阅读说明：本技术 土壤温度恢复装置及方法 (Soil temperature recovery device and method ) 是由 李永 刘士龙 刘建林 李沫 张宁 朱静 于 2020-05-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种土壤温度恢复装置及方法,属于供热技术领域,包括表冷器、热泵机组及地埋管换热器,多个采暖末端出口与水管I并联,水管I通过水泵I、热泵机组及水管VII与地埋管换热器进口相连,地埋管换热器出口与水管VIII相连,水管VIII上设有水泵II,水泵II出口通过热泵机组与水管II相连,水管II与若干个采暖末端进口并联；表冷器出口并联水管IV及水管V,水管IV另一端与水泵I进口相连,水管V另一端与地埋管换热器进口相连,表冷器进口并联水管III及水管VI,水管III另一端与水管II相连,水管VI另一端与水泵II出口相连,各水管上均设有阀门。利用本发明能够实现对土壤的补热,进而提升土壤温度。本发明尤其适用于单供暖的大规模居住建筑。(The invention discloses a soil temperature recovery device and a method, belonging to the technical field of heat supply, and comprising a surface air cooler, a heat pump unit and a ground heat exchanger, wherein a plurality of heating tail end outlets are connected in parallel with a water pipe I, the water pipe I is connected with the inlet of the ground heat exchanger through a water pump I, the heat pump unit and a water pipe VII, the outlet of the ground heat exchanger is connected with a water pipe VIII, a water pump II is arranged on the water pipe VIII, the outlet of the water pump II is connected with the water pipe II through the heat pump unit, and the water pipe II is connected with a plurality of heating tail end; parallelly connected water pipe IV of surface cooler export and water pipe V, the water pipe IV other end links to each other with water pump I import, and the water pipe V other end links to each other with the ground heat exchanger import, and parallelly connected water pipe III of surface cooler import and water pipe VI, the water pipe III other end links to each other with water pipe II, and the water pipe VI other end links to each other with water pump II export, all is equipped with the valve on each water pipe. The invention can realize heat supplement to the soil, thereby improving the soil temperature. The invention is especially suitable for large-scale residential buildings with single heating.)

土壤温度恢复装置及方法

技术领域

本发明属于供热技术领域，尤其涉及一种土壤温度恢复装置及方法。

背景技术

近年来，地埋管地源热泵作为可再生能源建筑应用的一种形式，得到了大力的推广应用。但是由于对该技术认识不透彻和大肆的商业炒作等原因，许多并不适宜采用该技术的项目也采用了该技术，造成系统在运行过程中出现了许多问题。最典型的问题是在单供暖的大规模居住建筑中，存在土壤温度逐年下降的趋势，有许多项目在运行了若干年之后，土壤温度逐年降低，最后土壤温度低至无法继续正常供暖，导致供暖成本越来越高。因此，尽快找到一种成本可接受的，能使土壤温度提升并恢复的技术，已成为目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤温度恢复装置及方法，旨在解决上述现有技术中由于土壤温度降低而不能保证持续稳定供暖的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种土壤温度恢复装置，包括表冷器、热泵机组、地埋管换热器及若干个采暖末端，若干个采暖末端的出水口与水管I并联连接，所述水管I依次通过水泵I、热泵机组及水管VII与地埋管换热器的进口相连，所述地埋管换热器的出水口与水管VIII相连，所述水管VIII上设有水泵II，所述水泵II的出口通过热泵机组与水管II相连，所述水管II与若干个采暖末端的进水口并联连接；所述表冷器的出口并联连接水管IV及水管V，所述水管IV的另一端与水泵I的进口相连，所述水管V的另一端与地埋管换热器的进口相连，所述表冷器的进口并联连接水管III及水管VI，所述水管III的另一端与水管II相连，所述水管VI的另一端与水泵II的出口相连；

所述水管I上设有阀门I、且阀门I设置于水管IV与采暖末端之间，所述水管II上设有阀门II、且阀门II设置于热泵机组与采暖末端之间，所述水管III上设有阀门III，所述水管IV上设有阀门IV，所述水管V上设有阀门V，所述水管VI上设有阀门VI，所述水管VII上设有阀门VII，所述阀门VII设置于水管V与热泵机组之间，所述水管VIII上设有阀门VIII，所述阀门VIII设置于水泵II与热泵机组之间。

优选的，所述表冷器、热泵机组、水泵I及水泵II均与控制器电连接。

优选的，所述阀门I至阀门VIII均为电磁阀，所述电磁阀均与控制器电连接。

本发明还提供了一种土壤温度恢复方法，应用上述土壤温度恢复装置进行土壤温度恢复的运行过程如下：

1)正常供热：热泵机组的主机开启，水泵I及水泵II开启，阀门III、阀门IV、阀门V、阀门VI关闭，阀门I、阀门II、阀门VII、阀门VIII开启；

2)主动补热：热泵机组主机开启，水泵I及水泵II开启，阀门I、阀门II、阀门V、阀门VI关闭，阀门III、阀门IV、阀门VII、阀门VIII开启；开启热泵机组制热，热泵机组的蒸发器通过表冷器从室外空气中吸取热量，然后利用地埋管换热器将热泵机组冷凝器排放的热量蓄存至地下土壤中，起到恢复地温的作用；

3)被动补热：热泵主机关闭，水泵I及水泵II开启，阀门I、阀门II、阀门III、阀门IV、阀门VII、阀门VIII关闭，阀门V、阀门VI开启；不开启热泵机组，利用表冷器直接从室外空气中吸取热量，然后通过地埋管换热器将空气中的热量蓄存到地下土壤中；

4)主动补热与被动补热的切换：

首先采取主动补热，以土壤温度的提升值作为自变量，补热与制热费用总和取值最低时的土壤提升温度作为目标提升温度，当目标提升温度与年供暖取热量造成土壤温度下降值接近时，转换为被动补热。

优选的，所述土壤温度恢复装置由控制器控制，表冷器的选择及补热过程如下：

A、按被动补热工况选择表冷器，表冷器的校核计算如下：

调用当地逐时气象数据，包括空气干球温度t_k、湿球温度t_s1和焓值i₁，在表冷器的校核计算公式中输入补热设备启动运行时的空气干球温度t_k、、湿球温度t_s1和焓值i₁，土壤初始温度t_s和建筑累积热负荷Q，将土壤初始温度t_s作为表冷器进水温度，室内侧循环水量W₂作为表冷器水流量，0.75×Q作为表冷器目标总换热量；利用当地逐时气象数据和表冷器的校核计算方法，通过不断调整补热设备启动运行时的空气干球温度t_k、湿球温度t_s1、焓值i₁和待选择的表冷器型号，当选择的表冷器在上述参数限定条件下能满足目标总换热量，即可选定表冷器，同时被动补热工况下的补热设备启动运行时的空气干球温度t_k、湿球温度t_s1和焓值i₁也确定下来；

在表冷器的校核计算中空气干球温度t_k最初输入：土壤初始温度t_s+10℃；湿球温度t_s1和焓值i₁取逐时气象数据中与空气干球温度t_k同一时刻的值；

B、校核计算表冷器面积是否满足主动补热工况的要求，校核的方法如下：

在主动补热工况下，表冷器的进水温度设置为7±3℃，地埋管侧进水温度为25±3℃，表冷器的进水温度低于被动补热工况下的表冷器进水温度，所需的换热量大于被动工况；验证所选的表冷器在补热设备启动运行时的空气干球温度、湿球温度和焓值下，是否能满足热泵机组蒸发器取热量的要求；如果不满足要求，增大表冷器型号，直至满足要求；如果满足要求，则表冷器选定，进入下一步；

C、计算主动补热工况下的土壤逐年的目标提升温度；计算周期取10年，用于分摊增设表冷器产生的初投资，计算方式如下：

计算时以土壤温度的提升值Δt作为自变量，补热与制热费用总和C_zt作为因变量，补热与制热费用总和最小时的土壤提升温度作为目标提升温度；

C_zt＝C_bt/n+C_qt+1.1×C_bx+1.1×C_zx (1)

C_bx＝p×ρ_sc_sV×(t_s0+Δt)/COP_b+p×(P_sw+P_sn+P_b) (2)

C_bx＝p×Q×(COP_i-1)/COP_i+p×(P_sw+P_sn) (3)

式(1)中，C_zt为年补热与制热费用总和，元；C_bt为表冷器的初投资，元；C_qt为其系统他部分的投资，元；C_bx为系统补热期的年运行费用，元/年；C_zx为系统制热期的年运行费用，元/年；n为系统的运行年限，取10年。

式(2)和(3)中，ρ_sc_s为土壤比热容，J/(m³·℃)；V为地埋管换热系统布置的体积(孔数×间距²×埋深)，m³；t_s0为现状土壤温度，℃；Δt为土壤提升温度，℃；p为当地电价，元/kWh；COP_b为热泵机组补热工况时的效率(其大小取决于t_s0，t_s0越小，COP_b越大)，无量纲；COP_i为热泵机组制热工况时的效率(其大小取决于t_s0+Δt，t_s0+Δt越小，COP_i越大)，无量纲；P_sw为室外侧水泵耗电量，kWh；P_sn为室内侧水泵耗电量，kWh；P_b为表冷器耗电量，kWh。

D、重复步骤C，完成其余需主动补热年份的设计计算，以当年的t_s0+Δt作为下一年的t_s0)；当土壤目标提升温度和冬季制热造成的土壤温度下降值接近时，主动补热不再启动，切换运行方式，后期运行全部为被动补热；

E、输出结果：结果包括表冷器的具体参数、补热设备启动时的空气干球温度、湿球温度和焓值，逐年目标提升温度，以及补热与制热费用总和。

F、将补热设备启动时的空气干球温度、湿球温度、焓值、逐年目标提升温度输入控制器，控制系统的运行。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有技术相比，本发明相对太阳能补热和空气源热泵补热大幅降低了初投资，主动补热时，补热工况效率比制热工况效率高很多，热泵机组的蒸发器通过表冷器从室外空气中吸取热量，然后通过地埋管换热器将空气中的热量蓄存到地下土壤中，提升土壤温度的目的。被动补热时，不开启热泵机组，利用表冷器直接从室外空气中吸取热量，然后通过地埋管换热器将空气中的热量蓄存到地下土壤中，起到恢复土壤温度的作用。本发明尤其适用于采用土壤源热泵单供暖且运行数年后出现土壤温度明显下降的大规模居住建筑，保证地埋管地源热泵的长期稳定供暖。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例提供的一种土壤温度恢复装置的结构示意图；

图2是本发明中土壤温度与费用的关系图；

图3是本发明的设计流程图；

图中：00-地埋管换热器；001-水泵I，002-水泵II；01-水管I，02-水管II，03-水管III，04-水管IV，05-水管V，06-水管VI，07-水管VII，08-水管VIII；11-阀门I，12-阀门II，13-阀门III，14-阀门IV，15-阀门V，16-阀门VI，17-阀门VII，18-阀门VIII。

具体实施方式

下面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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

土壤是一个热容量很大的蓄能体，在寒冷地区，单供暖的大规模居住建筑中，存在土壤温度逐年下降的趋势，有许多项目在运行了若干年之后，土壤温度逐年降低，最后土壤温度低至无法继续正常供暖，导致供暖成本越来越高。采用跨季节蓄热太阳能-土壤复合热泵系统是解决土壤热平衡的主要措施，该系统将太阳能蓄存在土壤中供采暖季取出使用。但是，一方面由于目前太阳能集热器价格相对较高，限制了其工程应用；另一方面，大规模居住小区没有空间布置足够的太阳能集热器。

我国北方的土壤平均温度较低，非供暖期较长，且非采暖期大部分时间的环境温度比冬季取热后的土壤温度高，因此，若能采用科学合理的手段将室外空气中蕴藏的热能蓄存到土壤中，即可使土壤温度得到提升。基于此，提出一种主动与被动相结合的大规模地埋管换热系统土壤温度恢复方法。

如图1所示，本发明提供的一种土壤温度恢复装置，包括表冷器、热泵机组、地埋管换热器及若干个室内采暖模块，若干个室内采暖模块的出水口与水管I01并联连接，所述水管I01依次通过水泵I001、热泵机组及水管VII 007与地埋管换热器的进口相连，所述地埋管换热器的出水口与水管VIII08相连，所述水管VIII08上设有水泵II002，所述水泵II002的出口通过热泵机组与水管II02相连，所述水管II02与若干个室内采暖模块的进水口并联连接；所述表冷器的出口并联连接水管IV04及水管V05，所述水管IV04的另一端与水泵I001的进口相连，所述水管V05的另一端与地埋管换热器的进口相连，所述表冷器的进口并联连接水管III03及水管VI06，所述水管III03的另一端与水管II02相连，所述水管VI06的另一端与水泵II002的出口相连；

所述水管I01上设有阀门I11、且阀门I11设置于水管IV14与室内采暖模块之间，所述水管II02上设有阀门II12、且阀门II12设置于热泵机组与室内采暖模块之间，所述水管III03上设有阀门III13，所述水管IV04上设有阀门IV 14，所述水管V05上设有阀门V15，所述水管VI06上设有阀门VI16，所述水管VII07上设有阀门VII17，所述阀门VII17设置于水管V05与热泵机组之间，所述水管VIII08上设有阀门VIII18，所述阀门VIII18设置于水泵II002与热泵机组之间。上述表冷器即表面式空气冷却器，通过上述结构可将室外空气中的热量传导至土壤中，对低温土壤进行补热、升温。

作为一种优选方案，所述表冷器、热泵机组、水泵I及水泵II均与控制器电连接，所述土壤温度恢复装置由控制器控制。为了方便控制各个阀门，所述阀门I至阀门VIII均选用电磁阀，所述电磁阀均与控制器电连接。采用该结构能够实现设备的自动化控制。

本发明还提供了一种土壤温度恢复方法，应用上述土壤温度恢复装置进行土壤温度恢复的运行过程如下：

1)正常供热：热泵机组的主机开启，水泵I及水泵II开启，阀门III、阀门IV、阀门V、阀门VI关闭，阀门I、阀门II、阀门VII、阀门VIII开启；

2)主动补热：热泵机组主机开启，水泵I及水泵II开启，阀门I、阀门II、阀门V、阀门VI关闭，阀门III、阀门IV、阀门VII、阀门VIII开启；开启热泵机组制热，热泵机组的蒸发器通过表冷器从室外空气中吸取热量，然后利用地埋管换热器将热泵机组冷凝器排放的热量蓄存至地下土壤中，起到恢复地温的作用；

3)被动补热：热泵主机关闭，水泵I及水泵II开启，阀门I、阀门II、阀门III、阀门IV、阀门VII、阀门VIII关闭，阀门V、阀门VI开启；不开启热泵机组，利用表冷器直接从室外空气中吸取热量，然后通过地埋管换热器将空气中的热量蓄存到地下土壤中；

4)主动补热与被动补热的切换：

在补热的初期，需采取主动补热策略，由于土壤温度已经降的很低，单纯通过被动补热，补热量不足以达到后期高效稳定制热要求。以土壤温度的提升值作为自变量，补热与制热费用总和取值最低时的温度作为目标提升温度，当目标提升温度与年供暖取热量造成土壤温度下降值接近时，转换为被动补热，此时的土壤温度达到“平衡温度”。每年都有一个确切的土壤温度提升目标值，当土壤目标提升温度与年供暖取热量造成土壤温度下降值接近时，转换为被动补热。此时的土壤温度称为“平衡温度”，平衡温度的大小取决于热泵系统的效率、当地室外气象参数、电价等。

上述土壤温度恢复装置由控制器控制，设计流程如图3所示，

主动补热与被动补热工况下表冷器的选择过程如下：

A、按被动补热工况选择表冷器，表冷器的校核计算如下：

调用当地逐时气象数据，包括空气干球温度t_k、湿球温度t_s1和焓值i₁，在表冷器的校核计算公式中输入补热设备启动运行时的空气干球温度t_k、、湿球温度t_s1和焓值i₁，土壤初始温度t_s和建筑累积热负荷Q，将土壤初始温度t_s作为表冷器进水温度，室内侧循环水量W₂作为表冷器水流量，0.75×Q作为表冷器目标总换热量；利用当地逐时气象数据和表冷器的校核计算方法，通过不断调整补热设备启动运行时的空气干球温度t_k、湿球温度t_s1、焓值i₁和待选择的表冷器型号，当选择的表冷器在上述参数限定条件下能满足目标总换热量，即可选定表冷器，同时被动补热工况下的补热设备启动运行时的空气干球温度t_k、湿球温度t_s1和焓值i₁也确定下来；

在表冷器的校核计算中空气干球温度t_k最初输入：土壤初始温度t_s+10℃；湿球温度t_s1和焓值i₁取逐时气象数据中与空气干球温度t_k同一时刻的值。

上述表冷器的校核计算方法在《热质交换原理与设备》(主编：连之伟)的145-160页中有具体解释。通过表冷器的校核计算确定在被动补热工况下的表冷器型号。

B、校核计算表冷器面积是否满足主动补热工况的要求，校核的方法如下：

在主动补热工况下，表冷器的进水温度设置为7±3℃，地埋管侧进水温度为25±3℃，表冷器的进水温度低于被动补热工况下的表冷器进水温度，所需的换热量大于被动工况；验证所选的表冷器在补热设备启动运行时的空气干球温度、湿球温度和焓值下，是否能满足热泵机组蒸发器取热量的要求；如果不满足要求，增大表冷器型号，直至满足要求；如果满足要求，则表冷器选定，进入下一步；

C、计算主动补热工况下的土壤逐年的目标提升温度；计算周期取10年，用于分摊增设表冷器产生的初投资，计算方式如下：

计算时以土壤温度的提升值Δt作为自变量，补热与制热费用总和C_zt作为因变量，补热与制热费用总和最小时的土壤提升温度作为目标提升温度；

C_zt＝C_bt/n+C_qt+1.1×C_bx+1.1×C_zx (1)

C_bx＝p×ρ_sc_sV×(t_s0+Δt)/COP_b+p×(P_sw+P_sn+P_b) (2)

C_bx＝p×Q×(COP_i-1)/COP_i+p×(P_sw+P_sn) (3)

式(1)中，C_zt为年补热与制热费用总和，元；C_bt为表冷器的初投资，元；C_qt为其系统他部分的投资，元；C_bx为系统补热期的年运行费用，元/年；C_zx为系统制热期的年运行费用，元/年；n为系统的运行年限，取10年。

式(2)和(3)中，ρ_sc_s为土壤比热容，J/(m³·℃)；V为地埋管换热系统布置的体积(孔数×间距²×埋深)，m³；t_s0为现状土壤温度，℃；Δt为土壤提升温度，℃；p为当地电价，元/kWh；COP_b为热泵机组补热工况时的效率(其大小取决于t_s0，t_s0越小，COP_b越大)，无量纲；COP_i为热泵机组制热工况时的效率(其大小取决于t_s0+Δt，t_s0+Δt越小，COP_i越大)，无量纲；P_sw为室外侧水泵耗电量，kWh；P_sn为室内侧水泵耗电量，kWh；P_b为表冷器耗电量，kWh。

D、重复步骤C，完成其余需主动补热年份的设计计算，以当年的t_s0+Δt作为下一年的t_s0)；当土壤目标提升温度和冬季制热造成的土壤温度下降值接近时，主动补热不再启动，切换运行方式，后期运行全部为被动补热；

E、输出结果：结果包括表冷器的具体参数、补热设备启动时的空气干球温度、湿球温度和焓值，逐年目标提升温度，以及补热与制热费用总和。

F、将补热设备启动时的空气干球温度、湿球温度、焓值、逐年目标提升温度输入控制器，控制系统的运行。

综上所述，本发明相对太阳能补热和空气源热泵补热大幅降低了初投资，主动补热时，补热工况效率比制热工况效率高很多，热泵机组的蒸发器通过表冷器从室外空气中吸取热量，然后通过地埋管换热器将空气中的热量蓄存到地下土壤中，提升土壤温度的目的。被动补热时，不开启热泵机组，利用表冷器直接从室外空气中吸取热量，然后通过地埋管换热器将空气中的热量蓄存到地下土壤中，起到恢复土壤温度的作用。本发明尤其适用于采用土壤源热泵单供暖且运行数年后出现土壤温度明显下降的大规模居住建筑，保证地埋管地源热泵的长期稳定供暖。

在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。