耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱泵系統(tǒng)及運(yùn)行方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱泵系統(tǒng)及運(yùn)行方法，該熱泵系統(tǒng)組成熱泵機(jī)組用戶(hù)側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路，熱泵機(jī)組地源側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路及咸水層抽、灌井強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)回路，通過(guò)運(yùn)行方法實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式。本發(fā)明效果是加大地埋管換熱強(qiáng)度，避免埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”現(xiàn)象的發(fā)生，解決環(huán)渤海低平原區(qū)建筑負(fù)荷季節(jié)性比例失調(diào)引起的土壤熱失衡問(wèn)題。在咸水循環(huán)系統(tǒng)中增加換熱器，與地埋管中循環(huán)溶液換熱，在加強(qiáng)埋管地下?lián)Q熱的同時(shí)有效調(diào)節(jié)建筑負(fù)荷高峰。開(kāi)拓了土壤源熱泵系統(tǒng)作為淺層地?zé)崮茉诰G色建筑提升、改造中的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而降低建筑的能源供應(yīng)與二氧化碳減排量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱泵系統(tǒng)及運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)及運(yùn)行方法，屬于淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域與暖通空調(diào)領(lǐng)域。本技術(shù)可有效緩解土壤源熱栗地埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”現(xiàn)象，解決土壤熱失衡問(wèn)題。特別適用于淺層咸水資源儲(chǔ)量豐富，季節(jié)性建筑冷、熱負(fù)荷比例失調(diào)的環(huán)渤海低平原區(qū)。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤源熱栗是利用地下土壤溫度全年相對(duì)穩(wěn)定的特性，通過(guò)深埋于建筑物周?chē)膿Q熱管路和熱栗系統(tǒng)與建筑物內(nèi)部進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到為建筑物制冷和供暖的空調(diào)系統(tǒng)，因其具有穩(wěn)定性好、可靠性高、高效節(jié)能、環(huán)境效益好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。然而，隨著土壤源熱栗應(yīng)用地域的延伸及其使用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，土壤熱失衡現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)。土壤熱失衡的最大危害在于長(zhǎng)期運(yùn)行后埋管區(qū)域土壤的“冷、熱堆積”，這會(huì)導(dǎo)致土壤溫度逐漸偏離其作為理想冷、熱源時(shí)的原始溫度，并呈現(xiàn)出逐年升高(供冷為主的地區(qū))或降低(供暖為主的地區(qū))趨勢(shì)，從而導(dǎo)致熱栗蒸發(fā)溫度的降低或冷凝溫度的升高，最終會(huì)使系統(tǒng)運(yùn)行效率降低甚至惡化，從而失去土壤源熱栗所具有的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。
[0003]目前，土壤源熱栗應(yīng)用中的土壤熱失衡問(wèn)題以及埋管間“熱短路”、“熱干擾”已逐漸引起業(yè)內(nèi)人士的重視，針對(duì)冷熱負(fù)荷非平衡地區(qū)，相繼提出了一些調(diào)控土壤熱平衡的措施?，F(xiàn)有的解決方案中，增加埋管數(shù)量、增大地埋管間距等將造成初期投資的增加且只能減緩?fù)寥罍囟茸兓?，不能從根本上解決土壤熱失衡問(wèn)題，并且不適用于我國(guó)城鎮(zhèn)高密度建筑群的使用。增加太陽(yáng)能集熱器作為輔助熱源，或以冷卻塔、冷卻水池作為輔助散熱設(shè)備，則在增加初期投資的同時(shí)，造成系統(tǒng)復(fù)雜程度提高，運(yùn)行可靠性降低。
[0004]當(dāng)前土壤源熱栗垂直埋管深度在地下60-120m，在該地下埋深區(qū)域，我國(guó)環(huán)渤海低平原區(qū)具有比較豐富的地下咸水資源，據(jù)估算咸水資源總儲(chǔ)量在2500X 108m3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)調(diào)研，地下水溫度一般在13_15°C，底界埋深為40-160m，含水砂層厚度在6-15m之間。地下淺層咸水資源具有儲(chǔ)量大、分布廣、埋藏淺、易開(kāi)采、補(bǔ)給快、能耗低、封閉條件好的特點(diǎn)，符合長(zhǎng)期、可持續(xù)開(kāi)發(fā)、綜合利用的標(biāo)準(zhǔn)。地埋管換熱器在含水層中熱運(yùn)移包括:對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)、熱彌散效應(yīng)，其中熱傳導(dǎo)系數(shù)在數(shù)值上小于對(duì)流換熱系數(shù)幾倍甚至十幾倍，而對(duì)流換熱與熱彌散強(qiáng)弱變化主要取決于含水層中滲流速度。根據(jù)研究結(jié)果，當(dāng)?shù)叵滤魉贋?0m/y時(shí)，地埋管換熱器的換熱能力比無(wú)滲流時(shí)增大約30%。因此，將豐富的地下淺層咸水資源與土壤源熱栗系統(tǒng)相結(jié)合，探索一種高效、節(jié)能的耦合式土壤源熱栗系統(tǒng)，作為調(diào)控土壤熱失衡的有效措施。經(jīng)檢索已經(jīng)公開(kāi)的中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)，尚無(wú)該方向的相關(guān)專(zhuān)利文件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有土壤源熱栗系統(tǒng)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)及運(yùn)行方法，以利于將豐富的環(huán)渤海低平原區(qū)地下淺層咸水資源與土壤源熱栗系統(tǒng)相結(jié)合，成為避免地埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”，調(diào)控土壤熱失衡的有效措施。開(kāi)拓了土壤源熱栗系統(tǒng)作為淺層地?zé)崮茉诰G色建筑提升、改造中的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而降低建筑的能源供應(yīng)與二氧化碳減排量，對(duì)加速環(huán)渤海地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展與宜居生態(tài)城市建設(shè)步伐都具有重要意義。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)，該土壤源熱栗系統(tǒng)作用于環(huán)渤海低平原區(qū)底界埋深為40-160m儲(chǔ)量的咸水層，并與熱用戶(hù)相連接，其中:該系統(tǒng)包括有熱栗機(jī)組、地埋管換熱器、咸水層抽水井、咸水層回灌井、板式換熱器、變頻潛水栗、地埋管側(cè)循環(huán)栗、熱用戶(hù)側(cè)循環(huán)栗、回灌井加壓栗、觀測(cè)井、回灌水儲(chǔ)液罐、地下水溫監(jiān)控系統(tǒng)、回灌滲水砂池、水溫監(jiān)測(cè)探頭;所述熱栗機(jī)組的用戶(hù)側(cè)出口依次連接用戶(hù)循環(huán)水栗、提供空調(diào)負(fù)荷的熱用戶(hù)回到地源熱栗機(jī)組用戶(hù)端，構(gòu)成熱栗機(jī)組用戶(hù)側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路;所述熱栗機(jī)組的地埋管換熱器側(cè)出口依次連接地埋管換熱器、地埋管側(cè)循環(huán)栗、板式換熱器，通過(guò)第一閥門(mén)回到地源熱栗機(jī)組地埋管換熱器端，構(gòu)成熱栗機(jī)組地源側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路;所述咸水層抽水井依次連接變頻潛水栗、板式換熱器，通過(guò)回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置回到回灌井，構(gòu)成咸水層抽、灌井循環(huán)回路;所述抽水井與回灌井，在地埋管換熱器井群區(qū)域兩端沿咸水層水力坡度方向依次布置，在回路中設(shè)置回灌加壓栗，為防止回灌堵塞或者停電等突發(fā)事件，抽、回灌井功能可以互換，并且回路中安裝回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置，同時(shí)抽、回灌井均設(shè)有回灌滲水砂池。
[0007]同時(shí)提供一種利用所述的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)的運(yùn)行方法。
[0008]本發(fā)明的效果是與常規(guī)土壤源熱栗系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0009]1、充分利用我國(guó)環(huán)渤海低平原區(qū)地下淺層儲(chǔ)量豐富的咸水資源，通過(guò)在地埋管換熱器井群區(qū)域兩端布設(shè)抽、灌井，形成咸水循環(huán)系統(tǒng)，引起咸水層滲流溶液發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流，加大地埋管換熱強(qiáng)度，避免埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”現(xiàn)象的發(fā)生，解決建筑負(fù)荷季節(jié)性比例失調(diào)引起的土壤熱失衡問(wèn)題。
[0010]2、在咸水循環(huán)系統(tǒng)中增加換熱器，根據(jù)建筑空調(diào)負(fù)荷變化特征，與地埋管中循環(huán)溶液換熱，在加強(qiáng)埋管地下?lián)Q熱的同時(shí)有效調(diào)節(jié)建筑負(fù)荷高峰。
[0011]3、在耦合系統(tǒng)中，僅增加了板式換熱器及相關(guān)附件，所需初投資較低，且管道連接形式簡(jiǎn)單。由于咸水層循環(huán)過(guò)程加大地埋管換熱強(qiáng)度，可以有效縮小井孔布置區(qū)域，減少地埋管換熱器井孔數(shù)量30%，鉆井深度可減少40%，根據(jù)預(yù)算分析，對(duì)于相同的建筑空調(diào)負(fù)荷，初投資可以減少15%?25%，適用于環(huán)渤海低平原區(qū)新建或改造的土壤源熱栗工程。
[0012]4、引入地埋管換熱器實(shí)際換熱量Q與最大換熱量Q’的比值，換熱器能效系數(shù)E作為地埋管換熱器傳熱性能評(píng)價(jià)參數(shù)。針對(duì)當(dāng)前普遍適用的地下埋深120m，2U型DN25HDPE地埋管換熱器，土壤源熱栗機(jī)組熱源側(cè)進(jìn)/出水溫度在制冷工況下為25°C/30°C;制熱工況下為7°C/3°C。分析結(jié)果表明:利用環(huán)渤海低平原區(qū)地下淺層咸水資源的耦合強(qiáng)制對(duì)流井模式，在夏季制冷、冬季制熱階段2U型管進(jìn)出口溫差均大于常規(guī)地埋管換熱模式，能效系數(shù)E分別高于后者25.1%、20.8%。由于咸水層中存在強(qiáng)制滲流過(guò)程，換熱器與其所在巖土層的傳熱是在溫度梯度與水動(dòng)力梯度共同作用下的對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)與熱彌散效應(yīng)相互耦合的傳熱過(guò)程，可以有效、及時(shí)將熱量迀移出井群周?chē)?，緩解巖土層熱堆積，最終提高埋設(shè)于咸水層中地埋管的換熱能力。
[0013]本發(fā)明以低初投資、低運(yùn)行能耗與簡(jiǎn)單的系統(tǒng)連接形式，充分利用環(huán)渤海低平原區(qū)淺層咸水資源，與土壤源熱栗系統(tǒng)相結(jié)合，成為避免地埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”，調(diào)控土壤熱失衡的有效措施。開(kāi)拓了土壤源熱栗系統(tǒng)作為淺層地?zé)崮茉诰G色建筑提升、改造中的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而降低建筑的能源供應(yīng)與二氧化碳減排量，對(duì)加速環(huán)渤海地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展與宜居生態(tài)城市建設(shè)步伐都具有重要意義。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)圖；
[0015]圖2是本發(fā)明耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗井管布置圖。
[0016]圖中:
[0017]1、熱用戶(hù)2、熱栗機(jī)組3、地埋管換熱器井群4、抽水井5、回灌井
[0018]6、板式換熱器7、變頻潛水栗8、地埋管側(cè)循環(huán)栗9、熱用戶(hù)側(cè)循環(huán)栗
[0019]10、回灌井加壓栗11、換熱器地埋管循環(huán)液第一閥門(mén)
[0020]12、換熱器地埋管循環(huán)液第二閥門(mén)13、換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)
[0021]14、換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)15、咸水層16、黏土隔水層
[0022]17、觀測(cè)井18、回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置19、地下水位、水溫監(jiān)控系統(tǒng)20、抽灌井系統(tǒng)第一閥門(mén)21、抽灌井系統(tǒng)第二閥門(mén)
[0023]22、抽灌井系統(tǒng)第三閥門(mén)23、抽灌井系統(tǒng)第四閥門(mén)
[0024]24、回灌滲水砂池25、水溫監(jiān)測(cè)探頭
【具體實(shí)施方式】
[0025]結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)及運(yùn)行方法加以說(shuō)明。
[0026]本發(fā)明的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)及運(yùn)行方法設(shè)計(jì)思想是基于在常規(guī)土壤源熱栗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加環(huán)渤海地區(qū)的咸水層循環(huán)、換熱系統(tǒng)及其附件，根據(jù)建筑空調(diào)負(fù)荷特征與地埋管換熱器所在區(qū)域土壤溫度的變化，可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式。
[0027]本發(fā)明的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)，該土壤源熱栗系統(tǒng)作用于環(huán)渤海低平原區(qū)底界埋深為40-160m儲(chǔ)量的咸水層，并與熱用戶(hù)I相連接，該系統(tǒng)包括有熱栗機(jī)組2、地埋管換熱器3、咸水層抽水井4、咸水層回灌井5、板式換熱器6、變頻潛水栗7、地埋管側(cè)循環(huán)栗8、熱用戶(hù)側(cè)循環(huán)栗9、回灌井加壓栗10、觀測(cè)井17、回灌水儲(chǔ)液罐18、地下水溫監(jiān)控系統(tǒng)19、回灌滲水砂池24、水溫監(jiān)測(cè)探頭25;所述熱栗機(jī)組2的用戶(hù)側(cè)出口依次連接用戶(hù)循環(huán)水栗9、提供空調(diào)負(fù)荷的熱用戶(hù)I回到地源熱栗機(jī)組2用戶(hù)端，構(gòu)成熱栗機(jī)組用戶(hù)側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路;所述熱栗機(jī)組2的地埋管換熱器側(cè)出口依次連接地埋管換熱器3、地埋管側(cè)循環(huán)栗8、板式換熱器6，通過(guò)第一閥門(mén)11回到地源熱栗機(jī)組2地埋管換熱器端，構(gòu)成熱栗機(jī)組地源側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路;所述咸水層抽水井4依次連接變頻潛水栗7、板式換熱器6，通過(guò)回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置18回到回灌井5，構(gòu)成咸水層抽、灌井循環(huán)回路;所述抽水井4與回灌井5，在地埋管換熱器井群3區(qū)域兩端沿咸水層水力坡度方向依次布置，在回路中設(shè)置回灌加壓栗10，為防止回灌堵塞或者停電等突發(fā)事件，抽、回灌井功能可以互換，并且回路中安裝回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置18，同時(shí)抽、回灌井均設(shè)有回灌滲水砂池24。
[0028]在地埋管換熱器井群3區(qū)域的內(nèi)部布設(shè)觀測(cè)井孔17，在觀測(cè)井孔17及抽水井4與回灌井5內(nèi)部均設(shè)置測(cè)溫探頭25。
[0029]利用所述的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)的運(yùn)行方法，該方法包括以下步驟:
[0030]在制冷與供熱運(yùn)行初期與末期，關(guān)閉咸水層抽、灌井循環(huán)回路，打開(kāi)熱栗機(jī)組地源側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路中第一閥門(mén)11，關(guān)閉回路中第二閥門(mén)12，系統(tǒng)作為常規(guī)單一土壤源熱栗運(yùn)行。
[0031]當(dāng)測(cè)溫探頭25監(jiān)測(cè)到土壤源熱栗運(yùn)行過(guò)程中地埋管換熱器井群3所在土壤溫度出現(xiàn)大于或小于初始溫度l°c的變化時(shí)，開(kāi)啟咸水層抽、灌循環(huán)回路，在抽水井變頻潛水栗7與回灌加壓栗10的作用下，打開(kāi)換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)13，關(guān)閉換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)14，使咸水層出現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流；
[0032]在供冷與供熱工況下，地埋管換熱器井群3的進(jìn)/出水溫差分別小于5°C、4°C時(shí)，打開(kāi)換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)14與換熱器地埋管循環(huán)液第二閥門(mén)12，關(guān)閉換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)13與換熱器地埋管循環(huán)液第一閥門(mén)11，在抽水井變頻潛水栗7與回灌加壓栗10的作用下，地下咸水進(jìn)入換熱器6與地埋管換熱器井群3中循環(huán)溶液換熱。
[0033]如圖2所示的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗井管布置圖，在地埋管換熱器井群3布置區(qū)域兩端，沿咸水層15水力坡度方向依次布置抽水井4與回灌井5，抽水井4、回灌井5的井徑、井深以及所利用的咸水層15根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果確定;抽、回灌總水量與抽水井
4、回灌井5比例以及之間距離根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)以及建筑空調(diào)負(fù)荷確定，針對(duì)環(huán)渤海平原區(qū)咸水層水文地質(zhì)特征，建議抽水井4、回灌井5比例大于1:3。系統(tǒng)采用同期加壓回灌模式，在回路中設(shè)置回灌加壓栗10，為防止回灌堵塞或者停電等突發(fā)事件，抽、回灌井功能可以互換，并且回路中安裝回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置18，同時(shí)抽、回灌井均設(shè)有回灌滲水砂池24，以重力回灌作為輔助回灌方式。在地埋管換熱器井群區(qū)域布設(shè)觀測(cè)井孔17，設(shè)置測(cè)溫探頭25，當(dāng)監(jiān)測(cè)到土壤源熱栗運(yùn)行過(guò)程中地埋管換熱器所在土壤溫度出現(xiàn)變化時(shí)，開(kāi)啟咸水層抽、灌循環(huán)系統(tǒng)，在抽水井變頻潛水栗7與回灌加壓栗10的作用下，使咸水層出現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流，增加對(duì)流換熱能力，提高地埋管換熱器系統(tǒng)運(yùn)行效率，消除地埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”，避免土壤出現(xiàn)冷、熱堆積。
[0034]如圖1所示的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)圖。土壤源熱栗供熱、供冷模式中:在熱栗系統(tǒng)供熱與供冷階段末期，關(guān)閉地下咸水抽、灌井變頻潛水栗7與回灌加壓栗10以及環(huán)路中換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)13、換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)14，單獨(dú)運(yùn)行土壤源熱栗系統(tǒng)。循環(huán)溶液通過(guò)埋設(shè)于黏土隔水層16與咸水層15的地埋管換熱器向土壤換熱后，通過(guò)地埋管側(cè)循環(huán)栗8與換熱器地埋管循環(huán)液第一閥門(mén)11進(jìn)入熱栗機(jī)組2進(jìn)行制冷與制熱，回到地埋管換熱器井群3，構(gòu)成供熱、供冷循環(huán)回路，通過(guò)熱用戶(hù)側(cè)循環(huán)栗9為熱用戶(hù)I提供空調(diào)負(fù)荷。由于在供熱與供冷階段末期，建筑空調(diào)負(fù)荷較低，地埋管換熱完全可以單獨(dú)承擔(dān)換熱能力。將土壤源熱栗作為一種以地下土壤作為蓄能體的跨季節(jié)地下蓄能與釋能系統(tǒng)，在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，適當(dāng)在埋管換熱器所在土壤中蓄存一定的“冷量”與“熱量”，在下一個(gè)供冷與供熱階段初期，巖土層溫度高于初始狀態(tài)，與埋管內(nèi)循環(huán)溶液溫差增大，從而增強(qiáng)了該階段地埋管換熱能力。
[0035]本發(fā)明的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)及運(yùn)行方法，充分利用環(huán)渤海低平原區(qū)地下淺層溫度在13-15°C，底界埋深為40-160m，含水砂層厚度在6-15m之間特有的儲(chǔ)量豐富、抽灌便捷的咸水資源，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了本耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)，包括以下三種獨(dú)立的運(yùn)行模式:
[0036]1、耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井土壤源熱栗供熱、供冷模式:在熱栗系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過(guò)設(shè)置在觀測(cè)井孔17中測(cè)溫探頭監(jiān)測(cè)到地埋管換熱器井群4在供熱與供冷階段，所在土壤溫度出現(xiàn)下降與上升，開(kāi)啟咸水層抽水井變頻潛水栗7，打開(kāi)換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)11，關(guān)閉換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)12。通過(guò)地下咸水抽、灌循環(huán)，增強(qiáng)咸水層中滲流速度，利用咸水循環(huán)流動(dòng)提高埋管換熱器井群4在咸水層中的對(duì)流換熱能力，消除冷、熱堆積。
[0037]2、耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井換熱土壤源熱栗供熱、供冷模式:在建筑空調(diào)負(fù)荷接近、達(dá)到運(yùn)行峰值時(shí)，打開(kāi)換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)12，關(guān)閉換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)11，地下咸水進(jìn)入換熱器6與地埋管中循環(huán)溶液換熱，在強(qiáng)化埋管地下?lián)Q熱的同時(shí)有效調(diào)節(jié)建筑負(fù)荷高峰。當(dāng)前，制冷工況下，土壤源熱栗機(jī)組2熱源側(cè)進(jìn)/出水溫度通常為25°C_30°C ;制熱工況下，土壤源熱栗機(jī)組2熱源側(cè)進(jìn)/出水溫度通常為7°C_3°C。然而地下咸水溫度保持在13-15°C左右，因此在制熱與制冷工況中均可以有效提高或者降低進(jìn)入熱栗機(jī)組循環(huán)溶液溫度，提高機(jī)組的運(yùn)行效率。針對(duì)當(dāng)前普遍適用的地下埋深120m，2U型DN25HDPE地埋管換熱器，對(duì)于相同建筑空調(diào)負(fù)荷，采用耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井換熱土壤源熱栗供熱、供冷模式，根據(jù)計(jì)算分析，充分利用環(huán)渤海低平原區(qū)淺層咸水資源，可以有效縮小井孔布置區(qū)域，減少地埋管換熱器井孔數(shù)量30 %，鉆井深度可減少40 %，初投資可以減少15 %?25 %。在夏季制冷、冬季制熱階段2U型管進(jìn)出口溫差均大于常規(guī)地埋管換熱模式，能效系數(shù)E分別高于常規(guī)單一土壤源熱栗25.1%、20.8%。適用于環(huán)渤海低平原區(qū)新建或改造的土壤源熱栗工程。
[0038]3、土壤源熱栗供熱、供冷模式:在供熱與供冷階段末期，關(guān)閉地下咸水抽、灌井循環(huán)，單獨(dú)運(yùn)行土壤源熱栗系統(tǒng)。在供熱與供冷階段末期，建筑空調(diào)負(fù)荷較低，地埋管換熱完全可以單獨(dú)承擔(dān)換熱能力。同時(shí)，充分考慮到地下土壤是具有蓄能功能的“蓄能體”，而不是簡(jiǎn)單的“冷源”或“熱源”，土壤源熱栗實(shí)質(zhì)上是一種以地下土壤作為蓄能體的跨季節(jié)地下蓄能與釋能系統(tǒng)。因此，在供熱與供冷階段末期，在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，適當(dāng)在埋管換熱器井群所在土壤中蓄存一定的“冷量”與“熱量”，在下一個(gè)供冷與供熱階段初期，可以增加埋管換熱器井群中循環(huán)溶液與土壤之間的溫度差，提高機(jī)組運(yùn)行效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)，該土壤源熱栗系統(tǒng)作用于環(huán)渤海低平原區(qū)底界埋深為40-160m的咸水層，并與熱用戶(hù)(I)相連接，其特征是:該系統(tǒng)包括有熱栗機(jī)組(2)、地埋管換熱器(3)、咸水層抽水井(4)、咸水層回灌井(5)、板式換熱器(6)、變頻潛水栗(7)、地埋管側(cè)循環(huán)栗(8)、熱用戶(hù)側(cè)循環(huán)栗(9)、回灌井加壓栗(10)、觀測(cè)井(17)、回灌水儲(chǔ)液罐(18)、地下水溫監(jiān)控系統(tǒng)(19)、回灌滲水砂池(24)、水溫監(jiān)測(cè)探頭(25);所述熱栗機(jī)組(2)的用戶(hù)側(cè)出口依次連接用戶(hù)循環(huán)水栗(9)、提供空調(diào)負(fù)荷的熱用戶(hù)(I)回到地源熱栗機(jī)組(2)用戶(hù)端，構(gòu)成熱栗機(jī)組用戶(hù)側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路;所述熱栗機(jī)組(2)的地埋管換熱器側(cè)出口依次連接地埋管換熱器(3)、地埋管側(cè)循環(huán)栗(8)、板式換熱器(6)，通過(guò)第一閥門(mén)(11)回到地源熱栗機(jī)組(2)地埋管換熱器端，構(gòu)成熱栗機(jī)組地源側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路；所述咸水層抽水井(4)依次連接變頻潛水栗(7)、板式換熱器(6)，通過(guò)回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置(18)回到回灌井(5)，構(gòu)成咸水層抽、灌井循環(huán)回路;所述抽水井(4)與回灌井(5)，在地埋管換熱器井群(3)區(qū)域兩端沿咸水層水力坡度方向依次布置，在回路中設(shè)置回灌加壓栗(10)，為防止回灌堵塞或者停電等突發(fā)事件，抽、回灌井功能可以互換，并且回路中安裝回灌水儲(chǔ)液罐及除砂裝置(18)，同時(shí)抽、回灌井均設(shè)有回灌滲水砂池(24)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)，其特征是:在地埋管換熱器井群(3)區(qū)域的內(nèi)部布設(shè)觀測(cè)井孔(17)，在觀測(cè)井孔(17)及抽水井(4)與回灌井(5)內(nèi)部均設(shè)置測(cè)溫探頭(25)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耦合咸水層強(qiáng)制對(duì)流井式土壤源熱栗系統(tǒng)及運(yùn)行方法，其特征是:該方法包括以下步驟: 在制冷與供熱運(yùn)行初期與末期，關(guān)閉咸水層抽、灌井循環(huán)回路，打開(kāi)熱栗機(jī)組地源側(cè)供熱、供冷循環(huán)回路中第一閥門(mén)(11)，關(guān)閉回路中第二閥門(mén)(12)，系統(tǒng)作為常規(guī)單一土壤源熱栗運(yùn)行； 當(dāng)測(cè)溫探頭(25)監(jiān)測(cè)到土壤源熱栗運(yùn)行過(guò)程中地埋管換熱器井群(3)所在土壤溫度出現(xiàn)大于或小于初始溫度1°C的變化時(shí)，開(kāi)啟咸水層抽、灌循環(huán)回路，在抽水井變頻潛水栗(7)與回灌加壓栗(10)的作用下，打開(kāi)換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)(13)，關(guān)閉換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)(14)，使咸水層出現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流； 在供冷與供熱工況下，地埋管換熱器井群(3)的進(jìn)/出水溫差分別小于5°C、4°C時(shí)，打開(kāi)換熱器抽-灌井水第二閥門(mén)(14)與換熱器地埋管循環(huán)液第二閥門(mén)(12)，關(guān)閉換熱器抽-灌井水第一閥門(mén)(13)與換熱器地埋管循環(huán)液第一閥門(mén)(11)，在抽水井變頻潛水栗(7)與回灌加壓栗(10)的作用下，地下咸水進(jìn)入板式換熱器(6)與地埋管換熱器井群(3)中循環(huán)溶液換熱。
【文檔編號(hào)】F25B30/06GK105865085SQ201610184417
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月28日
【發(fā)明人】馬玖辰, 朱龍虎, 趙明波, 余德, 鄭華豪, 葛學(xué)文, 錢(qián)景超
【申請(qǐng)人】天津城建大學(xué)