土壤蓄冷与热泵系统流程-马最良

1、土壤蓄冷与土壤耦合热泵土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的流程集成系统的流程哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所哈尔滨工业大学热泵空调技术研究所 姚姚 杨，马最良，姜益强杨，马最良，姜益强热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所 近年来，土壤耦合热泵在国内外的推广与应用近年来，土壤耦合热泵在国内外的推广与应用日益广泛，因其使用资源无限、可以再生、与生日益广泛，因其使用资源无限、可以再生、与生态环境和谐的地热能，符合能源的可持续发展战态环境和谐的地热能，符合能源的可持续发展战略，因此，被认为是一种清洁、无污染的绿色空略，因此，被认为是一种清洁、无污染的绿色空调技术，是国际空调与制冷行业的前沿课题之调技术，是

2、国际空调与制冷行业的前沿课题之 一。一。 空调系统的用电量极大地加剧了电网的峰谷差。空调系统的用电量极大地加剧了电网的峰谷差。如果能把空调制冷系统的部分甚至全部用电量转如果能把空调制冷系统的部分甚至全部用电量转移至夜间电力低谷时段，则对平衡电力峰谷差、移至夜间电力低谷时段，则对平衡电力峰谷差、免建高峰电站、节约投资、减少环境污染，提高免建高峰电站、节约投资、减少环境污染，提高电网负荷利用效率，将会产生十分积极的作用。电网负荷利用效率，将会产生十分积极的作用。空调蓄冷技术已成为空调制冷行业的前沿课空调蓄冷技术已成为空调制冷行业的前沿课 题之一。题之一。 1. 前前 言言热泵空调技术研究所热泵空调

3、技术研究所 1. 前前 言言 基于我国电力峰谷差大、空调能耗与环境保护基于我国电力峰谷差大、空调能耗与环境保护问题，提出问题，提出土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统的设的设想。将蓄冷装置与土壤耦合热泵地下吸热装置合二想。将蓄冷装置与土壤耦合热泵地下吸热装置合二为一。通过三工况冷热水机组实现集成系统的热泵、为一。通过三工况冷热水机组实现集成系统的热泵、蓄冷和空调三功能。这是热泵系统的新发展，用土蓄冷和空调三功能。这是热泵系统的新发展，用土壤蓄冷来削峰填谷更是蓄冷空调的一种原始创新。壤蓄冷来削峰填谷更是蓄冷空调的一种原始创新。该系统充分利用了冻土蓄冷技术与土壤耦合热泵系该

4、系统充分利用了冻土蓄冷技术与土壤耦合热泵系统的优点，将土壤耦合热泵系统的地下埋管换热器统的优点，将土壤耦合热泵系统的地下埋管换热器兼作蓄冷装置，利用夜间电力的低谷期，将冷量全兼作蓄冷装置，利用夜间电力的低谷期，将冷量全部或部分地贮存到地下，以供白天用电高峰期空调部或部分地贮存到地下，以供白天用电高峰期空调用。在我国南方以空调负荷为主、采暖负荷为辅的用。在我国南方以空调负荷为主、采暖负荷为辅的地区，开发和应用这种新型的土壤蓄冷与热泵的集地区，开发和应用这种新型的土壤蓄冷与热泵的集成系统，将会比北方更具有节能效果和环保效益。成系统，将会比北方更具有节能效果和环保效益。 热泵空调技术研究所热泵空调技

5、术研究所冬(热水)回冬(热水)供夏(冷水)供夏(冷水)回用户冷却塔三工况机组地下埋管换热器n地下埋管换热器具有地下埋管换热器具有双重功效双重功效。在集成系统中，。在集成系统中，蓄冷装置与土壤耦合热泵系统的地下埋管换热器蓄冷装置与土壤耦合热泵系统的地下埋管换热器合二为一。一方面，地下埋管作为土壤耦合热泵合二为一。一方面，地下埋管作为土壤耦合热泵系统的热交换器，土壤作为热泵系统的低位热源系统的热交换器，土壤作为热泵系统的低位热源或热汇；另一方面，地下埋管作为蓄冷空调的蓄或热汇；另一方面，地下埋管作为蓄冷空调的蓄冷装置，取代传统蓄冷系统的蓄冰筒或蓄冰槽，冷装置，取代传统蓄冷系统的蓄冰筒或蓄冰槽，土壤

6、作为蓄冷系统的冷量贮存介质。由于埋管换土壤作为蓄冷系统的冷量贮存介质。由于埋管换热器具有双重功效，有效地解决了蓄冷装置的占热器具有双重功效，有效地解决了蓄冷装置的占地面积大、初投资高的问题；同时也改善了土壤地面积大、初投资高的问题；同时也改善了土壤耦合热泵系统夏季空调工况的运行性能，解决了耦合热泵系统夏季空调工况的运行性能，解决了单一的土壤耦合热泵系统运行年久出力不足的失单一的土壤耦合热泵系统运行年久出力不足的失效问题。效问题。 2.集成系统的特点集成系统的特点 热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所n为实现集成系统的各种功能，在系统中为实现集成系统的各种功能，在系统中要求采用要求采用三工况冷热

7、水机组三工况冷热水机组。由于集成。由于集成系统在不同的运行时段要求在土壤蓄冷、系统在不同的运行时段要求在土壤蓄冷、释冷流程、土壤耦合热泵系统的供暖流释冷流程、土壤耦合热泵系统的供暖流程及供冷流程间切换运行，因此，为实程及供冷流程间切换运行，因此，为实现系统在整个运行期间内的蓄冷、空调现系统在整个运行期间内的蓄冷、空调及供暖的功能，系统中冷热水机组要求及供暖的功能，系统中冷热水机组要求具有三工况，即具有三工况，即低温工况、 空 调 工低温工况、 空 调 工 况和制热工况况和制热工况。 2.集成系统的特点集成系统的特点 热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所n该系统是该系统是具有蓄冷功能的土壤耦合热

8、泵新系统具有蓄冷功能的土壤耦合热泵新系统。它不是将蓄冷装置（蓄冷槽、蓄冰筒等）机械它不是将蓄冷装置（蓄冷槽、蓄冰筒等）机械地装配到土壤耦合热泵系统上而组成的新系统，地装配到土壤耦合热泵系统上而组成的新系统，而是在综合考虑土壤耦合热泵技术与土壤蓄冷而是在综合考虑土壤耦合热泵技术与土壤蓄冷技术二者特点的基础上，改变地下埋管换热器技术二者特点的基础上，改变地下埋管换热器的结构形式与布置方式，将蓄冷系统与土壤耦的结构形式与布置方式，将蓄冷系统与土壤耦合热泵系统有机地结合起来，组成一种既不同合热泵系统有机地结合起来，组成一种既不同于单纯的蓄冷系统，又不同于单纯的土壤耦合于单纯的蓄冷系统，又不同于单纯的土

9、壤耦合热泵系统的全新的集成系统。热泵系统的全新的集成系统。 2.集成系统的特点集成系统的特点 热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所n该系统是一种通过该系统是一种通过水流换向水流换向来实现供冷来实现供冷与供热工况的转换、蓄冷与释冷工况的与供热工况的转换、蓄冷与释冷工况的转换、蓄冷空调系统运行模式的转换转换、蓄冷空调系统运行模式的转换 等，并在系统中增设冷却水系统。等，并在系统中增设冷却水系统。n该系统既达到电力削峰填谷的目的，又该系统既达到电力削峰填谷的目的，又实现了可再生能源在空调中的应用。一实现了可再生能源在空调中的应用。一个系统同时解决了目前空调中的两个热个系统同时解决了目前空调中的两个热

10、点难题。点难题。2.集成系统的特点集成系统的特点 热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所研究的问题研究的问题 n探索土壤蓄冷机理与其热力特性；探索土壤蓄冷机理与其热力特性；n建立集成系统的动态仿真模型；建立集成系统的动态仿真模型；n寻求和优化地下埋管的型式与构造；寻求和优化地下埋管的型式与构造；n建立模拟土壤蓄冷和释冷的砂箱试验台，建立模拟土壤蓄冷和释冷的砂箱试验台，并进行试验研究；并进行试验研究；n研究集成系统的不同运行模式及控制策略，研究集成系统的不同运行模式及控制策略，根据不同的约束条件，寻求最佳的系统运根据不同的约束条件，寻求最佳的系统运行控制方案行控制方案 热泵空调技术研究所热泵空调技

11、术研究所3.集成系统的流程集成系统的流程 土壤蓄冷流程土壤蓄冷流程土壤释冷流程土壤释冷流程12345981112131415161718192021221076阀开启阀关闭1234598111213 1415161718192021221076阀开启阀关闭热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所3.集成系统的流程集成系统的流程 串联释冷流程串联释冷流程1234598111213 1415161718192021221076阀开启阀关闭热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所3.集成系统的流程集成系统的流程 混合式系统流程混合式系统流程1234598111213 14151617181920212210

12、76阀开启阀关闭热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所3.集成系统的流程集成系统的流程 供冷流程供冷流程供暖流程供暖流程1234598111213 1415161718192021221076阀开启阀关闭12345981112131415161718192021221076阀开启阀关闭热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所n集成系统中土壤蓄冷与释冷过程的模拟集成系统中土壤蓄冷与释冷过程的模拟 建立了土壤蓄冷、释冷过程的数学模型建立了土壤蓄冷、释冷过程的数学模型 土壤蓄冷与释冷的运行特性土壤蓄冷与释冷的运行特性 土壤预蓄冷时间对系统蓄冷与释冷运行土壤预蓄冷时间对系统蓄冷与释冷运行特性的影响特性的影响

13、 蓄冷与释冷过程的冷量损失的分析蓄冷与释冷过程的冷量损失的分析 热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所4.主要研究工作主要研究工作 4.主要研究工作主要研究工作n土壤蓄冷、释冷系统的实验验证土壤蓄冷、释冷系统的实验验证热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所天然冷源量筒微调电加热器冷冻水箱热水箱粗调电加热器管道泵 II管道泵 I砂箱埋管换热器铂电阻温度计测点切换器温度显示终端1#15#6#5#4#3#14#13#12#11#10#9#8#7#2#4.主要研究工作主要研究工作n冬季土壤源热泵取热和过渡季土壤恢复冬季土壤源热泵取热和过渡季土壤恢复的实验研究的实验研究 绝热边界情况下，冬季土壤源热泵取热绝

14、热边界情况下，冬季土壤源热泵取热和过渡季土壤恢复的实验和过渡季土壤恢复的实验 土壤远边界（等温边界）情况下，冬季土壤远边界（等温边界）情况下，冬季土壤源热泵取热和过渡季土壤恢复的实土壤源热泵取热和过渡季土壤恢复的实验验 热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所4.主要研究工作主要研究工作n建立了地下水运动和热传导联合作用下建立了地下水运动和热传导联合作用下的土壤源热泵系统垂直深埋的土壤源热泵系统垂直深埋U型地下换型地下换热器的数学模型，并对换热器管群进行热器的数学模型，并对换热器管群进行整场数值模拟。整场数值模拟。n研究夏季地下水运动对地下换热器对土研究夏季地下水运动对地下换热器对土壤蓄冷、释冷和

15、冬季对土壤释热的影响，壤蓄冷、释冷和冬季对土壤释热的影响，研 究 不 同 蓄 冷 率 情 况 下 土 壤 蓄研 究 不 同 蓄 冷 率 情 况 下 土 壤 蓄 冷、释冷情况。冷、释冷情况。 热泵空调技术研究所热泵空调技术研究所 在整合集成土壤耦合热泵技术及蓄冷技术在整合集成土壤耦合热泵技术及蓄冷技术要素和成果的基础上，以新技术改造传统技术，要素和成果的基础上，以新技术改造传统技术，提出了一种适合于以空调负荷为主，采暖负荷提出了一种适合于以空调负荷为主，采暖负荷为辅地区的全新的空调系统形式，即土壤蓄冷为辅地区的全新的空调系统形式，即土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统。给出了集成系统的与土壤耦合热泵集成系统。给出了集成系统的蓄冷、释冷运行