严寒地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统

1、附件1：制冷空调创新设计大赛作品申报书（本科生用） 作品名称： 严寒地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统 单位名称： 哈尔滨五建工程有限责任公司 申报者姓名： 刘逸，孙景忠，王文宇，魏逢平 作品全称严寒地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键在我国北方严寒地区，别墅建筑冬季供热消耗的能量较大，这类建筑多处于城市的边缘地带，绝大部分没有集中供热，冬季多采用电供热或燃气供热，运行费用较高且存在安全隐患。如果在严寒地区能够采用小型太阳能土壤源热泵系统对别墅建筑进行供热，将能够有效减少建筑能耗，而且其所消耗的太阳能、地热都属于可再生能源，也有益于环境保护及资源可

2、持续发展。严寒地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统属于综合利用太阳能和地热能的一种形式，土壤热源与太阳能之间具有较好的互补性，可以提高机组蒸发器进口循环介质的温度，提高系统的运行效率，从而降低运行成本。太阳能具有不稳定性和间歇性的缺陷，土壤热源可以弥补单独采用太阳能不能在夜间和阴雨天运行的弊端。埋地换热器可以将春、夏、秋季的太阳能在土壤中进行存储，使土壤温度得到恢复，同时减少埋地换热器的数量，从而降低系统的初投资。该系统主要由地埋管换热器、太阳能集热器、土壤源热泵机组、室内能量释放装置，系统控制被集成在土壤源热泵机组内部，采用触屏控制模式，内置MCGS组态软件。创新点：（1）原理创新：将太阳能和

3、浅层地能利用有机结合起来，实现在严寒地区对别墅建筑进行供热、供冷的技术要求，节能效果好，清洁无污染；（2）技术创新：系统能够在寒冷条件下高效运行，克服了单独应用太阳能或土壤源热泵时存在的缺陷；（3）结构创新：系统由地埋管换热器、太阳能集热器、热泵机组、室内能量释放装置四部分构成，机组热泵采用模块化设计和集中控制；（4）应用创新：该系统在冬季可实现太阳能直接供热、土壤源热泵供热、太阳能土壤源热泵供热三种供热模式；在夏季可实现土壤冷源直接供冷、土壤源热泵供冷两种供冷模式，同时能够利用太阳能对土壤进行蓄热。技术关键：（1）太阳能集热器的防冻，以及提高在严寒地区的集热效率；（2）地埋管换热器长度和太阳

4、能集热器面积的合理设计，提高系统的热效率；（3）提高换热、储能系统的效率；（4）系统变工况自动控制功能的实现。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）目前，国内外许多科研院所都陆续开展了对太阳能土壤源热泵的研究工作，研究内容主要集中在太阳能集热器效率、热泵性能、土壤温度场的分布、经济性等方面，也建造了一些相关的实验系统。但这些研究基本上是针对某一地区的某一特例，不具有通用性。尤其是针对严寒地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统开展的研究还很少，目前还未见到相关的产品。本作品所设计的严寒地区别墅用小型太阳能土壤源热

5、泵系统，主要针对严寒地区土壤温度低、冬季太阳能辐射量少和环境热损失大的特点进行设计。该系统在冬季可实现太阳能直接供热、土壤源热泵供热、太阳能土壤源热泵供暖热三种供热模式；在夏季可实现土壤冷源直接供冷、土壤源热泵供冷两种供冷模式，同时能够利用太阳能对土壤进行蓄热。系统所采用的热泵机组针对严寒地区的土壤温度专门设计，冬季供热运行时的蒸发器换热面积加大，地下土壤和地埋管换热器内循环介质间的换热采用小温差大流量的模式，可以确保在土壤初始平均温度不低于5的地区都能应用该系统进行冬季供暖，并且系统供热时的COP3.5。 使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析

6、和经济效益预测系统初次运行前，系统太阳能集热器、蒸发器和冷凝器侧的管道内注满防冻介质，并对体统中的循环泵进行灌泵，当系统管道内循环介质流量达到热泵机组运行要求时开始启动机组进行调试。在调试过程中，首先通过控制界面将系统设定为手动、制热控制模式，此模式为冬季供热运行模式，然后进行机组冷凝器侧出口介质温度参数设定。冬季运行模式调试完成之后，再通过控制界面将系统设定为手动、制冷控制模式，此模式为夏季运行模式，然后进行机组蒸发器侧出口介质温度参数设定，并对夏季运行模式进行调节。系统运行调试正常后，通过控制界面将其切换到自动控制模式，冬季运行时启动制热模式，可实现太阳能直接供热、土壤源热泵供热、太阳能土

7、壤源热泵供热三种供热模式；夏季运行时启动制冷模式，可实现土壤冷源直接供冷、土壤源热泵供冷两种供冷模式，同时利用太阳能对土壤进行蓄热。该系统采用模块化设计，系统的控制系统、蒸发循环泵、冷凝循环泵全部集成在热泵机组内部，大大减少了系统的安装面积。系统控制界面采用触屏可视化模式，使系统参数设定和控制模式切换更加简单方便。该系统结构简单，施工方便，所消耗的能源大部分来源于太阳能和地下浅层土壤热能，因此具有清洁、无污染的优点。在土壤初始平均温度不低于5的地区，系统供热时的COP3.5，节能效果非常显著。该系统适用于寒冷地区对别墅类建筑和居民房屋进行供热和供冷，因此具有很好的推广前景。市场分析：该系统的造

8、价为280元/m2，施工安装价格为350元/m2，利润空间可达70元/m2，如果年安装量按2万平方米计算，年利润可达140万元，因此该系统的市场前景还是非常广阔的。C参赛作品打印处（作品说明<5000字，可附相关支撑材料）寒冷地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统一、 系统研究的目的通过研究，设计出适合于在严寒地区别墅型建筑应用的小型太阳能土壤源热泵系统，系统针对严寒地区土壤温度低、冬季太阳能辐射量少和环境热损失大的特点进行设计，消耗的能源主要来源于太阳能和地下浅层土壤。该系统在冬季可实现太阳能直接供热、土壤源热泵供热、太阳能土壤源热泵供暖热三种供热模式；在夏季可实现土壤冷源直接供冷、土壤源

9、热泵供冷两种供冷模式，同时能够利用太阳能对土壤进行蓄热。系统所采用的热泵机组针对严寒地区的土壤温度专门设计，冬季供热运行时的蒸发器换热面积加大，地下土壤和地埋管换热器内循环介质间的换热采用小温差大流量的模式，可以确保在土壤初始平均温度不低于5的地区都能应用该系统进行冬季供暖，并且系统供热时的COP3.5。二、 系统研究的意义目前人类的能源消耗主要是工业、交通和建筑能耗三大方面，在社会总能耗中建筑能耗所占的比例最大。在我国的能源消耗总量中，建筑能耗约占45.5%，其中建筑运行能耗约占20%，而采暖、通风和空调能耗约占建筑运行能耗的2/3。我国现有高能耗住宅超过400多亿平方米，能耗水平是相同气候

10、条件下发达国家的23倍，而全国每年新建房屋面积近10亿平方米，超过所有发达国家新增建筑面积的总和，其中90%都是高能耗型。由此可见，如果能设法减小这部分建筑能耗，将会大大减少我国同比过多的能源消耗。目前较为清洁且廉价的能源有太阳能和地热能，但其各有优缺点。采用太阳能和热泵技术进行采暖和空调是建筑节能的一条有效途径，太阳能以其取之不尽、安全、无污染等特点受到人们的重视。结合黑龙江地区的气候情况，单独利用太阳能对建筑物进行供热一般很难满足温度要求，但是可以结合热泵组成复合系统一起来对建筑物进行供暖和供应生活热水。但是太阳能受环境等因素影响较大，热流密度低，导致各种形式的太阳能直接利用系统在应用上受

11、到一定的限制。我国北方大部分地区地下和地表水资源都比较匮乏，因而不适合采用水源热泵系统。土壤源热泵系统不需要开采地下水资源，主要靠土壤和地下埋管之间的导热来取热，只要地下土壤平均温度在5以上地区均可以采用，并且地下埋管内的循环介质和土壤之间不直接接触，不会造成土壤和水质的污染，因此被认为最具有发展潜力的地源热泵技术，是未来热泵技术发展的主要方向。同时地下土壤中蕴含的能量是非常巨大的，属于可再生能源的范畴，土壤源热泵因其使用可再生能源，所以被称为是21世纪最具有发展前途的节能和环保型空调技术之一。然而在一些气候寒冷的地区，土壤温度较低，并且建筑物的制冷负荷远小于供热负荷，如果单独应用土壤源热泵来

12、满足建筑的供热需求，通常需增大热泵机组的功率并增加埋地换热器的数量，这样往往会使系统初投资偏高，导致整体经济性降低。如果将热泵技术与其它可再生能源和常规能源的应用结合起来，因地制宜地采用复合式热泵供热系统，可以提高热泵系统的效率和减少初投资，从而得到更好的节能效果。在我国北方严寒地区，别墅建筑冬季供热消耗的能量较大，这类建筑多处于城市的边缘地带，绝大部分没有集中供热，冬季多采用电供热或燃气供热，运行费用较高且存在安全隐患。如果在严寒地区能够采用小型太阳能土壤源热泵系统对别墅建筑进行供热，将能够有效减少建筑能耗，而且其所消耗的太阳能、地热都属于可再生能源，也有益于环境保护及资源可持续发展。严寒地

13、区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统属于综合利用太阳能和地热能的一种形式，土壤热源与太阳能之间具有较好的互补性，可以提高机组蒸发器进口循环介质的温度，提高系统的运行效率，从而降低运行成本。太阳能具有不稳定性和间歇性的缺陷，土壤热源可以弥补单独采用太阳能不能在夜间和阴雨天运行的弊端。埋地换热器可以将春、夏、秋季的太阳能在土壤中进行存储，使土壤温度得到恢复，同时减少埋地换热器的数量，从而降低系统的初投资。所以该作品所设计严寒地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统，具有系统结构简单、施工方便、节能环保等优点，适用于寒冷地区对别墅类建筑和居民房屋进行供热和供冷，因此具有很好的研究和推广前景。三、 系统构成1太

14、阳能集热器 2、3板式换热器 4地板采暖盘管 5风机盘管空调器 6热泵机组 7地埋管换热器 8、9、10循环泵图1. 寒冷地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统寒冷地区别墅用小型太阳能土壤源热泵系统的结构如图1所示，该系统主要由地埋管换热器、太阳能集热器、土壤源热泵机组、室内能量释放装置，控制系统被集成在土壤源热泵机组内部，采用触屏控制模式，内置MCGS组态软件。（1）地埋管换热器地埋管换热器的埋管方式如图2所示，采用垂直但U型的埋管方式。地埋管换热器采用高密度PE100管，管径为dn32，埋深100米，循环介质采用乙二醇防冻液，钻孔间距5米。地埋管总面积要综合考虑供热负荷以及当地的气候条件、地质

15、参数等因素，进行具体设计。图2. 垂直U型地埋管换热器 （2）太阳能集热器考虑到系统承压运行和冬季室外气候比较寒冷等因素，太阳能集热器采用热管真空管太阳能集热器，外观如图3所示，其优点是：联箱容积小，热启动快，冬季联箱部分热损失少。太阳能集热器的安装倾角根据系统所在地的维度确定，具体采用面积的大小要满足：太阳能集热器蓄存在土壤中的热量+热泵夏季排入土壤中的热量=冬季热泵从土壤中的取热量。图3. 热管真空管太阳能集热器 （3）土壤源热泵机组系统所采用的土壤源热泵机组外观如图4所示，应针对不同的工况具体设计，机组设计时考虑了压缩机与换热器的匹配关系以及严寒地区土壤温度偏低等因素，地下土壤和地埋管换

16、热器内循环介质间的换热宜采用小温差大流量的模式，蒸发器换热面积加大，可以确保在土壤初始平均温度不低于5的地区都能应用该系统进行供热。图4. 土壤源热泵机组（4）室内能量释放装置室内能量释放系统如图5和图6所示，冬季采用地板辐射采暖，夏季采用风机盘管空调器。图5. 底板辐射采暖图6. 风机盘管空调器四、系统使用说明系统初次运行前，系统太阳能集热器、蒸发器和冷凝器侧的管道内注满防冻介质，并对体统中的循环泵进行灌泵，当系统管道内循环介质流量达到热泵机组运行要求时开始启动机组进行调试。在调试过程中，首先通过控制界面将系统设定为手动、制热控制模式，此模式为冬季供热运行模式，然后进行机组冷凝器侧出口介质温

17、度参数设定。冬季运行模式调试完成之后，再通过控制界面将系统设定为手动、制冷控制模式，此模式为夏季运行模式，然后进行机组蒸发器侧出口介质温度参数设定，并对夏季运行模式进行调节。系统运行调试正常后，通过控制界面将其切换到自动控制模式，冬季运行时启动制热模式，可实现太阳能直接供热、土壤源热泵供热、太阳能土壤源热泵供热三种供热模式；夏季运行时启动制冷模式，可实现土壤冷源直接供冷、土壤源热泵供冷两种供冷模式，同时利用太阳能对土壤进行蓄热。在冬季太阳能直接供热运行时，热泵压缩机不启动，只启动太阳能循环泵和热泵机组冷凝器侧水泵，太阳能采集来的热量通过换热器交换给室内供热循环介质为房间供热；土壤源热泵单独供热

18、时，太阳能水泵不启动，热泵蒸发器和冷凝器两侧的循环泵、压缩机全部启动，此时系统压缩机内的制冷工质在蒸发器内与从地埋管换热器内出来的循环介质进行热量交换，然后通过制冷剂循环在冷凝器内将热量交换给室内供热循环介质为房间供热；太阳能土壤源热泵供热时，太阳能水泵启动、热泵蒸发器和冷凝器两侧的循环泵、压缩机全部开启，从地埋管换热器出来的循环介质首先经过换热器与太阳能集热器进行热交换，再进入蒸发器内与制冷剂工质进行热量交换，然后通过制冷剂循环在冷凝器内将热量交换给室内供热循环介质为房间供热。在夏季土壤冷源直接供冷运行时，热泵压缩机不启动，只启动与室外地埋管换热器相连接的循环泵，从地埋管换热器出来的循环介质

19、直接进入风机盘管空调器，对室内进行供冷循环；土壤源热泵供冷时，热泵蒸发器和冷凝器两侧的循环泵、压缩机全部开启，制冷剂工质在蒸发器吸收室内管路循环介质中的热量，再通过制冷剂循环在冷凝器内将热量交换给地埋管换热器出中的循环介质，然后排放到地下土壤中。在不供暖的季节，太阳能集热器采集来的能量可以通过板式换热器与地埋管中的循环介质进行热交换，然后将热量蓄存在土壤中，可以提高系统冬季供热时的效率。五、系统应用实例为了试验和推广该系统，2014年9月课题组为东北石油大学设计和建造了一套太阳能土壤源热泵实验教学系统。（一）实验装置的运行模式和基本实验功能1.实验装置运行模式通过调节阀门和管道连接方式转换实现：冬季供暖运行模式：太阳能直接供热、土壤源热泵供热、太阳能土壤源热泵供热；夏季空调运行模式：土壤冷源直接供冷、土壤源热泵供冷运行模式、太阳能蓄热。2.实验装置的实验功能（1）太阳能集热器性能测试