能末端供暖；根据热量守恒定律，在持续的取热过程中，地埋管周围岩土温度t3随时间逐渐下降，即有t3＜tg,0，且地埋管组的内侧温度最低，记为t3,min；

50、a202：通过储水箱跨季节储冷：

51、在供暖季节环境温度最低时，热失衡补偿源注入储水箱，即向储水箱内注入低温冷水，跨季节储冷，以补偿非供暖季岩土的冷负荷；储水箱温度记为t1，有0℃＜t1＜t3＜tg,0；所需的低温冷水体积vc采用如下公式确定：

52、

53、其中，ηc为储水箱储冷系数，ηc＜1；ρ为低温冷水的密度；cp为定压比热容，t1为低温冷水初始温度，t1”为低温冷水冷量释放完毕后的温度；

54、a3：在非供暖季节运行调控

55、a301：储水箱直接给用能末端供冷：

56、关闭热泵，将储水箱中的温度为t1的低温冷水输送至用能末,温度为t1的低温冷水的冷量释放后，水温升高为t1'，最后重新输入储水箱；

57、温度为t1的水全部排出储水箱后，热泵启动制冷模式，以储水箱中温度为t1'的水作为冷源运行水源热泵制冷，温度为t1'的水在热泵的冷凝器内吸热释放冷量后，水温升高为t1”，温度为t1'的水和温度为t1”的水分层储存在储水箱中；

58、a302：地埋管地源热泵制冷模式给用能末端供冷：

59、温度为t1'的水全部排出储水箱后，热泵保持制冷模式，根据用能末端的实时供冷负荷需求，以温度为t1”的水为冷源运行水源热泵制冷，热泵通过地埋管从横向梯度地温用能区域的岩土中释放热量，给用能末端供冷；根据热量守恒定律，地埋管周围岩土温度t3随时间逐渐回升，且随时间地埋管组的内侧岩土温度t3,min逐渐升高，向储水箱中水温t1”接近；

60、a303：地埋管与储水箱耦合的地源热泵制冷模式给用能末端供冷：

61、当t3,min＝t1”时，在热泵源侧和地埋管组靠近内侧的一端之间接入换热盘管，换热盘管内水向储水箱释放热量；

62、a4：热失衡补偿负荷δq进行修正

63、在非供暖季节结束后，根据实际运行数据，修正用能末端制冷负荷qc、供暖负荷qh、热泵的制冷性能系数eer、热泵的制热性能系数cop；根据岩土温度监测数据，结合数值仿真，修正预估值自恢复负荷δqg0；确定修正后的热失衡补偿负荷δq，到下一个供暖季节开始，循环重复a2、a3和a4。

64、本方案通过优化调控步骤和方法，采用储水箱跨季节储热，补偿热失衡负荷，有效的解决了地源热泵供能存在的“热堆积”的热失衡问题；通过能量梯级的高效利用，在横向形成岩土温度内低外高的空间分布特征，与地埋管内流体流动方向一致，能减小因传热温差造成的能量品位不可逆损失，地埋管换热效率提高；同时可提高循环水的温度，进而提升热泵制热性能系数cop，在相同供暖负荷下可降低热泵压缩机电耗。

65、作为本发明优选的实施方式，“冷堆积”的热失恒调控方法如下：

66、b1：确定热失衡补偿负荷δq

67、通过如下能量平衡关系确定热失衡补偿负荷δq：

68、

69、其中，eer为热泵的制冷性能系数，cop为热泵的制热性能系数；各项负荷计算的时间周期为从供冷季第1天开始计算，到下一个供冷季节开始前1天，1个完整年度的累计值；

70、b2：在供冷季节运行调控

71、b201：地埋管地源热泵制冷模式给用能末端供冷：

72、热泵调节为制冷模式，源侧管路与热泵的冷凝器相连，根据用能末端实时供冷负荷需求，热泵通过地埋管从横向梯度地温用能区域的岩土中释放热量，给用能末端供冷；根据热量守恒定律，在持续的制冷释热过程中，地埋管周围岩土温度t3随时间逐渐升高，即有t3＞tg,0，且地埋管组的内侧温度最高，记为t3,max；

73、b202：热失衡补偿源储能：

74、在供冷季节环境温度最高时，热失衡补偿源注入储水箱，即向储水箱内注入高温热水，跨季节储热，以补偿非供冷季节岩土的热负荷；储水箱温度记为t1，有t1＞t3＞tg,0；所需的高温热水体积vh采用如下公式确定：

75、

76、其中，ηh为储水箱储热系数，ηh＜1；ρ为高温热水的密度；cp为定压比热容，t1为高温热水初始温度，t1”为高温热水释热完毕后的温度；

77、b3：在非供冷季节运行调控

78、b301：储水箱直接给用能末端供暖：

79、关闭热泵，将储水箱中的温度为t1的高温热水输送至用能末端,温度为t1的高温热水的热量释放后，水温降低为t1'，最后重新输入储水箱；

80、温度为t1的水全部排出储水箱后，热泵启动制热模式，以储水箱中温度为t1'的水作为热源运行水源热泵制热，温度为t1'的水在热泵的蒸发器内放热后，水温下降为t1”，温度为t1'的水和温度为t1”的水分层储存在储水箱中；

81、b302：地埋管地源热泵制热模式给用能末端供暖：

82、温度为t1'的水全部排出储水箱后，热泵保持制热模式，根据用能末端的实时供暖负荷需求，以温度为t1”的水为热源运行水源热泵制热，热泵通过地埋管从横向梯度地温用能区域的岩土中提取热量，给用能末端供暖；根据热量守恒定律，地埋管周围岩土温度t3随时间逐渐下降，且随时间地埋管组的内侧岩土温度t3,max逐渐降低，向储水箱(e1)中水温t1”接近；

83、b303：地埋管与储水箱耦合的地源热泵制热模式给用能末端供暖：

84、当t3,max＝t1”时，在热泵源侧和地埋管组靠近内侧的一端之间接入换热盘管，换热盘管内水向储水箱提取热量；

85、b4：热失衡补偿负荷δq进行修正

86、在非供冷季节结束后，根据实际运行数据，修正用能末端制冷负荷qc、供暖负荷qh、热泵的制冷性能系数eer、热泵的制热性能系数cop；根据岩土温度监测数据，结合数值仿真，修正预估值自恢复负荷δqg0；确定修正后的热失衡补偿负荷δq，到下一个供冷季节开始，循环重复b2、b3和b4。

87、本方案通过优化调控步骤和方法，采用储水箱跨季节储冷，补偿热失衡负荷，有效的解决了地源热泵供能存在的“冷堆积”的热失衡问题；通过能量梯级的高效利用，在横向形成岩土温度内高外低的空间分布特征，与地埋管内流体流动方向一致，能减小因传热温差造成的能量品位不可逆损失，提高地埋管换热效率；同时可降低循环水的温度，进而提升热泵制热性能系数eer，在相同供冷负荷下可降低热泵压缩机电耗。