耦合咸水层强制对流井式土壤源热泵系统及运行方法
【专利摘要】本发明提供一种耦合咸水层强制对流井式土壤源热泵系统及运行方法，该热泵系统组成热泵机组用户侧供热、供冷循环回路，热泵机组地源侧供热、供冷循环回路及咸水层抽、灌井强制对流循环回路，通过运行方法实现多种运行模式。本发明效果是加大地埋管换热强度，避免埋管换热器“热短路”、“热干扰”现象的发生，解决环渤海低平原区建筑负荷季节性比例失调引起的土壤热失衡问题。在咸水循环系统中增加换热器，与地埋管中循环溶液换热，在加强埋管地下换热的同时有效调节建筑负荷高峰。开拓了土壤源热泵系统作为浅层地热能在绿色建筑提升、改造中的应用领域，进而降低建筑的能源供应与二氧化碳减排量。
【专利说明】
耦合咸水层强制对流井式土壤源热泵系统及运行方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统及运行方法，属于浅层地热能开发利用领域与暖通空调领域。本技术可有效缓解土壤源热栗地埋管换热器“热短路”、“热干扰”现象，解决土壤热失衡问题。特别适用于浅层咸水资源储量丰富，季节性建筑冷、热负荷比例失调的环渤海低平原区。
【背景技术】
[0002]土壤源热栗是利用地下土壤温度全年相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的换热管路和热栗系统与建筑物内部进行热交换，从而达到为建筑物制冷和供暖的空调系统，因其具有稳定性好、可靠性高、高效节能、环境效益好等优点，应用前景相当广阔。然而，随着土壤源热栗应用地域的延伸及其使用规模的不断扩大，土壤热失衡现象逐渐显现。土壤热失衡的最大危害在于长期运行后埋管区域土壤的“冷、热堆积”，这会导致土壤温度逐渐偏离其作为理想冷、热源时的原始温度，并呈现出逐年升高(供冷为主的地区)或降低(供暖为主的地区)趋势，从而导致热栗蒸发温度的降低或冷凝温度的升高，最终会使系统运行效率降低甚至恶化，从而失去土壤源热栗所具有的节能优势。
[0003]目前，土壤源热栗应用中的土壤热失衡问题以及埋管间“热短路”、“热干扰”已逐渐引起业内人士的重视，针对冷热负荷非平衡地区，相继提出了一些调控土壤热平衡的措施。现有的解决方案中，增加埋管数量、增大地埋管间距等将造成初期投资的增加且只能减缓土壤温度变化，不能从根本上解决土壤热失衡问题，并且不适用于我国城镇高密度建筑群的使用。增加太阳能集热器作为辅助热源，或以冷却塔、冷却水池作为辅助散热设备，则在增加初期投资的同时，造成系统复杂程度提高，运行可靠性降低。
[0004]当前土壤源热栗垂直埋管深度在地下60-120m，在该地下埋深区域，我国环渤海低平原区具有比较丰富的地下咸水资源，据估算咸水资源总储量在2500X 108m3。根据现场勘测调研，地下水温度一般在13_15°C，底界埋深为40-160m，含水砂层厚度在6-15m之间。地下浅层咸水资源具有储量大、分布广、埋藏浅、易开采、补给快、能耗低、封闭条件好的特点，符合长期、可持续开发、综合利用的标准。地埋管换热器在含水层中热运移包括:对流换热、热传导、热弥散效应，其中热传导系数在数值上小于对流换热系数几倍甚至十几倍，而对流换热与热弥散强弱变化主要取决于含水层中渗流速度。根据研究结果，当地下水流速为30m/y时，地埋管换热器的换热能力比无渗流时增大约30%。因此，将丰富的地下浅层咸水资源与土壤源热栗系统相结合，探索一种高效、节能的耦合式土壤源热栗系统，作为调控土壤热失衡的有效措施。经检索已经公开的中国专利文献，尚无该方向的相关专利文件。
【发明内容】
[0005]针对现有土壤源热栗系统中的不足，本发明的目的是提供一种耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统及运行方法，以利于将丰富的环渤海低平原区地下浅层咸水资源与土壤源热栗系统相结合，成为避免地埋管换热器“热短路”、“热干扰”，调控土壤热失衡的有效措施。开拓了土壤源热栗系统作为浅层地热能在绿色建筑提升、改造中的应用领域，进而降低建筑的能源供应与二氧化碳减排量，对加速环渤海地区的可持续发展与宜居生态城市建设步伐都具有重要意义。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统，该土壤源热栗系统作用于环渤海低平原区底界埋深为40-160m储量的咸水层，并与热用户相连接，其中:该系统包括有热栗机组、地埋管换热器、咸水层抽水井、咸水层回灌井、板式换热器、变频潜水栗、地埋管侧循环栗、热用户侧循环栗、回灌井加压栗、观测井、回灌水储液罐、地下水温监控系统、回灌渗水砂池、水温监测探头;所述热栗机组的用户侧出口依次连接用户循环水栗、提供空调负荷的热用户回到地源热栗机组用户端，构成热栗机组用户侧供热、供冷循环回路;所述热栗机组的地埋管换热器侧出口依次连接地埋管换热器、地埋管侧循环栗、板式换热器，通过第一阀门回到地源热栗机组地埋管换热器端，构成热栗机组地源侧供热、供冷循环回路;所述咸水层抽水井依次连接变频潜水栗、板式换热器，通过回灌水储液罐及除砂装置回到回灌井，构成咸水层抽、灌井循环回路;所述抽水井与回灌井，在地埋管换热器井群区域两端沿咸水层水力坡度方向依次布置，在回路中设置回灌加压栗，为防止回灌堵塞或者停电等突发事件，抽、回灌井功能可以互换，并且回路中安装回灌水储液罐及除砂装置，同时抽、回灌井均设有回灌渗水砂池。
[0007]同时提供一种利用所述的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统的运行方法。
[0008]本发明的效果是与常规土壤源热栗系统相比具有以下优点:
[0009]1、充分利用我国环渤海低平原区地下浅层储量丰富的咸水资源，通过在地埋管换热器井群区域两端布设抽、灌井，形成咸水循环系统，引起咸水层渗流溶液发生强制对流，加大地埋管换热强度，避免埋管换热器“热短路”、“热干扰”现象的发生，解决建筑负荷季节性比例失调引起的土壤热失衡问题。
[0010]2、在咸水循环系统中增加换热器，根据建筑空调负荷变化特征，与地埋管中循环溶液换热，在加强埋管地下换热的同时有效调节建筑负荷高峰。
[0011]3、在耦合系统中，仅增加了板式换热器及相关附件，所需初投资较低，且管道连接形式简单。由于咸水层循环过程加大地埋管换热强度，可以有效缩小井孔布置区域，减少地埋管换热器井孔数量30%，钻井深度可减少40%，根据预算分析，对于相同的建筑空调负荷，初投资可以减少15%?25%，适用于环渤海低平原区新建或改造的土壤源热栗工程。
[0012]4、引入地埋管换热器实际换热量Q与最大换热量Q’的比值，换热器能效系数E作为地埋管换热器传热性能评价参数。针对当前普遍适用的地下埋深120m，2U型DN25HDPE地埋管换热器，土壤源热栗机组热源侧进/出水温度在制冷工况下为25°C/30°C;制热工况下为7°C/3°C。分析结果表明:利用环渤海低平原区地下浅层咸水资源的耦合强制对流井模式，在夏季制冷、冬季制热阶段2U型管进出口温差均大于常规地埋管换热模式，能效系数E分别高于后者25.1%、20.8%。由于咸水层中存在强制渗流过程，换热器与其所在岩土层的传热是在温度梯度与水动力梯度共同作用下的对流换热、热传导与热弥散效应相互耦合的传热过程，可以有效、及时将热量迀移出井群周围，缓解岩土层热堆积，最终提高埋设于咸水层中地埋管的换热能力。
[0013]本发明以低初投资、低运行能耗与简单的系统连接形式，充分利用环渤海低平原区浅层咸水资源，与土壤源热栗系统相结合，成为避免地埋管换热器“热短路”、“热干扰”，调控土壤热失衡的有效措施。开拓了土壤源热栗系统作为浅层地热能在绿色建筑提升、改造中的应用领域，进而降低建筑的能源供应与二氧化碳减排量，对加速环渤海地区的可持续发展与宜居生态城市建设步伐都具有重要意义。
【附图说明】
[0014]图1是本发明耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统图；
[0015]图2是本发明耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗井管布置图。
[0016]图中:
[0017]1、热用户2、热栗机组3、地埋管换热器井群4、抽水井5、回灌井
[0018]6、板式换热器7、变频潜水栗8、地埋管侧循环栗9、热用户侧循环栗
[0019]10、回灌井加压栗11、换热器地埋管循环液第一阀门
[0020]12、换热器地埋管循环液第二阀门13、换热器抽-灌井水第一阀门
[0021]14、换热器抽-灌井水第二阀门15、咸水层16、黏土隔水层
[0022]17、观测井18、回灌水储液罐及除砂装置19、地下水位、水温监控系统20、抽灌井系统第一阀门21、抽灌井系统第二阀门
[0023]22、抽灌井系统第三阀门23、抽灌井系统第四阀门
[0024]24、回灌渗水砂池25、水温监测探头
【具体实施方式】
[0025]结合附图对本发明的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统及运行方法加以说明。
[0026]本发明的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统及运行方法设计思想是基于在常规土壤源热栗系统的基础上增加环渤海地区的咸水层循环、换热系统及其附件，根据建筑空调负荷特征与地埋管换热器所在区域土壤温度的变化，可实现多种运行模式。
[0027]本发明的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统，该土壤源热栗系统作用于环渤海低平原区底界埋深为40-160m储量的咸水层，并与热用户I相连接，该系统包括有热栗机组2、地埋管换热器3、咸水层抽水井4、咸水层回灌井5、板式换热器6、变频潜水栗7、地埋管侧循环栗8、热用户侧循环栗9、回灌井加压栗10、观测井17、回灌水储液罐18、地下水温监控系统19、回灌渗水砂池24、水温监测探头25;所述热栗机组2的用户侧出口依次连接用户循环水栗9、提供空调负荷的热用户I回到地源热栗机组2用户端，构成热栗机组用户侧供热、供冷循环回路;所述热栗机组2的地埋管换热器侧出口依次连接地埋管换热器3、地埋管侧循环栗8、板式换热器6，通过第一阀门11回到地源热栗机组2地埋管换热器端，构成热栗机组地源侧供热、供冷循环回路;所述咸水层抽水井4依次连接变频潜水栗7、板式换热器6，通过回灌水储液罐及除砂装置18回到回灌井5，构成咸水层抽、灌井循环回路;所述抽水井4与回灌井5，在地埋管换热器井群3区域两端沿咸水层水力坡度方向依次布置，在回路中设置回灌加压栗10，为防止回灌堵塞或者停电等突发事件，抽、回灌井功能可以互换，并且回路中安装回灌水储液罐及除砂装置18，同时抽、回灌井均设有回灌渗水砂池24。
[0028]在地埋管换热器井群3区域的内部布设观测井孔17，在观测井孔17及抽水井4与回灌井5内部均设置测温探头25。
[0029]利用所述的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统的运行方法，该方法包括以下步骤:
[0030]在制冷与供热运行初期与末期，关闭咸水层抽、灌井循环回路，打开热栗机组地源侧供热、供冷循环回路中第一阀门11，关闭回路中第二阀门12，系统作为常规单一土壤源热栗运行。
[0031]当测温探头25监测到土壤源热栗运行过程中地埋管换热器井群3所在土壤温度出现大于或小于初始温度l°c的变化时，开启咸水层抽、灌循环回路，在抽水井变频潜水栗7与回灌加压栗10的作用下，打开换热器抽-灌井水第一阀门13，关闭换热器抽-灌井水第二阀门14，使咸水层出现强制对流；
[0032]在供冷与供热工况下，地埋管换热器井群3的进/出水温差分别小于5°C、4°C时，打开换热器抽-灌井水第二阀门14与换热器地埋管循环液第二阀门12，关闭换热器抽-灌井水第一阀门13与换热器地埋管循环液第一阀门11，在抽水井变频潜水栗7与回灌加压栗10的作用下，地下咸水进入换热器6与地埋管换热器井群3中循环溶液换热。
[0033]如图2所示的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗井管布置图，在地埋管换热器井群3布置区域两端，沿咸水层15水力坡度方向依次布置抽水井4与回灌井5，抽水井4、回灌井5的井径、井深以及所利用的咸水层15根据现场勘测结果确定;抽、回灌总水量与抽水井
4、回灌井5比例以及之间距离根据现场抽水试验以及建筑空调负荷确定，针对环渤海平原区咸水层水文地质特征，建议抽水井4、回灌井5比例大于1:3。系统采用同期加压回灌模式，在回路中设置回灌加压栗10，为防止回灌堵塞或者停电等突发事件，抽、回灌井功能可以互换，并且回路中安装回灌水储液罐及除砂装置18，同时抽、回灌井均设有回灌渗水砂池24，以重力回灌作为辅助回灌方式。在地埋管换热器井群区域布设观测井孔17，设置测温探头25，当监测到土壤源热栗运行过程中地埋管换热器所在土壤温度出现变化时，开启咸水层抽、灌循环系统，在抽水井变频潜水栗7与回灌加压栗10的作用下，使咸水层出现强制对流，增加对流换热能力，提高地埋管换热器系统运行效率，消除地埋管换热器“热短路”、“热干扰”，避免土壤出现冷、热堆积。
[0034]如图1所示的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统图。土壤源热栗供热、供冷模式中:在热栗系统供热与供冷阶段末期，关闭地下咸水抽、灌井变频潜水栗7与回灌加压栗10以及环路中换热器抽-灌井水第一阀门13、换热器抽-灌井水第二阀门14，单独运行土壤源热栗系统。循环溶液通过埋设于黏土隔水层16与咸水层15的地埋管换热器向土壤换热后，通过地埋管侧循环栗8与换热器地埋管循环液第一阀门11进入热栗机组2进行制冷与制热，回到地埋管换热器井群3，构成供热、供冷循环回路，通过热用户侧循环栗9为热用户I提供空调负荷。由于在供热与供冷阶段末期，建筑空调负荷较低，地埋管换热完全可以单独承担换热能力。将土壤源热栗作为一种以地下土壤作为蓄能体的跨季节地下蓄能与释能系统，在不影响系统正常运行的前提下，适当在埋管换热器所在土壤中蓄存一定的“冷量”与“热量”，在下一个供冷与供热阶段初期，岩土层温度高于初始状态，与埋管内循环溶液温差增大，从而增强了该阶段地埋管换热能力。
[0035]本发明的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统及运行方法，充分利用环渤海低平原区地下浅层温度在13-15°C，底界埋深为40-160m，含水砂层厚度在6-15m之间特有的储量丰富、抽灌便捷的咸水资源，开发设计了本耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统，包括以下三种独立的运行模式:
[0036]1、耦合咸水层强制对流井土壤源热栗供热、供冷模式:在热栗系统运行期间，通过设置在观测井孔17中测温探头监测到地埋管换热器井群4在供热与供冷阶段，所在土壤温度出现下降与上升，开启咸水层抽水井变频潜水栗7，打开换热器抽-灌井水第一阀门11，关闭换热器抽-灌井水第二阀门12。通过地下咸水抽、灌循环，增强咸水层中渗流速度，利用咸水循环流动提高埋管换热器井群4在咸水层中的对流换热能力，消除冷、热堆积。
[0037]2、耦合咸水层强制对流井换热土壤源热栗供热、供冷模式:在建筑空调负荷接近、达到运行峰值时，打开换热器抽-灌井水第二阀门12，关闭换热器抽-灌井水第一阀门11，地下咸水进入换热器6与地埋管中循环溶液换热，在强化埋管地下换热的同时有效调节建筑负荷高峰。当前，制冷工况下，土壤源热栗机组2热源侧进/出水温度通常为25°C_30°C ;制热工况下，土壤源热栗机组2热源侧进/出水温度通常为7°C_3°C。然而地下咸水温度保持在13-15°C左右，因此在制热与制冷工况中均可以有效提高或者降低进入热栗机组循环溶液温度，提高机组的运行效率。针对当前普遍适用的地下埋深120m，2U型DN25HDPE地埋管换热器，对于相同建筑空调负荷，采用耦合咸水层强制对流井换热土壤源热栗供热、供冷模式，根据计算分析，充分利用环渤海低平原区浅层咸水资源，可以有效缩小井孔布置区域，减少地埋管换热器井孔数量30 %，钻井深度可减少40 %，初投资可以减少15 %?25 %。在夏季制冷、冬季制热阶段2U型管进出口温差均大于常规地埋管换热模式，能效系数E分别高于常规单一土壤源热栗25.1%、20.8%。适用于环渤海低平原区新建或改造的土壤源热栗工程。
[0038]3、土壤源热栗供热、供冷模式:在供热与供冷阶段末期，关闭地下咸水抽、灌井循环，单独运行土壤源热栗系统。在供热与供冷阶段末期，建筑空调负荷较低，地埋管换热完全可以单独承担换热能力。同时，充分考虑到地下土壤是具有蓄能功能的“蓄能体”，而不是简单的“冷源”或“热源”，土壤源热栗实质上是一种以地下土壤作为蓄能体的跨季节地下蓄能与释能系统。因此，在供热与供冷阶段末期，在不影响系统正常运行的前提下，适当在埋管换热器井群所在土壤中蓄存一定的“冷量”与“热量”，在下一个供冷与供热阶段初期，可以增加埋管换热器井群中循环溶液与土壤之间的温度差，提高机组运行效率。
【主权项】
1.一种耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统，该土壤源热栗系统作用于环渤海低平原区底界埋深为40-160m的咸水层，并与热用户(I)相连接，其特征是:该系统包括有热栗机组(2)、地埋管换热器(3)、咸水层抽水井(4)、咸水层回灌井(5)、板式换热器(6)、变频潜水栗(7)、地埋管侧循环栗(8)、热用户侧循环栗(9)、回灌井加压栗(10)、观测井(17)、回灌水储液罐(18)、地下水温监控系统(19)、回灌渗水砂池(24)、水温监测探头(25);所述热栗机组(2)的用户侧出口依次连接用户循环水栗(9)、提供空调负荷的热用户(I)回到地源热栗机组(2)用户端，构成热栗机组用户侧供热、供冷循环回路;所述热栗机组(2)的地埋管换热器侧出口依次连接地埋管换热器(3)、地埋管侧循环栗(8)、板式换热器(6)，通过第一阀门(11)回到地源热栗机组(2)地埋管换热器端，构成热栗机组地源侧供热、供冷循环回路；所述咸水层抽水井(4)依次连接变频潜水栗(7)、板式换热器(6)，通过回灌水储液罐及除砂装置(18)回到回灌井(5)，构成咸水层抽、灌井循环回路;所述抽水井(4)与回灌井(5)，在地埋管换热器井群(3)区域两端沿咸水层水力坡度方向依次布置，在回路中设置回灌加压栗(10)，为防止回灌堵塞或者停电等突发事件，抽、回灌井功能可以互换，并且回路中安装回灌水储液罐及除砂装置(18)，同时抽、回灌井均设有回灌渗水砂池(24)。2.根据权利要求1所述的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统，其特征是:在地埋管换热器井群(3)区域的内部布设观测井孔(17)，在观测井孔(17)及抽水井(4)与回灌井(5)内部均设置测温探头(25)。3.根据权利要求1或2所述的耦合咸水层强制对流井式土壤源热栗系统及运行方法，其特征是:该方法包括以下步骤: 在制冷与供热运行初期与末期，关闭咸水层抽、灌井循环回路，打开热栗机组地源侧供热、供冷循环回路中第一阀门(11)，关闭回路中第二阀门(12)，系统作为常规单一土壤源热栗运行； 当测温探头(25)监测到土壤源热栗运行过程中地埋管换热器井群(3)所在土壤温度出现大于或小于初始温度1°C的变化时，开启咸水层抽、灌循环回路，在抽水井变频潜水栗(7)与回灌加压栗(10)的作用下，打开换热器抽-灌井水第一阀门(13)，关闭换热器抽-灌井水第二阀门(14)，使咸水层出现强制对流； 在供冷与供热工况下，地埋管换热器井群(3)的进/出水温差分别小于5°C、4°C时，打开换热器抽-灌井水第二阀门(14)与换热器地埋管循环液第二阀门(12)，关闭换热器抽-灌井水第一阀门(13)与换热器地埋管循环液第一阀门(11)，在抽水井变频潜水栗(7)与回灌加压栗(10)的作用下，地下咸水进入板式换热器(6)与地埋管换热器井群(3)中循环溶液换热。
【文档编号】F25B30/06GK105865085SQ201610184417
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月28日
【发明人】马玖辰, 朱龙虎, 赵明波, 余德, 郑华豪, 葛学文, 钱景超
【申请人】天津城建大学