CN114294847A - 浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***及其控温方法 - Google Patents

浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***及其控温方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***及其控温方法，属于可再生能源领域。解决了严寒及部分寒冷地区，冬季供暖时，地源热泵性能系数下降甚至停机的技术问题。本发明在供冷工况时，由浅层地埋管提供冷负荷所需冷量；在供热工况时，首先利用浅层地埋管提供所需热量，当浅层地埋管无法满足所需热量，关闭浅层地埋管，改由中深层地埋管提供热负荷所需热量，当中深层地埋管无法满足时，浅层地埋管辅助提供热量；当浅层地埋管取热量与夏季释热量相同时，所需热量均由中深层地埋管提供。本发明通过将浅层地热与中深层地热耦合，利用深层地热不易出现冷堆积现象，很好地平衡常规浅层地热失衡问题。

Description

浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***及其控温方法
技术领域
本发明属于可再生能源领域，特别是涉及一种严寒地区地源热泵地源侧浅层地埋管与中深层地埋管耦合***及其控温方法。
背景技术
地源热泵***作为供暖供冷的可再生能源技术之一，概念由Zoelly等人提出，其具有环境友好性且可持续性，在市场上有很大的发展潜力。目前地源热泵地源侧分为浅层地温(0～200m)和中深层地温(1500～2500m)，以浅层低温为主。
地源热泵***是以土壤源作为低温热源，在项目设计和应用过程中必须考虑土壤体冷热平衡，否则会导致地下能量堆积效应，进而影响机组运行。在计算周期内，地源热泵地埋管***的全年总释热量和总吸热量应基本平衡，两者的比值宜在0.8～1.25之间。
在我国严寒及部分寒冷地区，由于供热负荷和时长大于供冷负荷和时长，地源侧长期运行在冷热失衡的条件下，会产生“冷堆积”现象，导致地源热泵***性能逐渐下降，乃至不能使用。针对此问题，地源热泵复合***受到越来越多关注，如太阳能—地源热泵***、太阳能跨季节蓄热—地源热泵耦合***、空气源热泵耦合地源热泵***等。
上述复合***在常规的地源热泵基础上再增加一套***，或经过跨季节蓄热，***控制复杂且能耗相对较高，而直接利用中深层地热，初投资较大，且夏季无法使用，也不可行。
发明内容
有鉴于此，为了解决严寒及部分寒冷地区，冬季供暖时，地源热泵性能系数下降甚至停机的技术问题，本发明提出浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***及其控温方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的控温方法，所述浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***，在供冷工况时，由浅层地埋管提供冷负荷所需冷量；在供热工况时，首先利用浅层地埋管提供所需热量，当浅层地埋管无法满足所需热量，关闭浅层地埋管，改由中深层地埋管提供热负荷所需热量，当中深层地埋管无法满足时，浅层地埋管辅助提供热量。当浅层地埋管取热量与夏季释热量相同时，浅层地埋管***将不再开启，所需热量均由中深层地埋管提供。
更进一步的，对浅层地埋管选型和数量以冷负荷所需冷量为主进行设计，对中深层地埋管选型和数量以建筑热负荷所需热量与浅层地埋管设计条件下可提供供热负荷所需热量之差进行设计。
更进一步的，供冷工况时，浅层地埋管蝶阀和浅层地埋管水泵开启，中深层地埋管蝶阀和中深层地埋管水泵关闭，建筑冷负荷所需冷量均由浅层地埋管提供。
更进一步的，供热工况时，当建筑热负荷需求较小时，浅层地埋管蝶阀和浅层地埋管水泵开启，中深层地埋管蝶阀和中深层地埋管水泵关闭，建筑热负荷所需热量由浅层地埋管提供，同时通过热计量仪表对浅层地埋管进行取热量计量；当建筑热负荷需求较大时，浅层地埋管无法满足热负荷所需热量时，中深层地埋管蝶阀和中深层地埋管水泵开启，浅层地埋管蝶阀和浅层地埋管水泵关闭，此时以中深层地埋管提供建筑热负荷所需热量为主，不满足时由浅层地埋管辅助提供热量；当浅层地埋管取热量直至与夏季释热量相同时，浅层地埋管蝶阀和浅层地埋管水泵将不再开启，浅层地热不再提供热量，建筑热负荷所需热量均由中深层地埋管提供。
一种浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***，包括一号供水管、一号回水管、二号供水管、二号回水管、中深层地埋管水泵、浅层地埋管水泵、中深层地埋管蝶阀、浅层地埋管蝶阀、热量表、分水器、集水器、中深层地埋管和浅层地埋管，所述中深层地埋管通过供水管依次与中深层地埋管水泵、中深层地埋管蝶阀和分水器连接，所述浅层地埋管通过供水管依次与热量表、浅层地埋管水泵、浅层地埋管蝶阀和分水器连接，所述中深层地埋管和浅层地埋管分别通过一号回水管、二号回水管与集水器连接。
与现有技术相比，本发明所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***及其控温方法的有益效果是：
(1)、本发明解决了在严寒及部分寒冷地区，地源热泵由于地源侧冷热不平衡导致地源热泵性能系数低甚至不能运行的问题。
(2)、本发明采用中深层地热辅助浅层地热，减少了中深层地埋管数量，节省了初投资，同时保证了地源热泵***以最大限度按照设计工况进行运行，减少运行费用。
(3)、本发明通过将浅层地热与中深层地热耦合，利用深层地热不易出现冷堆积现象，很好地平衡常规浅层地热失衡问题。
(4)、本发明通过最大限度利用浅层地热，深层地热辅助，有效解决严寒及部分寒冷地区地源热泵“冷堆积”问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的结构示意图；
图中：1-一号供水管，2-一号回水管，3-二号供水管，4-二号回水管，5-中深层地埋管水泵，6-浅层地埋管水泵，7-中深层地埋管蝶阀，8-浅层地埋管蝶阀，9-热量表，10-分水器，11-集水器，12-中深层地埋管，13-浅层地埋管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***，以浅层地埋管和中深层地埋管为低温热源，包括一号供水管1、一号回水管2、二号供水管3、二号回水管4、中深层地埋管水泵5、浅层地埋管水泵6、中深层地埋管蝶阀7、浅层地埋管蝶阀8、热量表9、分水器10、集水器11、中深层地埋管12和浅层地埋管13。
浅层地埋管循环***，起端于分水器10，通过蝶阀8、水泵6、二号供水管3、浅层地埋管13、二号回水管4，终止于集水器11，构成一个循环。
中深层地埋管循环***，起端于分水器10，通过蝶阀7、水泵5、一号供水管1、中深层地埋管12、一号回水管2，终止于集水器11，构成一个循环。
夏季供冷时段，通过机组换热来的高温冷却水，通过分水器10进入浅层地埋管循环***，冷却水利用水质与土壤温差，通过浅层地埋管13将热量释放于土壤中，从而降低冷却水温度并在土壤中囤积热量。低温冷却水返回集水器，再进入机组置换温度形成高温冷却水，进行下一轮循环。
冬季供热时段，浅层地埋管循环***从浅层土壤中吸取热量。通过机组置换热量的低温水，通过分水器10进入浅层地埋管循环***，低温水同样利用水质与土壤温差，通过浅层地埋管13将土壤中热量吸取至低温水，从而升高低温水温度并在土壤中囤积冷量。高温低温水返回集水器，再进入机组置换温度形成低温水，进入下一轮循环。
中深层地埋管循环***工作原理一致。
当浅层地埋管循环***设计工况下提供的热量不能满足所需热负荷时，此时开启中深层地埋管循环***，关闭浅层地埋管循环***。以中深层地埋管循环***为主提供热量，当不满足热负荷所需热量时，由浅层地埋管循环***辅助提供热量。
热量表9通过二号供水管3、二号回水管4的温差与二号供水管3流速进行累计积分热量，计量浅层地埋管13从土壤中吸取的热量。其中设置累计热量(即二号供水管3温度低于二号回水管4温度)为正值，累计冷量(即二号供水管3温度高于二号回水管4温度)为负值。当累计热量和累计冷量两者绝对值相等时浅层地埋管循环***停止工作，***热负荷所需热量均有中深层地埋管提供。
供冷工况时，浅层地埋管蝶阀8和浅层地埋管水泵6开启，中深层地埋管蝶阀7和中深层地埋管水泵5关闭，建筑冷负荷所需冷量均由浅层地埋管13提供。
供热工况时，当建筑热负荷需求较小时，浅层地埋管蝶阀8和浅层地埋管水泵6开启，中深层地埋管蝶阀7和中深层地埋管水泵5关闭，建筑热负荷所需热量由浅层地埋管13提供，同时通过热计量仪表9对浅层地埋管13进行取热量计量；当建筑热负荷需求较大时，浅层地埋管13无法满足热负荷所需热量时，中深层地埋管蝶阀7和中深层地埋管水泵5开启，浅层地埋管蝶阀8和浅层地埋管水泵6关闭，此时以中深层地埋管提供建筑热负荷所需热量为主，不满足时由浅层地埋管13辅助提供热量；当浅层地埋管13取热量直至与夏季释热量相同时，浅层地埋管蝶阀8和浅层地埋管水泵6将不再开启，浅层地热不再提供热量。
一种浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***，包括一号供水管1、一号回水管2、二号供水管3、二号回水管4、中深层地埋管水泵5、浅层地埋管水泵6、中深层地埋管蝶阀7、浅层地埋管蝶阀7、热量表9、分水器10、集水器11、中深层地埋管12和浅层地埋管13，所述中深层地埋管12通过一号供水管1依次与中深层地埋管水泵5、中深层地埋管蝶阀7和分水器10连接，所述浅层地埋管13依次与热量表9、浅层地埋管水泵6、浅层地埋管蝶阀8和分水器10连接，所述中深层地埋管12和浅层地埋管13分别通过一号回水管2、二号回水管4与集水器11连接。
所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的地源侧包括浅层地埋管13和中深层地埋管12。在项目规划设计时，浅层地埋管13选型和数量以冷负荷所需冷量为主进行设计，中深层地埋管12选型和数量以建筑热负荷所需热量与浅层地埋管设计条件下可提供热负荷所需热量之差进行设计。在供冷工况时，由浅层地埋管13提供满足冷负荷需求的冷量；在供热工况时，优先利用浅层地埋管13提供，当无法满足所需热量时，更改为以中深层地埋管12为主提供热量，浅层地埋管13辅助提供热量，待浅层地埋管13释热量和取热量相同时，其余热负荷所需热量由中深层地埋管12提供。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (7)

1.一种浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的控温方法，其特征在于：浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***，在供冷工况时，由浅层地埋管(13)提供冷负荷所需冷量；在供热工况时，首先利用浅层地埋管(13)提供热负荷所需热量，当无法满足所需热量时，更改为以中深层地埋管(12)为主提供热量，浅层地埋管(13)辅助提供热量，待浅层地埋管(13)释热量和吸热量相同时，剩余热负荷所需热量由中深层地埋管(12)提供。
2.根据权利要求1所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的控温方法，其特征在于：对浅层地埋管(13)选型和数量以冷负荷所需冷量为主进行设计，对中深层地埋管(12)数量以建筑热负荷所需热量与浅层地埋管设计条件下可提供热负荷所需热量之差进行设计。
3.根据权利要求1所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的控温方法，其特征在于：供冷工况时，浅层地埋管蝶阀(8)和浅层地埋管水泵(6)开启，中深层地埋管蝶阀(7)和中深层地埋管水泵(5)关闭，建筑冷负荷所需冷量均由浅层地埋管(13)提供。
4.根据权利要求3所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的控温方法，其特征在于：供热工况时，当建筑热负荷需求较小时，浅层地埋管蝶阀(8)和浅层地埋管水泵(6)开启，中深层地埋管蝶阀(7)和中深层地埋管水泵(5)关闭，建筑热负荷所需热量由浅层地埋管(13)提供。
5.根据权利要求4所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的控温方法，其特征在于：当建筑热负荷需求较大时，浅层地埋管(13)无法满足热负荷所需热量时，中深层地埋管蝶阀(7)和中深层地埋管水泵(5)开启，浅层地埋管蝶阀(8)和浅层地埋管水泵(6)关闭，此时以中深层地埋管提供建筑热负荷所需热量为主，不满足时由浅层地埋管(13)辅助提供热量。
6.根据权利要求4所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***的控温方法，其特征在于：当浅层地埋管(13)吸热量直至与夏季释热量相同时，浅层地埋管蝶阀(8)和浅层地埋管水泵(6)将不再开启，浅层地热不再提供热量，建筑热负荷所需热量均由中深层地埋管(12)提供。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的浅层地埋管与中深层地埋管耦合冷热源***，其特征在于：包括一号供水管(1)、一号回水管(2)、二号供水管(3)、二号回水管(4)、中深层地埋管水泵(5)、浅层地埋管水泵(6)、中深层地埋管蝶阀(7)、浅层地埋管蝶阀(8)、热量表(9)、分水器(10)、集水器(11)、中深层地埋管(12)和浅层地埋管(13)，所述中深层地埋管(12)通过一号供水管(1)依次与中深层地埋管水泵(5)、中深层地埋管蝶阀(7)和分水器(10)连接，所述浅层地埋管(13)依次与热量表(9)、浅层地埋管水泵(6)、浅层地埋管蝶阀(8)和分水器(10)连接，所述中深层地埋管(12)和浅层地埋管(13)分别通过一号回水管(2)、二号回水管(4)与集水器(11)连接。
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