一种双源地铁源热泵系统、施工方法及控制方法
阅读说明：本技术 一种双源地铁源热泵系统、施工方法及控制方法 (Double-source subway source heat pump system, construction method and control method ) 是由 季永明 吴汶泽 胡松涛 刘国丹 佟振 童力 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双源地铁源热泵系统、施工方法及控制方法；双源地铁源热泵系统包括空气侧换热器、土壤侧换热器、分水器、集水器、蓄热水箱和热泵系统；蓄热水箱与热泵系统并联；蓄热水箱与热泵系统的出口通过管路与泵相连,泵与分水器相连,分水器与供水总干管相连,供水总干管通过第一三通阀分别与空气侧换热器、土壤侧换热器的供水干管相连；空气侧换热器、土壤侧换热器的回水干管分别通过第二三通阀与回水总干管相连；回水总干管与集水器的入口相连,集水器的出口与蓄热水箱与热泵系统的入口相连。(The invention discloses a double-source subway source heat pump system, a construction method and a control method; the double-source subway source heat pump system comprises an air side heat exchanger, a soil side heat exchanger, a water separator, a water collector, a heat storage water tank and a heat pump system; the heat storage water tank is connected with the heat pump system in parallel; the heat storage water tank and the outlet of the heat pump system are connected with a pump through a pipeline, the pump is connected with a water separator, the water separator is connected with a water supply main pipe, and the water supply main pipe is respectively connected with water supply main pipes of an air side heat exchanger and a soil side heat exchanger through a first three-way valve; the water return main pipes of the air side heat exchanger and the soil side heat exchanger are respectively connected with a water return main pipe through a second three-way valve; the backwater main pipe is connected with an inlet of a water collector, and an outlet of the water collector is connected with a heat storage water tank and an inlet of a heat pump system.)
技术领域
本发明涉及能源利用领域，尤其涉及一种双源地铁源热泵系统、施工方法及控制方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的
背景技术
，而不必然地构成现有技术。地铁在运营过程中会产生大量热，这些热量只有一小部分储存在围岩中，大部分由活塞风和隧道排风机通过空气排到地上，不仅造成了低品位热能的浪费，还浪费了高品位的电能。近年来，有些工程将换热管敷设于地下空间的连续墙或隧道衬砌内作为地源热泵的前端换热器，这样可以将地铁围岩中储存的低品位热能转化为较高品位热能加以利用，并且对地铁隧道热环境和土壤热污染治理有一定的积极作用，但仍不能将大部分地铁隧道中的低品位热能加以利用。且现有活塞风井的通风效率低下，且随着地铁建造深度的增加，效率甚至接近0，这就需要风机消耗更多的电能对地铁隧道进行散热。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种双源地铁源热泵系统、施工方法及控制方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种双源地铁源热泵系统，包括空气侧换热器、土壤侧换热器、分水器、集水器、蓄热水箱和热泵系统；
所述的蓄热水箱与热泵系统并联；蓄热水箱与热泵系统的出口通过管路与泵相连，泵与分水器相连，分水器与供水总干管相连，供水总干管通过第一三通阀分别与空气侧换热器、土壤侧换热器的供水干管相连；空气侧换热器、土壤侧换热器的回水干管分别通过第二三通阀与回水总干管相连；回水总干管与集水器的入口相连，集水器的出口与蓄热水箱与热泵系统的入口相连。
作为进一步的技术方案，所述的土壤侧换热器包括土壤侧供水干管和第一回水干管；空气侧换热器包括空气侧供水干管和第二回水干管；空气侧供水干管与土壤侧供水干管相连通，连通管路上设有第五旁通阀门；第二回水干管与第二回水干管相连通，且连通管路上设有第六旁通阀门；且土壤侧供水干管进口侧与第一回水干管之间连接第一旁通阀门；土壤侧供水干管末端与第一回水干管之间连接第三旁通阀门；空气侧供水干管进口侧与第二回水干管之间连接第二旁通阀门；空气侧供水干管末端与第二回水干管之间连接第四旁通阀门。
作为进一步的技术方案，在供水总干管上安装有温度传感器和流量传感器。
作为进一步的技术方案，在回水总干管上安装有温度传感器和流量传感器。
第二方面，本发明还提供了一种双源地铁源热泵系统的控制方法，如下：当工况为空气侧与土壤侧的并联工况时，空气侧换热器供水干管和土壤侧换热器供水干管均开启，第一、第二回水干管开启，第一、第二、第五、第六旁通阀门关闭，第三、第四旁通阀门开启；
当工况为空气侧单独工作工况时；空气侧换热器供水干管开启，土壤侧换热器供水干管关闭，第一回水干管关闭，第二回水干管开启，第四旁通阀门开启，其他旁通阀门均关闭；
当工况为土壤侧单独工作工况时；土壤侧换热器供水干管开启，空气侧换热器供水干管关闭，第一回水干管开启，第二回水干管关闭，第三旁通阀门开启，其他旁通阀门均关闭；
当工况为先土壤侧后空气侧的串联工作工况时，土壤侧换热器供水干管开启，空气侧换热器供水干管关闭，第一回水干管开启，第二回水干管关闭，第二、第五旁通阀门开启，其他旁通阀门均关闭；
当工况为先空气侧后土壤侧的串联工作工况时，空气侧换热器供水干管开启，土壤侧换热器供水干管关闭，第二回水干管开启，第一回水干管关闭，第一、第五旁通阀门开启，其他旁通阀门均关闭；
当空气侧换热器供水干管开启，土壤侧换热器供水干管关闭，第一、第二回水干管均开启，第一、第四、第五旁通阀门开启，其他旁通阀门关闭时，可通过调节阀门的开度来调节空气侧的回水去往土壤侧的流量占比；
当空气侧换热器供水干管关闭，土壤侧换热器供水干管开启，第一、第二回水干管均开启，第二、第三、第五旁通阀门开启，其他旁通阀门关闭时，可通过调节阀门的开度来调节土壤侧的回水去往空气侧的流量占比。
第三方面，本发明还提供了一种双源地铁源热泵系统的施工方法，如下：
先完成外侧地下连续墙、底板施工；
待底板施工完成后，在底板上紧靠外侧地下连续墙处，编织一圈第一层内侧地下连续墙的钢筋笼，同时进行换热器的换热管固定，将符合要求的换热管固定在钢筋笼上；
空气侧换热器的供水干管与第一回水管左右对称设置，中间由支管连接，换热管支管用管箍固定；
土壤侧换热器的供水干管位于第二回水管正下方，以土壤侧换热器的供水干管、土壤侧换热器支管、回水管的顺序依次固定；
上述工作完成后，进行混凝土的浇筑；浇筑时该层相邻的内侧连续墙钢筋和换热管已经完成，换热器的干管之间采用热熔连接或机械连接，连接前开封干管两端，连接完成后对干管的气密性检验；
按照上述流程，混凝土层层浇筑，先编织钢筋和固定换热管，再进行混凝土的浇筑，混凝土达到要求后拆除支撑，直到顶部。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
(1)本发明以换热管作为与空气和隧道围岩换热的前端换热器，极大得减少了地铁内低品位热能的散失，并将该低品位热能利用；
(2)本发明采用以活塞风井作为空气源热泵的换热场所，减少了地铁地下空间因向地上空间的热量输送对地上建筑的影响。
(3)本发明能够减少地铁地下空间的热量堆积，减少因需要夜间地下空间散热而开启风机消耗的电能。
(4)本发明改变了传统土壤源热泵只能敷设于隧道衬砌或土壤中的局限性，将换热效率高的换热管敷设于活塞风井中，能够以土壤和流经风井的空气作为冷热源。
(5)本发明可以实现空气侧换热器和土壤侧换热器的串联、并联和单独运行等多种运行工况；换热器进入风井前分为两根换热管，分别为空气侧换热器进口和土壤侧换热器进口；风井内在空气侧换热器和土壤侧换热器的供水管和回水管之间以及两供水管和两回水管的末端连接管处设置旁通阀门，通过旁通阀门、两供水管和两回水管的工作状况来控制水的流向，从而实现不同运行工况。
附图说明
构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例一的换热管供回水干管在内侧地下连续墙的布置位置及结构示意图；
图2(a)为本发明实施例一的空气侧换热器布置的俯视图；
图2(b)为本发明实施例一的空气侧换热器布置的轴侧图；
图3(a)为本发明实施例一的土壤侧换热器布置的轴侧图；
图3(b)为本发明实施例一的土壤侧换热器布置的剖面图；
图4(a)为本发明实施例一的换热管干管固定及绑扎的主视图；
图4(b)为本发明实施例一的换热管干管固定及绑扎的侧视图；
图5为本发明实施例一的管箍固定换热管支管示意图；
图6(a)为本发明实施例一的直管段套管热熔连接示意图；
图6(b)本发明实施例一的弯管段套管热熔连接示意图
图7为本发明实施例一的系统组成示意图；
图8(a)为本发明实施例一的供水干管进口侧的结构示意图；
图8(b)为本发明实施例一的供水干管出口侧的结构示意图；
图9为本发明实施例一的运行工况控制实现方法简图；
图中：1-内侧地下连续墙；2-供水总干管；3-空气侧换热器，3-1空气侧供水干管；4-土壤侧换热器；4-1土壤侧换热器供水干管；5-1-空气侧换热器支管；5-1-土壤侧换热器支管，6回水总干管，6-1回水干管、6-2回水干管；7-地铁隧道；8-1、8-2、8-3、8-4、8-5、8-6截止阀；9-干管的绑扎；10-钢筋笼；11-管箍；12-套筒；13-流量传感器；14-温度传感器；15-球阀；16-排气阀；17-泵；18-集水器；19-分水器；20-闭式水箱；21-热泵机组；22-净化装置；23-1三通阀门、23-2三通阀门。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在地铁中产生大量热量排出地下空间而不能有效利用的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种双源地铁源热泵系统。
实施例一
本实施例公开了一种双源地铁源热泵系统，如图7所示，该系统包括空气侧换热器3(对流跟导热)、土壤侧换热器4(导热)、三通阀门23-1、三通阀门23-2、分水器18、集水器19、泵17、净化装置22、连接管道、温度传感器14和流量传感器13、蓄热水箱20、热泵系统21、排气阀16、球阀15；
所述的蓄热水箱20与热泵系统21并联；蓄热水箱20与热泵系统21的出口通过管路与泵17相连，泵17与分水器18相连，分水器18通过换热管供水总干管2与分别与空气侧换热器3、土壤侧换热器4的空气侧供水干管3-1、土壤侧换热器供水干管4-1相连；空气侧换热器3的出口通过回水干管6-1与回水总干管6相连；土壤侧换热器4的出口通过回水干管6-2与回水总干管6相连；回水总干管6与集水器19的入口相连；集水器19的出口与蓄热水箱20与热泵系统21的入口相连。
进一步的，空气侧换热器3如图2(a)、图2(b)；包括空气侧换热器干管3-1、回水干管6-1和支管5-1；空气侧换热器干管3-1和回水干管6-1之间左右分布，通过支管5-1以及换热管运行工况的阀门相连；
进一步的，土壤侧换热器4如图3(a)、图3(b)；包括土壤侧换热器干管4-1、回水干管6-2和支管5-2；土壤侧换热器干管4-1和回水干管6-2之间上下分布，通过支管5-2以及换热管运行工况的阀门相连。
如图8(a)所示，三通阀门23-1与供水总干管2、空气侧供水干管3-1、土壤侧换热器供水干管4-1连接，空气侧供水干管3-1和土壤侧换热器供水干管4-1能够单独开启和关闭，由此三通阀门23-1控制空气侧换热器和土壤侧换热器的开启或者关闭。
图8(b)所示，三通阀门23-2与回水总干管2、回水干管6-1和回水干管6-2连接，由此三通阀门23-2控制空气侧换热器和土壤侧换热器的回水干管6-1和回水干管6-2的开启或者关闭。
进一步的，换热管供水总干管2接水泵出口端，换热管供水总干管2通过三通阀门23-1分出两根管，一根为空气侧供水干管3-1，一根为土壤侧供水干管4-1；空气侧和土壤侧供水干管沿途从管壁伸出旁通管经截止阀8至回水干管6-1、回水干管6-2；在空气侧与土壤侧供、回水干管的入口附近和末端以及回水干管6的出口附近和末端采用带有截止阀8的旁通管相连。具体的，如图9所示，空气侧换热器供水干管3与土壤侧换热器供水干管4相连，连接管道上有一旁通阀门8-5；两根回水干管6-1和回水干管6-2相连，连接管道上有一旁通阀门8-6；空气侧换热器供水干管3的进口侧附近和末端与回水干管6-2之间分别有一旁通阀门8-2和旁通阀门8-4；土壤侧换热器供水干管4的进口侧附近和末端与回水干6-1之间有一旁通阀门8-1和旁通阀门8-3。
进一步的，在分水器18与空气侧换热器3、土壤侧换热器4的入口连接的管路上安装有温度传感器14和流量传感器13。
进一步的，在空气侧换热器3、土壤侧换热器4的出口与集水器19连接的管路上也安装有温度传感器14和流量传感器13。
进一步的，本实施例还提供了上述双源地铁源热泵系统的施工方法，包括地下连续墙导墙施工，外侧地下连续墙的施工，底层地板混凝土施工，钢筋笼的编织与换热管的固定，内侧地下连续墙的施工,换热管供回水干管的连接。具体步骤如下：
1.前期施工
先进行地下连续墙导墙施工、外侧地下连续墙施工、底板施工，之后进行钢筋笼的编织与换热管的固定。
2.换热管固定
换热管固定前应先检查换热管的气密性。向换热管内充入一定压力的气体后将空气侧换热器3和土壤侧换热器4的供、回水干管两端密封。该压力应等于换热管能够承受额定压力的1.5倍，并在10min内管内压力降小于5％，降至额定压力后检查，合格换热管才能进行换热管的固定。
换热管供、回水干管的长度，在考虑上套筒热熔连接的套筒长度情况下，应与风井的长和宽相匹配，使其在拐角处恰好能够进行套筒热熔连接。
如图1所示，换热管供回水干管的固定从地铁隧道7上部开始，换热管供回水干管沿风井内侧地下连续墙1呈双螺旋结构，类似“DNA”。
首先编织和焊接好竖向钢筋和位于换热管供回水干管下部的水平向钢筋，之后如图4所示，将换热器的供回水干管绑扎在钢筋笼10的焊接点处，换热管供回水干管的固定应同时进行。
绑扎完成后，如图2(a)、图(b)所示，空气侧换热器支管8在风井的俯视图中呈网状。如图3(a)、图3(b)所示，为土壤侧换热器供回水干管和支管5的布置。
如图4(a)、图4(b)所示，换热管的支管5用管箍11固定，每隔一段距离设置一管箍11。管箍11应能保证换热管支管5在最大活塞风状态下产生较小位移，且应满足风井内风速最大时换热管支管5的刚度极限要求和强度极限要求。
换热管固定完成后，依次进行换热管供、回水干管上部水平向钢筋笼的编织和焊接。
3.内侧地下连续墙的施工
钢筋笼10的边缘应有遮挡，浇灌混凝土的过程中要保持一定的速度，不能过快也不能过慢，且浇灌过程不得中断。内侧地下连续墙1中间需要加入止水带阻止水的渗透。内侧地下连续墙1应先浇筑一层，逐个浇筑，一层浇筑完后再浇筑下一层，直至最上一层。
4.换热管供回水干管的连接
换热管供回水干管连接前应先将两端进行拆封。
换热管供回水干管首尾连接，土壤侧换热器的供水干管连接供水干管25，空气侧换热器的供水干管3连接供水干管26，换热管回水干管6连接回水干管6，并将干管6末端封死。
换热管供、回水干管采用套管12热熔连接。如图6(a)、图6(b)所示，直管段采用直套筒连接，拐弯处采用弯头套筒连接。连接完成后检查连接气密性。向管内充入一定压力的气体，该压力应等于换热管能够承受额定压力的1.5倍，并在10min内管内压力降小于5％，降至额定压力后检查，检查合格后才能进行内侧地下连续墙1混凝土的浇筑。
之后按照风井地下连续墙的施工顺序，先进行换热管供回水干管的固定和钢筋笼10的编织，换热管供回水干管的连接，内侧地下连续墙1的混凝土浇筑，层层施工，直至最上一层。
本实施例还公开了一种双源地铁源热泵系统的控制运行策略，根据图9所示的连接关系，具体控制方法如下：
当空气侧换热器供水干管3-1和土壤侧换热器供水干管4-1均开启，回水干管6-1、回水干管6-2开启，旁通阀门8-1、旁通阀门8-2、旁通阀门8-5、旁通阀门8-6关闭，旁通阀门8-3、旁通阀门8-4开启时，该工况为空气侧与土壤侧的并联工况；当空气侧换热器供水干管3-1开启，土壤侧换热器供水干管4-1关闭，回水干管6-1关闭，回水干管6-2开启，旁通阀门8-4开启，其他旁通阀门均关闭时，该工况为空气侧单独工作工况；当土壤侧换热器供水干管4-1开启，空气侧换热器供水干管3-1关闭，回水干管6-1开启，回水干管6-2关闭，旁通阀门8-3开启，其他旁通阀门均关闭时，该工况为土壤侧单独工作工况；当土壤侧换热器供水干管4-1开启，空气侧换热器供水干管3-1关闭，回水干管6-1开启，回水干管6-2关闭，旁通阀门8-2、旁通阀门8-5开启，其他旁通阀门均关闭，该工况为先土壤侧后空气侧的串联工作工况；当空气侧换热器供水干管3-1开启，土壤侧换热器供水干管4-1关闭，回水干管6-2开启，回水干管6-1关闭，旁通阀门8-1、旁通阀门8-5开启，其他旁通阀门均关闭，该工况为先空气侧后土壤侧的串联工作工况；当空气侧换热器供水干管3-1开启，土壤侧换热器供水干管4-1关闭，回水干管6-1、回水干管6-2均开启，旁通阀门8-1、旁通阀门8-4、旁通阀门8-5开启，其他旁通阀门关闭时，可通过调节阀门的开度来调节空气侧的回水去往土壤侧的流量占比；当空气侧换热器供水干管3-1关闭，土壤侧换热器供水干管4-1开启，回水干管6-1、回水干管6-2均开启，旁通阀门8-2、旁通阀门8-3、旁通阀门8-5开启，其他旁通阀门关闭时，可通过调节阀门的开度来调节土壤侧的回水去往空气侧的流量占比。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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