本發(fā)明涉及一種優(yōu)先利用自然能源、優(yōu)化地源熱泵的跨季節(jié)蓄能性能、修復(fù)由于負(fù)荷不均衡導(dǎo)致的熱堆積或冷堆積，實(shí)現(xiàn)高效、低成本運(yùn)行的制冷/制熱的系統(tǒng)和方法。屬于自然能源利用、制冷/制熱熱泵或空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

建筑能耗是指建筑使用過程中的能耗，包括采暖、空調(diào)、照明、熱水、家用電器和其他動(dòng)力能耗。其中，以采暖和空調(diào)能耗為主，占建筑總能耗的50%至70%。

設(shè)計(jì)節(jié)能建筑的暖通空調(diào)系統(tǒng)，如何減少一次高品位能的利用是一個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)問題。利用在土壤、太陽能、水、空氣中的低品位熱能無疑是一種成功的節(jié)能措施，熱泵技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳選擇。通過輸入較少的高品位能源把低品位自然能源提升為適合建筑用能的高品位能源（如制冷、采暖、生活熱水）。

根據(jù)熱泵系統(tǒng)的熱力循環(huán)方式，通常將熱泵分為蒸汽壓縮式熱泵、氣體壓縮式熱泵、蒸汽噴射式熱泵、吸收式熱泵、熱電式熱泵。其中，蒸汽壓縮式熱泵是在目前研究和使用最為普遍的方式，按照其使用的低溫?zé)嵩吹姆N類，基本都屬于空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵和太陽能熱泵四種類型。

其中，地源熱泵：利用地表淺層中蓄存的低品位熱能（土壤、地層）作為熱源，冬季熱泵從淺層的土壤中取熱，用于建筑供暖，同時(shí)蓄存冷量以備夏用；夏季熱泵逆向運(yùn)行，將建筑物內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下對(duì)建筑進(jìn)行降溫，同時(shí)蓄存熱量以備冬用，因此這是一種典型的可以再生的能源。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟；熱泵運(yùn)行高效、穩(wěn)定，對(duì)周圍環(huán)境影響較小，維護(hù)費(fèi)用低。缺點(diǎn)是：地下埋管內(nèi)的載能流體與管外的土壤之間的換熱系數(shù)小，能流密度低，因此系統(tǒng)將占據(jù)較大的地下和地上空間，初始投資較高。

空調(diào)和熱泵一般采用能效比做為評(píng)判效率高低的依據(jù)，制熱時(shí)采用的指標(biāo)是循環(huán)性能系數(shù)COP(Coefficient of Performance)；制冷時(shí)采用的指標(biāo)是能效比EER（Energy Efficiency Ratio）。地源熱泵的能效比受環(huán)境因素的影響較小，能效比數(shù)值在4至6之間。

但是，正如參考文件1中所述，“土壤熱平衡問題對(duì)于跨季節(jié)蓄能型地源熱泵系統(tǒng)的長期運(yùn)行效率及其節(jié)能與環(huán)保性至關(guān)重要?！保弧耙砸荒隇闀r(shí)間周期全年運(yùn)行狀況為夏季蓄能(放熱)運(yùn)行4個(gè)月，秋季恢復(fù)3個(gè)月，冬季釋能(取熱)運(yùn)行3個(gè)月，春季又恢復(fù)2個(gè)月，從而完成全年運(yùn)行周期”。

由此可見，現(xiàn)有的跨季節(jié)蓄能型地源熱泵系統(tǒng)，主要依靠自然恢復(fù)方式，在過渡季節(jié)修復(fù)土壤的熱平衡。這樣存在以下的問題：

1、過渡季節(jié)的自然恢復(fù)過程，效率較低，容易導(dǎo)致的熱堆積或冷堆積；

2、為了維持全年運(yùn)行后土壤溫度恢復(fù)，取放熱不平衡率可控制在1.2至1.3，這樣就限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍；

3、如參考文件2中所述，可以采取一些措施解決熱失衡的問題，但現(xiàn)有解決熱失衡的輔助手段，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用的增加。

參考資料：

1．跨季節(jié)蓄能型地源熱泵地下蓄能與釋能特性

作者：楊衛(wèi)波、陳振乾、施明恒 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第40卷第5期 2010年9月

2．地埋管地源熱泵系統(tǒng)的熱失衡及解決措施 作者：徐成 區(qū)域供熱2015.3期。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為改善地源熱泵的穩(wěn)定性、消除熱失衡對(duì)其長期運(yùn)行的不利影響，本發(fā)明優(yōu)先利用自然能源，包括空氣能和太陽能，在過渡季節(jié)通過自然換熱的方式吸取自然能源中的冷/熱量，并通過循環(huán)工質(zhì)將冷/熱量輸送到地源內(nèi)儲(chǔ)存，克服自然恢復(fù)過程效率低的問題。

具體技術(shù)方案為：本發(fā)明包括包括地埋管2、循環(huán)泵3、自然能源換熱器4，地埋管2、循環(huán)泵3、自然能源換熱器4形成循環(huán)回路，通過自然換熱循環(huán)吸取自然能源中的冷/熱量輸送到地源內(nèi)儲(chǔ)存。該系統(tǒng)可以與地源熱泵主機(jī)1配合應(yīng)用，或作為低位冷/熱源直接應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)。

本發(fā)明中優(yōu)先利用自然通風(fēng)的風(fēng)能，通過自然能源換熱器4吸取空氣中的冷/熱量，當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)5增強(qiáng)換熱能力。

在制熱季節(jié)前的過渡季節(jié)中，可以利用太陽能提高換熱量：

將自然能源換熱器4設(shè)置于太陽輻照強(qiáng)的地方，使得自然能源換熱器4能夠自然吸取太陽能；

或者，設(shè)置太陽能光熱模塊6，吸取熱能并通過換熱器7與自然能源換熱器4進(jìn)行熱交換，再將熱能傳遞到地源內(nèi)儲(chǔ)存。

本發(fā)明的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式是：

1、當(dāng)系統(tǒng)的冷/熱負(fù)荷不平衡率較高時(shí)（大于1.4），過渡季節(jié)的自然換熱過程為單向補(bǔ)充冷量或熱量，用于消除地源側(cè)單向的熱堆積或冷堆積；

2、當(dāng)系統(tǒng)的冷/熱負(fù)荷不平衡率較低時(shí)（小于1.4），過渡季節(jié)的自然換熱過程為雙向運(yùn)行，制熱季節(jié)前補(bǔ)充冷量、制熱季節(jié)前補(bǔ)充熱量，用于雙向提高地源側(cè)的蓄熱/蓄冷能力，以縮減地源側(cè)的換熱體積，降低初始投資。

本發(fā)明的地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行方法是：

1、在制冷季節(jié)前的過渡季節(jié)中，主要利用空氣能進(jìn)行換熱，將自然能源換熱器4設(shè)置于自然通風(fēng)良好的地方，首先檢測(cè)環(huán)境溫度是否低于地源側(cè)的平均溫度，當(dāng)環(huán)境溫度低于地源側(cè)的平均溫度時(shí)開啟自然換熱循環(huán)，由自然能源換熱器4吸取空氣中的冷量、并輸送到地源內(nèi)儲(chǔ)存；運(yùn)行過程中，檢測(cè)自然能源換熱器4的進(jìn)回水溫度，當(dāng)進(jìn)回水溫差降低時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)5增加通過自然能源換熱器4的空氣流量、增強(qiáng)換熱能力，并根據(jù)進(jìn)回水溫差變大/變小相應(yīng)的將風(fēng)機(jī)5的送風(fēng)量調(diào)小/調(diào)大；

2、在制熱季節(jié)前的過渡季節(jié)中，首先利用空氣能進(jìn)行換熱，將自然能源換熱器4設(shè)置于自然通風(fēng)良好的地方，首先檢測(cè)環(huán)境溫度是否高于地源側(cè)的平均溫度，當(dāng)環(huán)境溫度高于地源側(cè)的平均溫度時(shí)開啟自然換熱循環(huán)，由自然能源換熱器4吸取空氣中的冷/熱量、并輸送到地源內(nèi)儲(chǔ)存；運(yùn)行過程中，檢測(cè)自然能源換熱器4的進(jìn)回水溫度，當(dāng)進(jìn)回水溫差降低時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)5增加通過自然能源換熱器4的空氣流量、增強(qiáng)換熱能力，并根據(jù)進(jìn)回水溫差變大/變小相應(yīng)的將風(fēng)機(jī)5的送風(fēng)量調(diào)小/調(diào)大。

3、在制熱季節(jié)前的過渡季節(jié)中，可以充分利用太陽能提高換熱效率，或者可以利用余熱、廢熱資源為地源側(cè)補(bǔ)充熱量。

本發(fā)明的有益效果是：

1、充分利用自然能源消除冷/熱堆積，主要能源消耗為循環(huán)泵的電能消耗和少量的換熱風(fēng)機(jī)運(yùn)行電能消耗，運(yùn)行成本很低；

2、過渡季節(jié)的自然換熱可以利用的時(shí)間較長，能夠補(bǔ)充的冷/熱量總量較大，因此地源熱泵系統(tǒng)可以更好的應(yīng)用于冷/熱負(fù)荷不平衡率很高的項(xiàng)目中；

3、通過過渡季節(jié)的自然換熱可以提高地源側(cè)的蓄熱/蓄冷能力，因此可以適當(dāng)縮減地源側(cè)的換熱體積，降低初始投資。

附圖說明

附圖1：現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

附圖2：在制冷季節(jié)前的過渡季節(jié)中運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖（空氣能換熱）

附圖3：在制熱季節(jié)前的過渡季節(jié)中運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖（空氣能換熱）

附圖4：在制熱季節(jié)前的過渡季節(jié)中運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖（太陽能光熱模塊換熱）

其中：1a為暖通空調(diào)末端系統(tǒng)； 3a、3b為三通閥。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：

在制冷季節(jié)前的過渡季節(jié)中，夜間或陰雨天時(shí)，環(huán)境溫度較低，與地源側(cè)的平均溫度相比至少低5至10度。此時(shí)，自然能源換熱器4為氣/液熱交換式換熱器，利用空氣能進(jìn)行換熱（如圖2所示）。

首先關(guān)閉地源熱泵主機(jī)1，通過三通閥3a、3b切換回路、并啟動(dòng)循環(huán)泵3，由地埋管2、循環(huán)泵3、自然能源換熱器4形成循環(huán)回路。將自然能源換熱器4設(shè)置于自然通風(fēng)良好的地方，優(yōu)先利用自然風(fēng)能冷卻循環(huán)工質(zhì)，通過地埋管2將冷量輸送到地源側(cè)儲(chǔ)存。運(yùn)行過程中，檢測(cè)自然能源換熱器4的進(jìn)回水溫度，當(dāng)進(jìn)回水溫差很小時(shí)，表明換熱能力不足，此時(shí)應(yīng)開啟風(fēng)機(jī)5增加通過自然能源換熱器4的空氣流量、增強(qiáng)換熱能力。

實(shí)施例2：

在制熱季節(jié)前的過渡季節(jié)中，天氣晴好、太陽輻照較強(qiáng)時(shí)，環(huán)境溫度較高，與地源側(cè)的平均溫度相比至少高5至10度。此時(shí)，自然能源換熱器4為氣/液熱交換式換熱器，利用空氣能進(jìn)行換熱。（如圖3所示）

首先關(guān)閉地源熱泵主機(jī)1，通過三通閥3a、3b切換回路、并啟動(dòng)循環(huán)泵3，由地埋管2、循環(huán)泵3、自然能源換熱器4形成循環(huán)回路。將自然能源換熱器4設(shè)置于自然通風(fēng)良好、太陽輻照較強(qiáng)的地方，優(yōu)先利用自然風(fēng)能加熱循環(huán)工質(zhì)，通過地埋管2將熱量輸送到地源側(cè)儲(chǔ)存。運(yùn)行過程中，檢測(cè)自然能源換熱器4的進(jìn)回水溫度，當(dāng)進(jìn)回水溫差很小時(shí)，表明換熱能力不足，此時(shí)應(yīng)開啟風(fēng)機(jī)5增加通過自然能源換熱器4的空氣流量、增強(qiáng)換熱能力。

實(shí)施例3：

在制熱季節(jié)前的過渡季節(jié)中，可以利用設(shè)置太陽能光熱模塊6，快速吸取熱能并通過熱交換傳遞給自然能源換熱器4。與太陽能光熱模塊6的換熱過程可以采用直接換熱和間接換熱兩種方式。直接換熱效率更高，間接換熱穩(wěn)定性較好。

首先關(guān)閉地源熱泵主機(jī)1，通過三通閥3a、3b切換回路、并啟動(dòng)循環(huán)泵3，由地埋管2、循環(huán)泵3、自然能源換熱器4形成循環(huán)回路。太陽能光熱模塊6通過循環(huán)工質(zhì)將熱量輸送到換熱器7中，此時(shí)，自然能源換熱器4和換熱器7為液/液熱交換式換熱器組合。通過太陽能光熱模塊6產(chǎn)生的制熱工質(zhì)溫度至少在30度以上、比地源側(cè)的平均溫度高很多，換熱效率較高（如圖4所示）。

當(dāng)然，本發(fā)明創(chuàng)造并不局限于上述實(shí)施方式，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出等同變形或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請(qǐng)權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。