通過對地源熱泵系統(tǒng)增加反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)，克服地源熱泵的建筑冬夏負(fù)荷大致平衡的這一應(yīng)用限制條件。實(shí)現(xiàn)方式是：反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)與能量提升供給系統(tǒng)并聯(lián)，反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)與能量提升供給系統(tǒng)分別與地埋管換熱器系統(tǒng)連接，從而實(shí)現(xiàn)反季節(jié)平衡蓄能，并且與能量提升供給系統(tǒng)可以同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行，季節(jié)性地獨(dú)立向地下儲存地源熱泵系統(tǒng)不平衡部分的能量。
一、背景技術(shù)
地源熱泵雖然是極有發(fā)展前途的空調(diào)方式，而且在工程中越來越多地使用，但同時(shí)又存在著限止條件：那就是夏季向地下的總排熱量與冬季向下的總?cè)崃恳鞠嗟?。?dāng)冬夏兩季空調(diào)負(fù)荷不平衡（指季節(jié)總負(fù)荷）時(shí)，長期運(yùn)行地下溫度場得不到恢復(fù)，不能保證地?zé)嵩垂r。北方地區(qū)建筑物的冬季供暖季總熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季空調(diào)季總冷負(fù)荷，長期運(yùn)行會使使用的土壤溫度場溫度下降，使土壤源熱泵系統(tǒng)供熱能力和能效下降；對于南方地區(qū),由于夏季空調(diào)冷負(fù)荷大于冬季供暖負(fù)荷,可能造成地下土壤的溫度越來越高,造成機(jī)組的冷凝溫度提高,致使制冷量減少,耗功率上升。資料顯示：一般情況下,土壤溫度降低1℃,會使制取同樣熱量的能耗增加3～4%。給系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性帶來問題，給用戶帶來麻煩。被視為土壤源熱泵應(yīng)用的一大局限，認(rèn)為因其自身特點(diǎn)而有其適用的最佳地域范圍,即夏熱冬冷且冬夏冷熱負(fù)荷相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)。
對于冬夏冷熱負(fù)荷不相當(dāng)?shù)牡貐^(qū)，目前的工程解決辦法是加輔助熱源補(bǔ)償?shù)叵吕錈嵩床钪?，即混合源系統(tǒng)。對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區(qū),最常用的方法是采用鍋爐作為輔助熱源。對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區(qū),最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統(tǒng)。這些模式下的空調(diào)系統(tǒng)不是純粹的土壤源熱泵，土壤源熱泵的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢未能充分發(fā)揮。盡管如此，地源熱泵在長期運(yùn)行中的平衡性能否真正保證，在目前的工程應(yīng)用中也沒有測控手段，依然是一個(gè)盲區(qū)。在工程設(shè)計(jì)中，很多只考慮了地埋管滿足冬夏峰值負(fù)荷能力，而未必對兩個(gè)季節(jié)的總負(fù)荷差值有清晰的認(rèn)識（這是傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)計(jì)人員所不用考慮的），更沒有什么調(diào)控手段。
二、新技術(shù)內(nèi)容
地源熱泵平衡冬夏負(fù)荷技術(shù)，包括地下埋管換熱器系統(tǒng)、地源熱泵能量提升供給系統(tǒng)，技術(shù)特點(diǎn)在于：還包括反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)。地下埋管在連接地源熱泵機(jī)組的同時(shí)，還并聯(lián)連接著反季節(jié)平衡蓄能裝置。建筑物冬夏負(fù)荷不平衡的情況時(shí)，在相反的季節(jié)或過渡季節(jié)，可以向地下蓄存季節(jié)性冷熱量，以實(shí)現(xiàn)地源熱泵向地下的總排熱量與總排冷量相等，確保地源熱泵可控制地、長期穩(wěn)定地運(yùn)行。反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)，是將地上季節(jié)性冷量和熱量，包括太陽能、空氣、地表層土壤及水及各類建筑物中的季節(jié)性余能，通過采集、轉(zhuǎn)化后向地下蓄存利用的裝置。本技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式之一圖示如圖1。
對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區(qū),夏季運(yùn)行時(shí)，由于夏季向地下排熱能力較強(qiáng)，所以只需要使用部分地埋管換熱器1來和熱泵機(jī)組10連接，提供冷源，其余地埋管可通過兩組地源水集分水器：能量提升供給系統(tǒng)地源水集水器7和能量提升供給系統(tǒng)地源水分水器8、反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)地源水集水器2和反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)地源水分水器3上的閥門進(jìn)行切換，連通反季節(jié)蓄能系統(tǒng)，運(yùn)行蓄能水泵6和地上季節(jié)性熱量采集器4，使夏季地上的熱量通過地埋管換熱器1蓄存入地下；在過渡季節(jié)，如果是采用太陽能集熱器等可能的情況下，可以通過兩組地源水集分水器上的閥門切換，把地埋管換熱器1組群的部分或全部連接到反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)，進(jìn)行蓄能。直到達(dá)到最有利于冬季夏季綜合的最好地溫工況為止。冬季采暖時(shí),通過地源水兩組集分水器上的閥門的切換，把地埋管換熱器部分或全部連接在空調(diào)系統(tǒng)上，利用蓄存的熱量供熱；同時(shí)蓄存冷量，供夏季使用。
對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區(qū),也可以采用類似的運(yùn)行方式進(jìn)行反季節(jié)蓄冷。
三、技術(shù)原理及目的
1、本系統(tǒng)的平衡蓄能原理：從理論上說地下蓄存著取之不竭的淺層位品位能源，但由于土壤的熱擴(kuò)散能力非常有限，在土壤源熱泵冬夏季負(fù)荷不平衡時(shí)，長期運(yùn)行時(shí)能源得不到及時(shí)補(bǔ)償，不能保證地?zé)嵩垂r。從土壤源熱泵冬夏季運(yùn)行試驗(yàn)看，在整季運(yùn)行之后，豎向地埋管四周溫度場中溫度有明顯變化的地方為以豎埋管為中心，35米為半徑的范圍之較好的熱蓄體，對土壤進(jìn)行反季節(jié)蓄能，其擴(kuò)散范圍也不大，相應(yīng)就能得到高效率的利用，實(shí)際應(yīng)用中是豎向地埋管群為主，其蓄能效率更高。從長期運(yùn)行來看，地埋管地源熱泵更大程度是利用地下土壤等的良好蓄能性能。利用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)加反季節(jié)蓄能系統(tǒng)，用來解決冬夏季負(fù)荷不平衡問題，無疑是對這一應(yīng)用難題非常用效的突破性解決。不但可以平衡冬夏季負(fù)荷差，甚至還能通過過度蓄存來調(diào)節(jié)地下溫度工況，提高取熱能力，減少埋管量減小初投資，同時(shí)提高熱泵機(jī)組的能效，超理想地解決負(fù)荷不平衡。土壤源熱泵的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)充分發(fā)揮，使系統(tǒng)成為完整的土壤源熱泵。
2、本技術(shù)的目的：主要在于解決當(dāng)前的地埋管地源熱泵在冬夏季總的冷熱負(fù)荷相差較大的工程、地區(qū)，為了避免長期運(yùn)行地下溫度場得不到恢復(fù)、不能保證地?zé)嵩垂r，設(shè)計(jì)只能按較小的季節(jié)負(fù)荷部分地使用地源熱泵，負(fù)荷較大的季節(jié)要輔助能源來補(bǔ)償。本技術(shù)提出的地源熱泵系統(tǒng)，在總負(fù)荷較小季節(jié)或過渡季節(jié)利用運(yùn)行獨(dú)立的平衡蓄能系統(tǒng)向地下蓄能，來平衡負(fù)荷較大季節(jié)的季節(jié)負(fù)荷差，能夠?qū)崿F(xiàn)冬夏季都完全使用地下冷熱源滿足冷熱負(fù)荷的要求，而不需要其它冷熱源同時(shí)輔助運(yùn)行；還實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)調(diào)節(jié)地下溫度工況的作用，能夠提高地埋管換熱器的取熱能力，提高熱泵能效，減小初投資，在北方地區(qū)尤顯重要。
3、主要技術(shù)特征在于：反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)及其連接方式，即通過并聯(lián)的兩組地埋管集分水器及閥門，實(shí)現(xiàn)加入反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)，反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)與能量提升供給系統(tǒng)并聯(lián)，反季節(jié)平衡蓄能系統(tǒng)與能量提升供給系統(tǒng)分別與地埋管換熱器系統(tǒng)連接，從而實(shí)現(xiàn)反季節(jié)平衡蓄能，并且與能量提升供給系統(tǒng)可以同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行，季節(jié)性地獨(dú)立向地下儲存地源熱泵系統(tǒng)不平衡部分的能量。
本技術(shù)應(yīng)用或類似應(yīng)用實(shí)例：
實(shí)例1、2015年大興多所中小學(xué)地源熱泵+太陽能工程。中小學(xué)夏季放假，真正空調(diào)的時(shí)間很短，因此存在取熱負(fù)荷大于取冷負(fù)荷的問題，采用地源熱泵+太陽能季節(jié)性向地下土壤蓄能，完好地解決了冬夏負(fù)荷不平衡問題，并利用太陽能提高了冬季采暖能效。該工程由本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)完成，2015年實(shí)施。
實(shí)例2、山東中瑞新能源科技有限公司與清華大學(xué)合作打造的世界規(guī)模最大的“太陽能—地下土壤儲熱”工程，目前已進(jìn)入收尾階段。工程建設(shè)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市松山區(qū)金劍銅業(yè)西南側(cè)的一塊山坡地，占地面積為10853平方米(16.21畝)、地下土壤蓄熱體積超過50萬立方米，太陽能集熱面積達(dá)到1000平方米。該工程是目前世界上規(guī)模最大的“太陽能—地下土壤儲熱”工程。
四、可行性分析：
當(dāng)然平衡蓄存能量的現(xiàn)實(shí)可行性還要依據(jù)空調(diào)系統(tǒng)峰值冷熱負(fù)荷的大小、整季總冷熱負(fù)荷的大小、地埋管換熱的取熱排熱特性、初投資和運(yùn)行費(fèi)用幾個(gè)方面，在投資和能源利用效率上有優(yōu)勢，那將有著極大的實(shí)用意義。
1、技術(shù)原理上的可行性前面已論述；絕大多數(shù)工程，都必須監(jiān)測地下溫度場、都或多或少地需要向地下平衡蓄能。
2、反季節(jié)蓄能運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性：根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究資料(暖通空調(diào)雜志2005年第10期)顯示冬季向地下埋管蓄冷的能效比（即蓄冷量與耗電量的比值）為13以上。夏季向地下排熱的能效比更高。以不平衡率50%為例，只需要增加運(yùn)行費(fèi)的1/26以下，即增加單個(gè)季節(jié)總運(yùn)行費(fèi)用的3.85%以下的費(fèi)用。說明蓄能運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)上是可行的。
3、初投資的經(jīng)濟(jì)性：以北方地區(qū)為對像，蓄能系統(tǒng)增加：水泵、太陽能（平板式或真空管式）、管道及附件。主要以太陽能的造價(jià)為主。以不平衡率50%、建筑面積日均不平衡熱負(fù)荷50W/平米為例，需增加的造價(jià)為：50W太陽能市場價(jià)/建筑平米，約合幾元到幾十元/建筑平米。當(dāng)然這種反季節(jié)對太陽能集熱器的利用，并不妨礙太陽能集熱器冬季的使用，因此，再考慮到太陽能的冬季熱水、采暖功能，季節(jié)性蓄能的太陽能的造價(jià)還可以均攤出一部分。因?yàn)榉醇竟?jié)蓄能的太陽能集熱器可以是完全非冬季運(yùn)行，可不考慮其防凍的問題，因此，太陽能集熱器的造價(jià)可大大降低。
以南方為例，利用反季節(jié)蓄能在冬季向地下蓄存冷量，可利風(fēng)冷空調(diào)機(jī)的室外散熱部分作為本系統(tǒng)的取冷裝置，造價(jià)應(yīng)該也是很小的。綜上所述，反季節(jié)性蓄能在初資上也是可行的。
4、與建筑結(jié)合的可行性：地上反季節(jié)冷熱量采集裝置可以設(shè)置在屋頂、墻面及其它建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)處，可以與建筑一體化結(jié)合，也可以單獨(dú)設(shè)置。其形式為太陽能集熱器、地表水及空氣源集散熱器等形式的水管系統(tǒng)。
5、地質(zhì)水文上的可行性:地埋管相關(guān)的地下水流速，在卵石層等透水性良好的地層，水壓頭高的情況下，地下水流速通常都在10米/年以內(nèi)，透水性不夠良好、水壓頭不高的地層地下水流速都會成數(shù)量級地小。因此通常情況下地下水流對地源熱泵的影響都可忽略不計(jì)。
五、反季節(jié)蓄能拓展出的應(yīng)用價(jià)值：
以北方地區(qū)豎埋管換熱器的取熱能力弱和排熱能力強(qiáng)的特性及冷熱負(fù)荷特點(diǎn)，通過反季節(jié)蓄熱裝置調(diào)節(jié)地下溫度工況，提高豎向地埋管換熱器的取熱能力，對減少地埋管數(shù)量減小初投資、提高熱泵能效的意義也是值得研究的。這方面的研究成果不多，根據(jù)吉林大學(xué)的高青等人在文章《群井地下?lián)Q熱系統(tǒng)初溫和構(gòu)造因素影響傳熱的研究》（第4卷第1期2005年3月熱科學(xué)與技術(shù)1.4.1.2005)中的研究成果顯示，提高地下初始溫度對地源熱泵的影響是非常大的。因此利用反季節(jié)蓄能系統(tǒng)調(diào)節(jié)地下溫度場，對地源熱泵應(yīng)用的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性的影響也是值得本系統(tǒng)拓展出的應(yīng)用研究部分，有待開發(fā)。另外，反季節(jié)平衡蓄能與太陽能采暖相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)太陽能的多季節(jié)利用，是太陽能利的充分形式。
