一种竖直埋管土壤源热泵机房节能系统及节能方法

摘要

本发明公开了一种竖直埋管土壤源热泵机房节能系统及节能方法，包括至少两套土壤源换热装置、用户侧分水器、用户侧集水器、控制装置和补水装置，土壤源换热装置相互并联，且用户侧集水器、土壤源换热装置和用户侧分水器依次连接，且每个土壤源换热装置均与补水装置连接，每个土壤源换热装置均与控制装置连接。本发明将多台地源热泵机组共用一个大的土壤源换热器一分为三，改为每台地源热泵机组各单独使用一个小的土壤源换热器，所以可以按末端实时负荷采用分期交叉间歇运行方式避免地源侧循环水泵并联运行造成的能耗效率降低，并因高峰期运行时间较短，大大降低了能源消耗，同时延缓了地温过快降低或升高，缩短了地温恢复周期的土壤源换热装置。

说明书

技术领域

本发明涉及竖直埋管土壤源热泵技术领域，更具体地说，特别涉及一种竖直埋管土壤源热泵机房节能系统及节能方法。

背景技术

在浅层地温能竖直埋管土壤源热泵系统中，常把土壤源换热器所有地埋管同程连接到一套分集水器上，尤其是在大型的土壤源换热器竖直埋管换热系统中常采用与地源热泵机组对应且数量相同的多台地源侧循环水泵并联运行方式。因多台水泵在一个供暖或供冷期内的不间断并联运行，存在用电能耗过高并造成地温持续下降（冬季供暖）或升高（夏季供冷）等问题，使地源换热器的地温恢复周期延长和系统能耗大幅升高。

发明内容

本发明第一目的主要是解决现有技术中所存在的能耗高、地温持续下降或升高,恢复周期长的技术问题，从而提供一种通过对土壤源换热装置进行并联，在不同的末端负荷下开启不同数量的土壤源换热装置，并且将土壤源换热装置改为交叉间歇运行，大大降低了能源消耗，同时延缓了地温过快降低或升高，缩短了地温的恢复周期的竖直埋管土壤源热泵机房节能系统。

本发明的第二目的是为了提供一种通过上述竖直埋管土壤源热泵机房节能系统实现的节能方法

为了实现本发明的第一目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种竖直埋管土壤源热泵机房节能系统，包括以下部件：

至少两套土壤源换热装置，接收空调回水，通过土壤源换热装置换热以后输送空调供水；

用户侧分水器，用于接收每个土壤源换热装置的空调供水，并将空调供水分流后提供给每个用户；

用户侧集水器，用于接收从每个用户回流的空调回水，并将空调回水输送至每个土壤源换热装置；

控制装置，用于开启或关闭每个土壤源换热装置，并且用于控制土壤源换热装置的工作方式；

补水装置，用于向每个土壤源换热装置或末端用户侧进行补水；

所述土壤源换热装置相互并联，且用户侧集水器、土壤源换热装置和用户侧分水器依次连接，且每个所述土壤源换热装置均与补水装置连接，每个所述土壤源换热装置均与控制装置连接。

进一步地，所述土壤源换热装置包括土壤源换热器、地源侧分水器、地源侧集水器、电子水处理器、地源热泵机组，还包括V1至V8阀门，

所述地源侧分水器、土壤源换热器、地源侧集水器和电子水处理器依次连通；

所述地源热泵机组中冷凝器的一个接口通过V5阀门与地源侧分水器连通，所述地源热泵机组中冷凝器的一个接口还通过V7阀门与用户侧分水器连通；

所述地源热泵机组中冷凝器的另一个接口通过V1阀门与电子水处理器连通；所述地源热泵机组中冷凝器的另一个接口通过V3阀门与用户侧集水器连通；

所述地源热泵机组中蒸发器的一个接口通过V6阀门与地源侧分水器连通，所述地源热泵机组中蒸发器的一个接口还通过V8阀门与用户侧分水器连通；

所述地源热泵机组中蒸发器的另一个接口通过V2阀门与电子水处理器连通；所述地源热泵机组中蒸发器的另一个接口通过V4阀门与用户侧集水器连通。

进一步地，所述土壤源换热装置数量为三组。

为了实现本发明的第二目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种根据上述的竖直埋管土壤源热泵机房节能系统的节能方法，随着末端负荷功率的增大，依次增加土壤源换热装置的开启数量，随着末端负荷功率的减小，依次减少土壤源换热装置的开启数量。

进一步地，所述土壤源换热装置数量为三个，预设末端负荷功率为依次增高的第一换热功率、第二换热功率；

土壤源换热装置的开启数量以下方法判断：实时检测系统需要的换热功率，当需要的换热功率小于第一换热功率，仅开启一台土壤源换热装置，当需要的换热功率位于第一换热功率和第二换热功率之间时，仅开启两台土壤源换热装置，当需要的换热功率大于第二换热功率时，开启三台土壤源换热装置。

进一步地，三个土壤源换热装置分别为第一土壤源换热装置、第二土壤源换热装置和第三土壤源换热装置；

一个供暖或供冷周期随末端负荷的增大依次开启的是第一土壤源换热装置、第二土壤源换热装置、第三土壤源换热装置；

则下一个供暖或供冷周期随末端负荷功率增大依次开启第三土壤源换热装置、第二土壤源换热装置、第一土壤源换热装置，或依次开启第二土壤源换热装置、第三土壤源换热装置、第一土壤源换热装置。

进一步地，土壤源换热装置具体开启方法为：

供暖时，需要首先关闭土壤源换热装置的V1阀门、V4阀门、V5阀门、V8阀门，然后开启V2阀门、V3阀门、V6阀门、V7阀门；

供冷时，需要首先关闭土壤源换热装置的V2阀门、V3阀门、V6阀门、V7阀门，然后开启V1阀门、V4阀门、V5阀门、V8阀门。

本发明相对于现有技术，最主要的区别在于是将多台地源热泵机组共用一个大的土壤源换热器一分为三，改为每台地源热泵机组各单独使用一个小的土壤源换热器。同时将多泵并联运行改为相互独立交叉间歇运行。

该方法是按末端实时负荷采用分期交叉间歇运行方式降低了因地源侧循环水泵并联运行造成的电耗，从而提高了能源效率，同时因土壤源换热装置设置多个，分块交叉间歇运行并因高峰期运行时间较短（多套土壤源换热装置同时运行时间较短），大大降低了能源消耗，同时延缓了地温过快降低或升高，缩短了地温恢复周期（地温下降或升高的幅度越大恢复周期越长）的竖直埋管土壤源热泵机房节能系统。

本发明的有益效果是：因避免了多个地源热泵机组共用一个大土壤源换热器同时并联运行多台地源侧循环水泵（二台水泵并联效率约降低５％，三台水泵并联效率约降低16％）使效率提高、能耗降低，同时因采用土壤源换热装置按块分期交叉间歇运行方式延缓了地温过快降低或升高并有利于缩短地温恢复周期和保证土壤源热泵系统的节能效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的竖直埋管土壤源热泵机房节能系统的结构原理图；

图2是本发明的竖直埋管土壤源热泵机房节能系统的控制原理图；

图3是本发明中单台土壤源换热装置的结构原理图；

图4是本发明中土壤源换热装置的开关控制图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1、图2所示，本发明提供的本发明的一种竖直埋管土壤源热泵机房节能系统，包括以下部件：

至少两套土壤源换热装置1，接收空调回水，通过地源热泵机组与土壤热源换热以后输送空调供水；多套土壤源换热装置1相互独立，可以分别打开和关闭，每个土壤源换热装置1上的土壤源换热器11最好处于不同位置，可以向具有一定距离间隔的土壤进行换热。

用户侧分水器2，用于接收每个土壤源换热装置的空调供水，并将空调供水分流后提供给每个用户；

用户侧集水器3，用于接收从每个用户回流的空调回水，并将空调回水输送至每个土壤源换热装置；

控制装置4，用于开启或关闭每个土壤源换热装置1，并且用于控制土壤源换热装置1的工作方式；土壤源换热装置1的工作方式包括制冷和制热两种，通过控制土壤源换热装置1和用户侧中的介质水在地源热泵机组冷凝器或蒸发器中的互换流动可以实现制冷和制热的切换。

补水装置5，用于向每个土壤源换热装置1中进行补水；一路是向空调冷冻（热）水进行补水，另一路是向每个土壤源换热装置1进行补水。

土壤源换热装置1相互并联，且用户侧集水器2、土壤源换热装置1和用户侧分水器3依次连接，且每个土壤源换热装置1均与补水装置5连接，每个土壤源换热装置1均与控制装置4连接。

本法案与现有技术最主要的区别在于是将多台地源热泵机组共用一个大的土壤源换热器改为一分为三，每台地源热泵机组15各单独使用一个小的土壤源换热器。同时将多泵并联运行改为相互独立交叉间歇运行。在使用时可以随着末端负荷的功率大小调整单独使用一套土壤源换热装置1还是同时使用多套土壤源换热装置1。同时，多套土壤源换热装置1还可以依次交叉间歇运行，利用不同的土壤源换热器进行换热，延缓了土壤源换热器的地温过快升高或降低，并有利于缩短地温恢复周期和保证土壤源热泵系统的节能效益。

参阅图3所示，土壤源换热装置1包括土壤源换热器11、地源侧分水器12、地源侧集水器13、电子水处理器14、地源热泵机组15，还包括V1至V8阀门（21-28），地源热泵机组15一般包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。

地源侧分水器12、土壤源换热器11、地源侧集水器13和电子水处理器14依次连通；

地源热泵机组15中冷凝器的一个接口通过V5阀门25与地源侧分水器12连通，地源热泵机组15中冷凝器的一个接口还通过V7阀门27与用户侧分水器2连通；

地源热泵机组15中冷凝器的另一个接口通过V1阀门21与电子水处理器14连通；地源热泵机组15中冷凝器的另一个接口通过V3阀门23与用户侧集水器3连通；

地源热泵机组15中蒸发器的一个接口通过V6阀门26与地源侧分水器12连通，地源热泵机组15中蒸发器的一个接口还通过V8阀门28与用户侧分水器2连通；

地源热泵机组15中蒸发器的另一个接口通过V2阀门22与电子水处理器14连通；地源热泵机组15中蒸发器的另一个接口通过V4阀门24与用户侧集水器3连通。

参阅图4所示，供暖时，需要首先关闭土壤源换热装置1的V1阀门21、V4阀门24、V5阀门25、V8阀门28，然后开启V2阀门22、V3阀门23、V6阀门26、V7阀门27；

用户侧介质水通过地源热泵机组15中的冷凝器吸热，地源侧介质水通过蒸发器放热，而蒸发器和冷凝器在地源热泵机组15也进行热交换。用户侧介质水吸热以后通过用户侧分水器2传递给每个用户，放热后回到地源热泵机组15的冷凝器继续吸热。地源侧介质水通过蒸发器放热后通过地源侧分水器12，在土壤源换热器11中吸热，然后通过地源侧集水器13回流至地源热泵机组15中的蒸发器继续放热。

供冷时，需要首先关闭土壤源换热装置1的V2阀门22、V3阀门23、V6阀门26、V7阀门27，然后开启V1阀门21、V4阀门24、V5阀门25、V8阀门28。

用户侧介质水通过地源热泵机组15中的蒸发器放热，地源侧介质水通过冷凝器吸热，而蒸发器和冷凝器在地源热泵机组15也进行热交换。用户侧介质水放热以后通过用户侧分水器2传递给每个用户，吸热后回到地源热泵机组15继续放热。地源侧介质水通过冷凝器吸热后通过地源侧分水器12，在土壤源换热器11中放热，然后通过地源侧集水器13回流至地源热泵机组15中的冷凝器继续吸热。

经过本公司实验，二台土壤源换热装置1并联约提高地源侧循环水泵运行效率５％，三台土壤源换热装置1并联约提高地源侧循环水泵运行效率16％，如果再增加地热源热泵装置1数量，则增加制造和安装成本相比节能性的价比则较低了，所以土壤源换热装置1最优的数量为三组。优选的，用户侧集水器3还通过第二电子水处理器6与每个土壤源换热装置1连接。

为了实现本发明的第二目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种根据上述的竖直埋管土壤源热泵机房节能系统的节能方法，具体方法为，随着末端负荷功率的增大，依次增加土壤源换热装置1的开启数量，随着末端负荷功率的减小，依次减少土壤源换热装置1的开启数量。当末端负荷功率较小时，仅仅开启1个土壤源换热装置1，而随着末端负荷功率的增大，不断的增加土壤源换热装置1的开启数量。保证了末端负荷需要功率小，就开启较少的土壤源换热装置1，末端负荷较大，就开启较多的土壤源换热装置1，可以节约能源。优选的，每间隔一预定时间开启的土壤源换热装置1和关闭的土壤源换热装置1进行交替开启和关闭，例如开启一个关闭的土壤源换热装置1，并且关闭一个打开的土壤源换热装置1；或者开启两个关闭的土壤源换热装置1，并且关闭两个打开的土壤源换热装置1等。这样更换着开启和关闭土壤源换热装置1，来保证每个土壤源换热装置1对应的土壤源换热器能够有时间进行地温恢复。

在本实施例中，土壤源换热装置示例性的设置为三个，当然设置其他数量也不影响本实施例的实施，预设末端负荷功率为依次增高的第一换热功率、第二换热功率；

土壤源换热装置的开启数量以下方法判断：实时检测系统需要的换热功率，当需要的换热功率小于第一换热功率，仅开启一台土壤源换热装置1，当需要的换热功率位于第一换热功率和第二换热功率之间时，仅开启两台土壤源换热装置1，当需要的换热功率大于第二换热功率时，开启三台土壤源换热装置1。本方案是通过识别末端负荷功率。然后控制装置4控制各个土壤源换热装置1的开启数量。同时也可以对各个土壤源换热装置1进行交替的切换运行。

具体的，三个土壤源换热装置1分别为第一土壤源换热装置、第二土壤源换热装置和第三土壤源换热装置；

一个供暖或供冷周期随末端负荷的增大依次开启的是第一土壤源换热装置、第二土壤源换热装置、第三土壤源换热装置；

则下一个供暖或供冷周期随末端负荷功率增大依次开启第三土壤源换热装置、第二土壤源换热装置、第一土壤源换热装置；

或者下一个供暖或供冷周期随末端负荷功率增大依次开启第二土壤源换热装置、第三土壤源换热装置、第一土壤源换热装置。

以上供暖或供冷周期可以是一个供暖或供冷期，也可以是一年或二年也不影响本发明的实施。

本发明相对于现有技术，是将多台地源热泵机组共用一个大的土壤源换热器改为一分为三，每台地源热泵机组各单独使用一个小的土壤源换热器。同时将多泵并联运行改为相互独立交叉间歇运行。

该方法是按末端实时负荷，采用分期交叉间歇运行方式，避免地源侧循环水泵并联运行造成的能耗效率降低，同时因土壤源换热装置设置多个，分块交叉间歇运行并因高峰期运行时间较短（所有土壤源换热装置全部运行的时间较短），大大降低了能源消耗，同时延缓了地温过快降低或升高，缩短了地温恢复周期的土壤源换热装置。

本发明的有益效果是：因避免土壤源换热装置中地源侧循环水泵并联运行（二台水泵并联约降低５％，三台水泵并联约降低16％）使效率提高、能耗降低，同时因采用土壤源换热装置按块分期交叉间歇运行方式延缓了地温过快降低或升高并有利于缩短地温恢复周期和保证土壤源热泵系统的节能效益。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。