一种地源热泵系统的土壤热平衡装置及方法

技术领域

本发明涉及地源热泵系统技术领域，尤其是涉及一种地源热泵系统的土壤热平衡装置及方法。

背景技术

地源热泵系统利用地下常温土壤温度相对稳定的特性，通过深埋于建筑物周围的地埋管路系统与建筑物内部完成热交换的装置。冬季从土壤中取热，向建筑物供暖；夏季向土壤排热，为建筑物制冷。因此，以整个年度来看，地下能量输入输出能保持大致的平衡。

然而，对于夏季排热量大于冬季取热量的地区应用地源热泵时，势必造成土壤温度的持续升高，导致地源热泵在夏季的供冷能力逐年降低，例如我国北方地区夏季时间利用地源热泵汲取土壤深处冷量进行制冷，大量热量储存在土壤中，而冬季供暖是利用燃煤进行集中供暖，土壤中所储存的热量无法释放，随着运行年数的增加，土壤热平衡会被打破，埋管区域土壤温度上升，地源热泵夏季制冷运行效率越来越低；

反之，对于夏季排热量小于冬季取热量的地区应用地源热泵时，势必造成土壤温度的持续降低，导致地源热泵在冬季的供热能力逐年降低。

综上所述，如何解决土壤热不平衡性的问题，以确保地源热泵系统长期稳定运行所亟须解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种地源热泵系统的土壤热平衡装置及方法，用以解决地源热泵系统长期供冷供热不平衡状态下容易导致地源热泵在冬季的供热能力或夏季的供冷能力降低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种地源热泵系统的土壤热平衡装置，所述地源热泵系统包括进水总管、出水总管及若干个换热机构，各个所述换热机构均包括换热管，所述进水总管与各个所述换热管的进水端均连通，各个所述换热管的出水端均与所述出水总管连通，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置包括换热箱、抽水泵、抽水阀及排水阀，所述抽水泵的进口与所述出水总管连通，所述抽水泵的出口经由所述抽水阀与所述换热箱的进口连通，所述换热箱的出口经由所述排水阀与所述出水总管连通。

在一些实施例中，所述出水总管上设置有出水温度检测件，所述进水总管上设置有进水温度检测件；

所述地源热泵系统还包括进水连接管及出水连接管，所述进水连接管的一端与所述进水总管连通，所述进水连接管的另一端与地源热泵系统的泵组的出口连通，所述进水连接管上设置有主进水阀，所述出水连接管的一端与所述出水总管连通，所述出水连接管的另一端与地源热泵系统的泵组的进口连通，所述出水连接管上设置有总出水阀及第一流量计；

所述地源热泵系统的土壤热平衡装置还包括抽水管及第二流量计，所述抽水管的一端与所述出水总管连通，所述抽水管的另一端与所述抽水泵的进口连通，所述第二流量计设置于所述抽水管。

在一些实施例中，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置还包括出水三通，所述出水三通的第一接口与所述出水总管连通，所述出水三通的第二接口与所述出水连接管连通，所述出水三通的第三接口与所述抽水管连通。

在一些实施例中，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置还包括排水管，所述排水管的一端与所述换热箱的出口连通，所述排水管的另一端与所述出水总管连通，所述排水阀设置于所述排水管上。

在一些实施例中，所述换热箱内设置有箱内温度检测件，所述换热箱外设置有室外温度检测件。

在一些实施例中，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置还包括进水三通，所述进水三通的第一接口与所述进水总管连通，所述进水三通的第二接口与所述进水连接管连通，所述进水三通的第三接口与所述排水管连通。

在一些实施例中，所述换热箱的上端设置有透气阀。

在一些实施例中，所述地源热泵系统还包括若干个管外土壤温度检测机构，所述管外土壤温度检测机构的数量与所述换热机构的数量相等、并一一对应，各个所述管外土壤温度检测机构分别用于检测对应的所述换热机构的换热管外的土壤的温度。

在一些实施例中，各个所述管外土壤温度检测机构均包括若干个管外土壤温度检测件及固定件，各个所述管外土壤温度检测件均通过对应的固定件固定于对应的所述换热机构的换热管上。

本发明还提供了一种地源热泵系统的土壤热平衡方法，适用于所述的地源热泵系统的土壤热平衡装置，且包括如下步骤：

S1、检测地源热泵系统的换热管附近的土壤的热平衡状态，其中，热平衡状态包括热失衡状态、冷失衡状态及冷热平衡状态；

S2、若地源热泵系统的换热管附近的土壤处于热失衡状态，且室外温度低于地下恒温层温度，或者若地源热泵系统的换热管附近的土壤处于冷失衡状态，且室外温度高于地下恒温层温度，则开启抽水阀及抽水泵，将各个换热管内的液体抽入至所述换热箱内，当换热箱被灌满时，关闭抽水阀及抽水泵，待换热箱内的液体达到室外温度后，开启排水阀，使换热箱内的液体进入各个换热管内；

S3、间隔一段时间后，重复步骤S2，直至换热管附近的土壤达到冷热平衡状态。

与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：通过在检测到土壤热失衡或冷失衡时，通过抽水泵将埋于地下的换热管内的液体抽入至换热箱内，换热箱内的液体达到室温后再排放到地下的换热管内，地下的换热管内的液体对土壤进行回温或制冷，从而达到热平衡状态，可以保证地下能量输入输出大致的平衡，以使地下土壤的温度长期维持温度，从而使冬季的供热能力或夏季的供冷能力长期保持稳定。

附图说明

图1是本发明提供的地源热泵系统的土壤热平衡装置及方法的一实施例的结构示意图；

图2是图1中的土壤热平衡装置的结构示意图；

图3是图1中区域A的局部放大图；

图中：1-进水总管、11-进水温度检测件、2-出水总管、21-出水温度检测件、3-换热机构、31-换热管、4-土壤热平衡装置、41-换热箱、411-箱内温度检测件、412-透气阀、42-抽水泵、43-抽水阀、44-排水阀、45-出水三通、46-抽水管、461-第二流量计、47-排水管、48-进水三通、5-进水连接管、51-主进水阀、6-出水连接管、61-总出水阀、62-第一流量计、7-管外土壤温度检测机构、71-管外土壤温度检测件、72-固定件。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参照图1-图3，本发明提供了一种地源热泵系统的土壤热平衡装置，所述地源热泵系统包括进水总管1、出水总管2及若干个换热机构3，各个所述换热机构3均包括换热管31，所述进水总管1与各个所述换热管31的进水端均连通，各个所述换热管31的出水端均与所述出水总管2连通，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置4包括换热箱41、抽水泵42、抽水阀43及排水阀44，所述抽水泵42的进口与所述出水总管2连通，所述抽水泵42的出口经由所述抽水阀44与所述换热箱41的进口连通，所述换热箱41的出口经由所述排水阀44与所述出水总管2连通。

在使用时，检测地源热泵系统的换热管31附近的土壤的热平衡状态，其中，热平衡状态包括热失衡状态、冷失衡状态及冷热平衡状态；若地源热泵系统的换热管31附近的土壤处于热失衡状态，且室外温度低于地下恒温层温度(一般地下100米左右深度处的温度为10-20℃)，或者若地源热泵系统的换热管31附近的土壤处于冷失衡状态，且室外温度高于地下恒温层温度，则开启抽水阀及抽水泵，将各个换热管内的液体抽入至所述换热箱内，当换热箱被灌满时，关闭抽水阀及抽水泵，待换热箱内的液体达到室外温度后，开启排水阀，使换热箱内的液体进入各个换热管内；间隔一段时间后，重复上述步骤，直至换热管附近的土壤达到冷热平衡状态。

本发明中，热平衡状态的具体判定方法如下：

(1)获取上一个供冷/供热季的总供冷量/总供热量；

(2)设定当前供冷/供热季的总天数，根据上一个供冷/供热季的总供冷量/总供热量以及当前供冷/供热季的总天数，得出当前供冷/供热季每天需要的供冷/供热量，根据当前供冷/供热季每天需要的供冷/供热量，得到当前供冷/供热季目前需要的供冷/供热量；

(3)获取当前供冷/供热季目前实际供冷/供热量；

(4)比较当前供冷/供热季目前需要的供冷/供热量与当前供冷/供热季目前实际供冷/供热量，判定热平衡状态，具体为：

若当前供冷季目前需要的供冷量＞当前供冷季目前实际供冷量，或当前供热季目前需要的供热量＜当前供热季目前实际供热量，则土壤处于冷失衡状态；

若当前供冷季目前需要的供冷量＜当前供冷季目前实际供冷量，或当前供热季目前需要的供热量＞当前供热季目前实际供热量，则土壤处于热失衡状态。

本发明通过在检测到土壤热失衡或冷失衡时，通过抽水泵42将埋于地下的换热管31内的液体抽入至换热箱41内，换热箱41内的液体达到室温后再排放到地下的换热管31内，地下的换热管31内的液体对土壤进行回温或制冷，从而达到热平衡状态，可以保证地下能量输入输出大致的平衡，以使地下土壤的温度长期维持温度，从而使冬季的供热能力或夏季的供冷能力长期保持稳定。

为了便于检测地下土壤热平衡状态，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述出水总管2上设置有出水温度检测件21，所述进水总管1上设置有进水温度检测件11；所述地源热泵系统还包括进水连接管5及出水连接管6，所述进水连接管5的一端与所述进水总管1连通，所述进水连接管5的另一端与地源热泵系统的泵组的出口连通，所述进水连接管5上设置有主进水阀51，所述出水连接管6的一端与所述出水总管2连通，所述出水连接管6的另一端与地源热泵系统的泵组的进口连通，所述出水连接管6上设置有总出水阀61及第一流量计62；所述地源热泵系统的土壤热平衡装置4还包括抽水管46及第二流量计461，所述抽水管46的一端与所述出水总管2连通，所述抽水管46的另一端与所述抽水泵42的进口连通，所述第二流量计461设置于所述抽水管46。

本实施例中，在上一个供冷/供热季，通过出水温度检测件21及进水温度检测件11获取供水温差，根据流量计获取供水流量，将供水流量等分为若干段，获取每段的平均供水温差，最后得到上一个供冷/供热季的总供冷量/总供热量；

再设定当前供冷/供热季的总天数，根据上一个供冷/供热季的总供冷量/总供热量除以当前供冷/供热季的总天数，得出当前供冷/供热季每天需要的供冷/供热量，根据当前供冷/供热季每天需要的供冷/供热量，得到当前供冷/供热季目前需要的供冷/供热量；

然后，在当前供冷/供热季，通过第一流量计62获取正常使用状态的供水流量，将供水流量等分为若干段，获取每段的平均供水温差，获取正常使用状态的总供冷量/总供热量，再通过第二流量计461获取土壤热平衡装置4启用时的供水流量，将供水流量等分为若干段，获取每段的平均供水温差，获取土壤热平衡装置4启用时的总供冷量/总供热量，将正常使用状态的总供冷量/总供热量与土壤热平衡装置4启用时的总供冷量/总供热量相加，得到当前供冷季目前实际供冷量/供热量，然后比较当前供冷/供热季目前需要的供冷/供热量与当前供冷季目前实际供冷量/供热量，得到地下土壤热平衡状态。

本实施例中，在具体实施时，第一个供冷/供热季不启用土壤热平衡装置，第二个供冷/供热季根据第一个供冷/供热季的实际情况启用土壤热平衡装置进行土壤热平衡，在第三个供冷/供热季不启用土壤热平衡装置，第四个供冷/供热季根据第三个供冷/供热季的实际情况启用土壤热平衡装置进行土壤热平衡，如此循环往复，保证在长期尺度上的土壤动态热平衡。

为了便于连接管道，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置4还包括出水三通45，所述出水三通45的第一接口与所述出水总管2连通，所述出水三通45的第二接口与所述出水连接管6连通，所述出水三通45的第三接口与所述抽水管7连通。

为了方便具体设置排水阀44，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置4还包括排水管47，所述排水管47的一端与所述换热箱41的出口连通，所述排水管47的另一端与所述出水总管2连通，所述排水阀44设置于所述排水管47上。

为了便于连接管道，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述地源热泵系统的土壤热平衡装置还包括进水三通48，所述进水三通48的第一接口与所述进水总管1连通，所述进水三通48的第二接口与所述进水连接管5连通，所述进水三通48的第三接口与所述排水管47连通。

为了方便检测箱内温度及室外温度，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述换热箱41内设置有箱内温度检测件411，所述换热箱外设置有室外温度检测件。

为了便于在换热箱41内注入液体，请参照图1和图2，在一优选的实施例中，所述换热箱41的上端设置有透气阀412，在使用时，透气阀412开启，在长期不使用时，关闭透气阀412，以避免污染物进入换热箱41内。

为了便于检测地下土壤的温度，请参照图1-图3，在一优选的实施例中，所述地源热泵系统还包括若干个管外土壤温度检测机构7，所述管外土壤温度检测机构7的数量与所述换热机构3的数量相等、并一一对应，各个所述管外土壤温度检测机构7分别用于检测对应的所述换热机构3的换热管31外的土壤的温度。

为了具体实现管外土壤温度检测机构7的功能，请参照图1-图3，在一优选的实施例中，各个所述管外土壤温度检测机构7均包括若干个管外土壤温度检测件71及固定件72，各个所述管外土壤温度检测件71均通过对应的固定件72固定于对应的所述换热机构3的换热管31上。

本发明还提供了一种地源热泵系统的土壤热平衡方法，适用于所述的地源热泵系统的土壤热平衡装置，且包括如下步骤：

S1、检测地源热泵系统的换热管31附近的土壤的热平衡状态，其中，热平衡状态包括热失衡状态、冷失衡状态及冷热平衡状态；

S2、若地源热泵系统的换热管31附近的土壤处于热失衡状态，且室外温度低于地下恒温层温度，或者若地源热泵系统的换热管31附近的土壤处于冷失衡状态，且室外温度高于地下恒温层温度，则开启抽水阀43及抽水泵42，将各个换热管31内的液体抽入至所述换热箱41内，当换热箱41被灌满时，关闭抽水阀43及抽水泵42，待换热箱41内的液体达到室外温度后，开启排水阀44，使换热箱41内的液体进入各个换热管31内；

S3、间隔一段时间后，重复步骤S2，直至换热管31附近的土壤达到冷热平衡状态。

本发明通过在检测到土壤热失衡或冷失衡时，通过抽水泵42将埋于地下的换热管31内的液体抽入至换热箱41内，换热箱41内的液体达到室温后再排放到地下的换热管31内，地下的换热管31内的液体对土壤进行回温或制冷，从而达到热平衡状态，可以保证地下能量输入输出大致的平衡，以使地下土壤的温度长期维持温度，从而使冬季的供热能力或夏季的供冷能力长期保持稳定。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。