一种地源热泵系统节约地埋管的方法技术领域
本发明涉及地源热泵空调技术领域。把地源热泵系统通过地下换热设备与地表面
换热改为同时也与地上蓄水设备的蓄能换热。地上设备蓄水在夜间或空余时间再与地源换
热，从而实现大幅减少地埋管及各种地下换热设备的投资，减少地下换热设备布置所需占
用的室外面积，扩大推广地源热泵这项可再生能源利用技术的可应用范围。
背景技术
地源热泵技术利用陆地浅层能源通过输入少量的电能实现由低品位热能向高品
位热能转移。消耗1kWh的电量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。
蓄冰、蓄水的蓄能技术是利用峰谷电价，在夜间用电谷时，用热泵制冷( 热)储存
起来，在白天峰时使用，进一步降低运行成本。
地源热泵和蓄水、蓄冰技术都是国家重点推广的节能环保项目，但是二者都受到
了使用条件的限制。如一个20000㎡的楼房建筑采用地源热泵一般需要100米深的地埋管井
200口。打井费用昂贵，占到总投资的一半以上。各地埋管间距4-5米，需要较大面积布置室
外埋管空间，对于土地紧张的城市建筑往往排布不开。打井投资高和打井面积不允许是热
泵技术推广的瓶颈，阻碍了该项国家重点推广的绿色清洁能源技术的推广。
水蓄冷和冰蓄冷技术的热短路现象会降低蓄能效率，对蓄冷时间和储罐最小容积
的经济性都有要求。蓄水设备需要使用换热器才能把蓄能用于空调系统也降低了效率。山
东建筑大学硕士论文《地源热泵与水蓄能复合系统的研究》对各类期刊杂志资料结论进行
了汇总供审查参考。如第8页指出蓄能量超过7000kWh或容积大于760㎥采用水蓄能才经济
合理。
发明内容
常用地源热泵系统热（冷）量是用循环水与地下换热设备与地表换热得到。本专利
是将其改为一部分取自建在地上的蓄水池，一部分还是由地埋管与地表换热的取水热能共
同完成地源热泵白天空调吸（放）热的需要。在夜间空调负荷小或者停用时，通过一台新增
的换热水泵将地上蓄水送入地埋管与地表层吸（放）热，准备好第二天系统使用。这样就发
挥出地埋管夜间的作用，减少地埋管的使用量，大幅降低了投资。更大的优点是减少地埋管
占地面积，扩大了地源热泵技术可推广范围，而这项技术的扩大推广会对治理雾霾起到作
用。
该专利和常见的水蓄冷和冰蓄冷技术不同之处是将蓄能用于了地源热泵系统的
不同位置。常见技术是把蓄能直接用于空调设备端，部分代替或全部热泵的输出能量。而该
专利是将蓄能用于热泵的输入端部分代替地埋换热设备的供能部分。常规技术的蓄冷蓄热
对其容积有最小量的经济要求的。水蓄能时，冷热水分层的热对流存在，换热水流量大和蓄
能后时间长以及罐体保温不好，都会使得上下部的温差热短路形成热对流失效，设计时要
几倍的增加罐体容量，蓄能罐内部要制作折流板和水分布器。由于承受楼体高度的压力需
要，蓄存水不能直接用于空调设备需使用热交换器，就要带来温差的浪费。而制冷温度的降
低或制热温度的提高都会较大幅度造成热泵制冷制热效率的降低。冰蓄冷采用冰球的方法
利用相变热容大节约了蓄热罐的体积，但除了上述问题还存在外，需要制冷到-4℃以下，热
泵效率也会大幅下降。本专利方法中的蓄能重点只是蓄积能量而对温度指标要求相对不
高。5-30℃水热源都是热泵合理和比较高效的工作范围，允许使用温度跨度大成倍的增加
了容器蓄能能力。本方法在热泵满负荷运转时，蓄能水与地埋管共同承担热负荷，蓄能被使
用。当不满负荷时会自动减少蓄能水供能量，而地埋管的水还是保持正常换热量，即蓄热罐
的能量只用掉地埋管换热的不足部分，热泵没有用到的热量还会返回蓄热池中。由于空调
全天负荷波动大，热泵多数时间不处于满负荷运行状态，蓄能水也会长时间在低负荷状态。
任何设计都是要必须按照最大负荷并考虑设计余量的，而这些地下换热设计的余量和占有
大多数时间的低负荷状态在本设计工作原理下确得到了充分利用，这就对蓄水容器的热容
量更加降低了要求。而采用蓄水容器的这种低成本方法来综合减少地埋管设计余量也会带
来极大的节约。蓄水温度与环境温差小，容器不用特殊保温也不需要用板式换热器换热，又
是常压敞口设备，可以是水泥结构水池或钢制水箱，可以利用建筑设备的消防水箱。可利用
建筑的地下层边角修建，且容积并不很大，可以被公用建筑接受。
背景说明中只是对常规蓄冷技术的特点和节能推广的难点与本专利进行比较和
进行原理上的说明，其目的是为了说明本专利也是用水蓄能，但用能的位置不同而原理不
同，二者没有相互替代的作用。这二种蓄能技术可在一套地源热泵系统里同时应用，互不影
响。常规蓄能的效果是在系统运行中实现更多节能；本专利的突出优点是让地下换热全部
发挥效能，节约投如和扩大热泵技术可应用范围。本专利原理简单，容易得到用户理解接
受，便于推广。
该方法地埋管使用减少并没有增加其单位面积最大负荷，而只是发挥其低负荷时
的潜力。由于对地源侧总放（吸）热量没有改变，对于系统的地热积蓄也没有产生影响。
地埋管系统使用时往往是上百根并联，流量小和分配不好就会造成某些U型管底
部堵塞，这常是地源热泵系统随使用时间延长性能降低的原因。由于可以合理加大夜间蓄
热流量进行换热，既起到缩短蓄能时间又对地下换热管路杂质冲刷的良好作用。本发明中
设计了反向冲刷同时实现换热起到了提高热泵系统使用寿命和保持良好运行状态的作用。
采用本专利后可以按照地埋管打井的需求量减少一半以上进行设计。
通过这种方法，可以解决受到土地面积紧张无法布置打井和打井费用高这两项严
重影响热泵技术推广的关键障碍。而为此增加的蓄水池设备可以利用建筑物地下的消防水
池，或利用地下层的角落空间建造接近层高的蓄水池，建造费用比打井节约费用要低十倍
或更低。由于夜间用电为低谷，电费低，地表热免费开采，蓄能水每日换热费用10元以下
（20000㎡举例）。而原理图介绍的控制蓄热水量和地源侧水量的方法每天节电130元以上
（20000㎡举例）。该专利的方法有针对性解决了地源热泵的不利缺陷。
该专利还可以在已经使用了地源热泵的建筑扩大供冷供热应用。利用已经安装的
地埋管设备，仅需增加地上设备就可以低投资得到地源热泵的低运行成本和节能效果，将
改造后扩大一倍的供应能力应用到周边新增的建筑。由于此时负荷增大，对于夏冬季向地
表放、吸热量差值大的地区需要校核地热扩散能力，防止冷、热积蓄。
同样道理，当已经投用的地源热泵系统由于地下换热设备换热不足或实际供冷供
热无法满足使用要求的改造项目，采用本方法也可以低投资达到扩容效果。
本专利提到的地埋管是地源热泵地下换热最常用的形式，采用其它的换热设备形
式得到的节约设备投资效果也是相同的。
本专利适用于晚间有停歇的公共建筑使用。对于24小时供热（冷）民用建筑可以通
过程序控制的方法扩展使用。
附图说明
附图是本发明工况系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的，不
能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
冬季供热工作状态
地源热泵21的地源侧供水由二路供给。电动阀18、16打开， 19、15关闭， 10、11打开，地
源侧循环水泵启动。一路来自蓄能水池3，密度稍低的热水从蓄能水池3上部阀门17流出，经
电动阀18连接热量表FV1测量再经过调节阀20调节流量后通过切换电动阀10进入地源侧给
水泵9进口与被地埋管1土壤加热的另一路回水混合；水泵9加压后经冬夏季切换阀F7进入
地源热泵放热后经F4流出热泵，分流部分经电动阀16和阀14流回蓄水池底部。另一路由地
埋管1经分水器13，通过电动阀11与蓄水并联连接后经过电动阀10进入地源侧水泵进口，同
样经水泵加压至热泵放热后接于接集水器2返回地埋管1的进口与地源吸热。
冬季夜间蓄能过程
蓄热时蓄能水池的水流向与白天相反。此时地源侧循环水泵为停止状态。电动阀15、19
打开，16、18关闭，电动阀10、11关闭。开启蓄能水泵12，白天用过的密度稍大冷水自蓄能水
池3下端流出进入地埋管加热再由蓄能水池3上部返回。蓄能池水自下管口经阀14、15连接
热量表FV1在经过调节阀20调节流量后进入地源侧蓄能水泵12加压至地埋管，被土壤加热
的水经集水器2电动阀19和阀17流回蓄水池3顶部。经过循环当T4温度达到要求时停止蓄能
水泵，程序返回白天正常工作状态。
夏季制冷工作状态
夏日供冷季节时，地源热泵21的地源侧供水也由二路供给。电动阀15、19打开，16、18关
闭，10、11打开。一路来自蓄能水池3，冷水从蓄能水池3下部阀门14流出，蓄能水经下管口经
阀14、15连接热量表FV1在经过调节阀20调节流量后再通过电动阀10进入地源侧给水泵9进
口与被地埋管土壤冷却的回水混合；水泵加压后经冬夏季切换阀F8进入地源热泵吸热后经
F1流出热泵21，分流部分经电动阀19和阀17流回蓄水池顶部。另一路由地埋管1经分水器
13，通过电动阀11与蓄水并联连接后经过电动阀10进入地源侧水泵进口，同样经水泵加压
至热泵吸热后接于接集水器2进入地埋管1的进口与地源放热。
夏季夜间蓄能过程
蓄冷时蓄能水池的水流向与白天相反。即已用过的热水需自蓄能水池3上端流出进入
地埋管冷却再由下部返回蓄能水池。电动阀18、16打开，19、15关闭，电动阀10、11关闭，开启
蓄能水泵。蓄能池水自上管口经阀17、18连接热量表FV1再经过调节阀20调节流量后进入蓄
能水泵12加压至地埋管1，被土壤冷却的水经集水器2，电动阀16和阀14流回蓄能水池底部。
经过循环当T3温度达到要求停蓄能泵，程序返回白天正常工作状态。
其它回路的功能
冬夏季切换阀F1-F8每季切换一次，手动阀切换比较经济。
地源侧循环泵9泵前稳压及地源系统补水由高位水箱4自动完成。
上述各电动阀门程序工作状态以及蓄能水泵夜间的开启时间、白天各水泵启停时
间都通过PLC程序控制器自动完成，可实现无值守全自动操作。
通过测量给回水温差，调节蓄能水流量，可以最大化的发挥地埋管的作用和蓄水
池蓄能的作用和实现水泵最佳节能。
通过测量蓄水池的温度可以控制蓄能水泵的最短运行时间；通过调整地埋管出口
水温和调节阀控制流量可以减少蓄热罐内热量的使用和地源侧水泵的经济运行，达到节电
的效果。
空调侧分水包5和集水包8，空调侧水泵以及空调负荷7是典型的使用方法。常见的
蓄冷蓄水的节能方法可以应用在这个回路中。