[發明專利]耦合咸水層強制對流井式土壤源熱泵系統及運行方法

有效

• 申請號: 201610184417.7
• 申請日: 2016-03-28
• 公開（公告）號: CN105865085B
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 馬玖辰;朱龍虎;趙明波;余德;鄭華豪;葛學文;錢景超
• 申請（專利權）人: 天津城建大學
• 主分類號: F25B30/06
• 分類號: F25B30/06
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司12108
• 代理人: 呂志英

技術領域

本發明涉及一種耦合咸水層強制對流井式土壤源熱泵系統及運行方法，屬于淺層地熱能開發利用領域與暖通空調領域。本技術可有效緩解土壤源熱泵地埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”現象，解決土壤熱失衡問題。特別適用于淺層咸水資源儲量豐富，季節性建筑冷、熱負荷比例失調的環渤海低平原區。

背景技術

土壤源熱泵是利用地下土壤溫度全年相對穩定的特性，通過深埋于建筑物周圍的換熱管路和熱泵系統與建筑物內部進行熱交換，從而達到為建筑物制冷和供暖的空調系統，因其具有穩定性好、可靠性高、高效節能、環境效益好等優點，應用前景相當廣闊。然而，隨著土壤源熱泵應用地域的延伸及其使用規模的不斷擴大，土壤熱失衡現象逐漸顯現。土壤熱失衡的最大危害在于長期運行后埋管區域土壤的“冷、熱堆積”，這會導致土壤溫度逐漸偏離其作為理想冷、熱源時的原始溫度，并呈現出逐年升高(供冷為主的地區)或降低(供暖為主的地區)趨勢，從而導致熱泵蒸發溫度的降低或冷凝溫度的升高，最終會使系統運行效率降低甚至惡化，從而失去土壤源熱泵所具有的節能優勢。

目前，土壤源熱泵應用中的土壤熱失衡問題以及埋管間“熱短路”、“熱干擾”已逐漸引起業內人士的重視，針對冷熱負荷非平衡地區，相繼提出了一些調控土壤熱平衡的措施?，F有的解決方案中，增加埋管數量、增大地埋管間距等將造成初期投資的增加且只能減緩土壤溫度變化，不能從根本上解決土壤熱失衡問題，并且不適用于我國城鎮高密度建筑群的使用。增加太陽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備，則在增加初期投資的同時，造成系統復雜程度提高，運行可靠性降低。

當前土壤源熱泵垂直埋管深度在地下60-120m，在該地下埋深區域，我國環渤海低平原區具有比較豐富的地下咸水資源，據估算咸水資源總儲量在2500×10⁸m³。根據現場勘測調研，地下水溫度一般在13-15℃，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量大、分布廣、埋藏淺、易開采、補給快、能耗低、封閉條件好的特點，符合長期、可持續開發、綜合利用的標準。地埋管換熱器在含水層中熱運移包括：對流換熱、熱傳導、熱彌散效應，其中熱傳導系數在數值上小于對流換熱系數幾倍甚至十幾倍,而對流換熱與熱彌散強弱變化主要取決于含水層中滲流速度。根據研究結果，當地下水流速為30m/y時，地埋管換熱器的換熱能力比無滲流時增大約30％。因此，將豐富的地下淺層咸水資源與土壤源熱泵系統相結合，探索一種高效、節能的耦合式土壤源熱泵系統，作為調控土壤熱失衡的有效措施。經檢索已經公開的中國專利文獻，尚無該方向的相關專利文件。

發明內容

針對現有土壤源熱泵系統中的不足，本發明的目的是提供一種耦合咸水層強制對流井式土壤源熱泵系統及運行方法，以利于將豐富的環渤海低平原區地下淺層咸水資源與土壤源熱泵系統相結合，成為避免地埋管換熱器“熱短路”、“熱干擾”，調控土壤熱失衡的有效措施。開拓了土壤源熱泵系統作為淺層地熱能在綠色建筑提升、改造中的應用領域，進而降低建筑的能源供應與二氧化碳減排量，對加速環渤海地區的可持續發展與宜居生態城市建設步伐都具有重要意義。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種耦合咸水層強制對流井式土壤源熱泵系統，該土壤源熱泵系統作用于環渤海低平原區底界埋深為40-160m儲量的咸水層，并與熱用戶相連接，其中：該系統包括有熱泵機組、地埋管換熱器、咸水層抽水井、咸水層回灌井、板式換熱器、變頻潛水泵、地埋管側循環泵、熱用戶側循環泵、回灌井加壓泵、觀測井、回灌水儲液罐、地下水溫監控系統、回灌滲水砂池、水溫監測探頭；所述熱泵機組的用戶側出口依次連接用戶循環水泵、提供空調負荷的熱用戶回到地源熱泵機組用戶端，構成熱泵機組用戶側供熱、供冷循環回路；所述熱泵機組的地埋管換熱器側出口依次連接地埋管換熱器、地埋管側循環泵、板式換熱器，通過第一閥門回到地源熱泵機組地埋管換熱器端，構成熱泵機組地源側供熱、供冷循環回路；所述咸水層抽水井依次連接變頻潛水泵、板式換熱器，通過回灌水儲液罐及除砂裝置回到回灌井，構成咸水層抽、灌井循環回路；所述抽水井與回灌井，在地埋管換熱器井群區域兩端沿咸水層水力坡度方向依次布置，在回路中設置回灌加壓泵，為防止回灌堵塞或者停電等突發事件，抽、回灌井功能可以互換，并且回路中安裝回灌水儲液罐及除砂裝置，同時抽、回灌井均設有回灌滲水砂池。

同時提供一種利用所述的耦合咸水層強制對流井式土壤源熱泵系統的運行方法。

本發明的效果是與常規土壤源熱泵系統相比具有以下優點：