1、土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)的流程,哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱泵空調(diào)技術(shù)研究所 姚 楊，馬最良，姜益強(qiáng),熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,近年來，土壤耦合熱泵在國內(nèi)外的推廣與應(yīng)用日益廣泛，因其使用資源無限、可以再生、與生態(tài)環(huán)境和諧的地?zé)崮?，符合能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此，被認(rèn)為是一種清潔、無污染的綠色空調(diào)技術(shù)，是國際空調(diào)與制冷行業(yè)的前沿課題之 一。 空調(diào)系統(tǒng)的用電量極大地加劇了電網(wǎng)的峰谷差。如果能把空調(diào)制冷系統(tǒng)的部分甚至全部用電量轉(zhuǎn)移至夜間電力低谷時(shí)段，則對平衡電力峰谷差、免建高峰電站、節(jié)約投資、減少環(huán)境污染，提高電網(wǎng)負(fù)荷利用效率，將會(huì)產(chǎn)生十分積極的作用?？照{(diào)蓄冷技術(shù)已成為空調(diào)制冷行業(yè)的前沿課 題之一。,1. 前

2、言,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,1. 前 言,基于我國電力峰谷差大、空調(diào)能耗與環(huán)境保護(hù)問題，提出土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)的設(shè)想。將蓄冷裝置與土壤耦合熱泵地下吸熱裝置合二為一。通過三工況冷熱水機(jī)組實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)的熱泵、蓄冷和空調(diào)三功能。這是熱泵系統(tǒng)的新發(fā)展，用土壤蓄冷來削峰填谷更是蓄冷空調(diào)的一種原始創(chuàng)新。該系統(tǒng)充分利用了凍土蓄冷技術(shù)與土壤耦合熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，將土壤耦合熱泵系統(tǒng)的地下埋管換熱器兼作蓄冷裝置，利用夜間電力的低谷期，將冷量全部或部分地貯存到地下，以供白天用電高峰期空調(diào)用。在我國南方以空調(diào)負(fù)荷為主、采暖負(fù)荷為輔的地區(qū)，開發(fā)和應(yīng)用這種新型的土壤蓄冷與熱泵的集成系統(tǒng)，將會(huì)比北方更具有節(jié)能效果和環(huán)

3、保效益。,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,地下埋管換熱器具有雙重功效。在集成系統(tǒng)中，蓄冷裝置與土壤耦合熱泵系統(tǒng)的地下埋管換熱器合二為一。一方面，地下埋管作為土壤耦合熱泵系統(tǒng)的熱交換器，土壤作為熱泵系統(tǒng)的低位熱源或熱匯；另一方面，地下埋管作為蓄冷空調(diào)的蓄冷裝置，取代傳統(tǒng)蓄冷系統(tǒng)的蓄冰筒或蓄冰槽，土壤作為蓄冷系統(tǒng)的冷量貯存介質(zhì)。由于埋管換熱器具有雙重功效，有效地解決了蓄冷裝置的占地面積大、初投資高的問題；同時(shí)也改善了土壤耦合熱泵系統(tǒng)夏季空調(diào)工況的運(yùn)行性能，解決了單一的土壤耦合熱泵系統(tǒng)運(yùn)行年久出力不足的失效問題。,2.集成系統(tǒng)的特點(diǎn),熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,為實(shí)現(xiàn)集成系統(tǒng)的各種功能，在系統(tǒng)中要求采用三工況冷熱水機(jī)組

4、。由于集成系統(tǒng)在不同的運(yùn)行時(shí)段要求在土壤蓄冷、釋冷流程、土壤耦合熱泵系統(tǒng)的供暖流程及供冷流程間切換運(yùn)行，因此，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行期間內(nèi)的蓄冷、空調(diào)及供暖的功能，系統(tǒng)中冷熱水機(jī)組要求具有三工況，即低溫工況、空調(diào)工 況和制熱工況。,2.集成系統(tǒng)的特點(diǎn),熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,該系統(tǒng)是具有蓄冷功能的土壤耦合熱泵新系統(tǒng)。它不是將蓄冷裝置（蓄冷槽、蓄冰筒等）機(jī)械地裝配到土壤耦合熱泵系統(tǒng)上而組成的新系統(tǒng)，而是在綜合考慮土壤耦合熱泵技術(shù)與土壤蓄冷技術(shù)二者特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，改變地下埋管換熱器的結(jié)構(gòu)形式與布置方式，將蓄冷系統(tǒng)與土壤耦合熱泵系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，組成一種既不同于單純的蓄冷系統(tǒng)，又不同于單純的土壤耦合熱泵系

5、統(tǒng)的全新的集成系統(tǒng)。,2.集成系統(tǒng)的特點(diǎn),熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,該系統(tǒng)是一種通過水流換向來實(shí)現(xiàn)供冷與供熱工況的轉(zhuǎn)換、蓄冷與釋冷工況的轉(zhuǎn)換、蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換 等，并在系統(tǒng)中增設(shè)冷卻水系統(tǒng)。 該系統(tǒng)既達(dá)到電力削峰填谷的目的，又實(shí)現(xiàn)了可再生能源在空調(diào)中的應(yīng)用。一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)解決了目前空調(diào)中的兩個(gè)熱點(diǎn)難題。,2.集成系統(tǒng)的特點(diǎn),熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,研究的問題,探索土壤蓄冷機(jī)理與其熱力特性； 建立集成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型； 尋求和優(yōu)化地下埋管的型式與構(gòu)造； 建立模擬土壤蓄冷和釋冷的砂箱試驗(yàn)臺，并進(jìn)行試驗(yàn)研究； 研究集成系統(tǒng)的不同運(yùn)行模式及控制策略，根據(jù)不同的約束條件，尋求最佳的系統(tǒng)運(yùn)行控制方案,熱泵

6、空調(diào)技術(shù)研究所,3.集成系統(tǒng)的流程,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,3.集成系統(tǒng)的流程,串聯(lián)釋冷流程,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,3.集成系統(tǒng)的流程,混合式系統(tǒng)流程,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,3.集成系統(tǒng)的流程,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,集成系統(tǒng)中土壤蓄冷與釋冷過程的模擬 建立了土壤蓄冷、釋冷過程的數(shù)學(xué)模型 土壤蓄冷與釋冷的運(yùn)行特性 土壤預(yù)蓄冷時(shí)間對系統(tǒng)蓄冷與釋冷運(yùn)行特性的影響 蓄冷與釋冷過程的冷量損失的分析,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,4.主要研究工作,4.主要研究工作,土壤蓄冷、釋冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,4.主要研究工作,冬季土壤源熱泵取熱和過渡季土壤恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究 絕熱邊界情況下，冬季土壤源熱泵取熱和過渡季土壤恢

7、復(fù)的實(shí)驗(yàn) 土壤遠(yuǎn)邊界（等溫邊界）情況下，冬季土壤源熱泵取熱和過渡季土壤恢復(fù)的實(shí)驗(yàn),熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,4.主要研究工作,建立了地下水運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用下的土壤源熱泵系統(tǒng)垂直深埋U型地下?lián)Q熱器的數(shù)學(xué)模型，并對換熱器管群進(jìn)行整場數(shù)值模擬。 研究夏季地下水運(yùn)動(dòng)對地下?lián)Q熱器對土壤蓄冷、釋冷和冬季對土壤釋熱的影響，研究不同蓄冷率情況下土壤蓄 冷、釋冷情況。,熱泵空調(diào)技術(shù)研究所,在整合集成土壤耦合熱泵技術(shù)及蓄冷技術(shù)要素和成果的基礎(chǔ)上，以新技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù)，提出了一種適合于以空調(diào)負(fù)荷為主，采暖負(fù)荷為輔地區(qū)的全新的空調(diào)系統(tǒng)形式，即土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)。給出了集成系統(tǒng)的蓄冷、釋冷運(yùn)行模式的流程、冷水機(jī)組與埋管換熱器串聯(lián)釋冷運(yùn)行模式的流程、混合式系統(tǒng)