通過對地源熱泵系統增加反季節平衡蓄能系統，克服地源熱泵的建筑冬夏負荷大致平衡的這一應用限制條件。實現方式是：反季節平衡蓄能系統與能量提升供給系統并聯，反季節平衡蓄能系統與能量提升供給系統分別與地埋管換熱器系統連接，從而實現反季節平衡蓄能，并且與能量提升供給系統可以同時獨立運行，季節性地獨立向地下儲存地源熱泵系統不平衡部分的能量。

一、背景技術

地源熱泵雖然是極有發展前途的空調方式，而且在工程中越來越多地使用，但同時又存在著限止條件：那就是夏季向地下的總排熱量與冬季向下的總取熱量要基本相等。當冬夏兩季空調負荷不平衡（指季節總負荷）時，長期運行地下溫度場得不到恢復，不能保證地熱源工況。北方地區建筑物的冬季供暖季總熱負荷遠大于夏季空調季總冷負荷，長期運行會使使用的土壤溫度場溫度下降，使土壤源熱泵系統供熱能力和能效下降；對于南方地區,由于夏季空調冷負荷大于冬季供暖負荷,可能造成地下土壤的溫度越來越高,造成機組的冷凝溫度提高,致使制冷量減少,耗功率上升。資料顯示：一般情況下,土壤溫度降低1℃,會使制取同樣熱量的能耗增加3～4%。給系統的可靠性、穩定性帶來問題，給用戶帶來麻煩。被視為土壤源熱泵應用的一大局限，認為因其自身特點而有其適用的最佳地域范圍,即夏熱冬冷且冬夏冷熱負荷相當的地區。

對于冬夏冷熱負荷不相當的地區，目前的工程解決辦法是加輔助熱源補償地下冷熱源差值，即混合源系統。對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區,最常用的方法是采用鍋爐作為輔助熱源。對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區,最常用的方法是采用帶有冷卻塔的輔助散熱系統。這些模式下的空調系統不是純粹的土壤源熱泵，土壤源熱泵的節能環保優勢未能充分發揮。盡管如此，地源熱泵在長期運行中的平衡性能否真正保證，在目前的工程應用中也沒有測控手段，依然是一個盲區。在工程設計中，很多只考慮了地埋管滿足冬夏峰值負荷能力，而未必對兩個季節的總負荷差值有清晰的認識（這是傳統的空調設計人員所不用考慮的），更沒有什么調控手段。

二、新技術內容

地源熱泵平衡冬夏負荷技術，包括地下埋管換熱器系統、地源熱泵能量提升供給系統，技術特點在于：還包括反季節平衡蓄能系統。地下埋管在連接地源熱泵機組的同時，還并聯連接著反季節平衡蓄能裝置。建筑物冬夏負荷不平衡的情況時，在相反的季節或過渡季節，可以向地下蓄存季節性冷熱量，以實現地源熱泵向地下的總排熱量與總排冷量相等，確保地源熱泵可控制地、長期穩定地運行。反季節平衡蓄能系統，是將地上季節性冷量和熱量，包括太陽能、空氣、地表層土壤及水及各類建筑物中的季節性余能，通過采集、轉化后向地下蓄存利用的裝置。本技術的實現形式之一圖示如圖1。

對于冬季吸熱量大于夏季排熱量的北方寒冷地區,夏季運行時，由于夏季向地下排熱能力較強，所以只需要使用部分地埋管換熱器1來和熱泵機組10連接，提供冷源，其余地埋管可通過兩組地源水集分水器：能量提升供給系統地源水集水器7和能量提升供給系統地源水分水器8、反季節平衡蓄能系統地源水集水器2和反季節平衡蓄能系統地源水分水器3上的閥門進行切換，連通反季節蓄能系統，運行蓄能水泵6和地上季節性熱量采集器4，使夏季地上的熱量通過地埋管換熱器1蓄存入地下；在過渡季節，如果是采用太陽能集熱器等可能的情況下，可以通過兩組地源水集分水器上的閥門切換，把地埋管換熱器1組群的部分或全部連接到反季節平衡蓄能系統，進行蓄能。直到達到最有利于冬季夏季綜合的最好地溫工況為止。冬季采暖時,通過地源水兩組集分水器上的閥門的切換，把地埋管換熱器部分或全部連接在空調系統上，利用蓄存的熱量供熱；同時蓄存冷量，供夏季使用。

對于夏季排熱量大于冬季吸熱量的南方地區,也可以采用類似的運行方式進行反季節蓄冷。

三、技術原理及目的

1、本系統的平衡蓄能原理：從理論上說地下蓄存著取之不竭的淺層位品位能源，但由于土壤的熱擴散能力非常有限，在土壤源熱泵冬夏季負荷不平衡時，長期運行時能源得不到及時補償，不能保證地熱源工況。從土壤源熱泵冬夏季運行試驗看，在整季運行之后，豎向地埋管四周溫度場中溫度有明顯變化的地方為以豎埋管為中心，35米為半徑的范圍之較好的熱蓄體，對土壤進行反季節蓄能，其擴散范圍也不大，相應就能得到高效率的利用，實際應用中是豎向地埋管群為主，其蓄能效率更高。從長期運行來看，地埋管地源熱泵更大程度是利用地下土壤等的良好蓄能性能。利用地源熱泵空調系統加反季節蓄能系統，用來解決冬夏季負荷不平衡問題，無疑是對這一應用難題非常用效的突破性解決。不但可以平衡冬夏季負荷差，甚至還能通過過度蓄存來調節地下溫度工況，提高取熱能力，減少埋管量減小初投資，同時提高熱泵機組的能效，超理想地解決負荷不平衡。土壤源熱泵的節能環保優勢實現充分發揮，使系統成為完整的土壤源熱泵。

2、本技術的目的：主要在于解決當前的地埋管地源熱泵在冬夏季總的冷熱負荷相差較大的工程、地區，為了避免長期運行地下溫度場得不到恢復、不能保證地熱源工況，設計只能按較小的季節負荷部分地使用地源熱泵，負荷較大的季節要輔助能源來補償。本技術提出的地源熱泵系統，在總負荷較小季節或過渡季節利用運行獨立的平衡蓄能系統向地下蓄能，來平衡負荷較大季節的季節負荷差，能夠實現冬夏季都完全使用地下冷熱源滿足冷熱負荷的要求，而不需要其它冷熱源同時輔助運行；還實現了主動調節地下溫度工況的作用，能夠提高地埋管換熱器的取熱能力，提高熱泵能效，減小初投資，在北方地區尤顯重要。

3、主要技術特征在于：反季節平衡蓄能系統及其連接方式，即通過并聯的兩組地埋管集分水器及閥門，實現加入反季節平衡蓄能系統，反季節平衡蓄能系統與能量提升供給系統并聯，反季節平衡蓄能系統與能量提升供給系統分別與地埋管換熱器系統連接，從而實現反季節平衡蓄能，并且與能量提升供給系統可以同時獨立運行，季節性地獨立向地下儲存地源熱泵系統不平衡部分的能量。

本技術應用或類似應用實例：

實例1、2015年大興多所中小學地源熱泵+太陽能工程。中小學夏季放假，真正空調的時間很短，因此存在取熱負荷大于取冷負荷的問題，采用地源熱泵+太陽能季節性向地下土壤蓄能，完好地解決了冬夏負荷不平衡問題，并利用太陽能提高了冬季采暖能效。該工程由本設計所設計完成，2015年實施。

實例2、山東中瑞新能源科技有限公司與清華大學合作打造的世界規模最大的“太陽能—地下土壤儲熱”工程，目前已進入收尾階段。工程建設地點位于內蒙古自治區赤峰市松山區金劍銅業西南側的一塊山坡地，占地面積為10853平方米(16.21畝)、地下土壤蓄熱體積超過50萬立方米，太陽能集熱面積達到1000平方米。該工程是目前世界上規模最大的“太陽能—地下土壤儲熱”工程。

四、可行性分析：

當然平衡蓄存能量的現實可行性還要依據空調系統峰值冷熱負荷的大小、整季總冷熱負荷的大小、地埋管換熱的取熱排熱特性、初投資和運行費用幾個方面，在投資和能源利用效率上有優勢，那將有著極大的實用意義。

1、技術原理上的可行性前面已論述；絕大多數工程，都必須監測地下溫度場、都或多或少地需要向地下平衡蓄能。

2、反季節蓄能運行經濟性：根據哈爾濱工業大學的研究資料(暖通空調雜志2005年第10期)顯示冬季向地下埋管蓄冷的能效比（即蓄冷量與耗電量的比值）為13以上。夏季向地下排熱的能效比更高。以不平衡率50%為例，只需要增加運行費的1/26以下，即增加單個季節總運行費用的3.85%以下的費用。說明蓄能運行在經濟上是可行的。

3、初投資的經濟性：以北方地區為對像，蓄能系統增加：水泵、太陽能（平板式或真空管式）、管道及附件。主要以太陽能的造價為主。以不平衡率50%、建筑面積日均不平衡熱負荷50W/平米為例，需增加的造價為：50W太陽能市場價/建筑平米，約合幾元到幾十元/建筑平米。當然這種反季節對太陽能集熱器的利用，并不妨礙太陽能集熱器冬季的使用，因此，再考慮到太陽能的冬季熱水、采暖功能，季節性蓄能的太陽能的造價還可以均攤出一部分。因為反季節蓄能的太陽能集熱器可以是完全非冬季運行，可不考慮其防凍的問題，因此，太陽能集熱器的造價可大大降低。

以南方為例，利用反季節蓄能在冬季向地下蓄存冷量，可利風冷空調機的室外散熱部分作為本系統的取冷裝置，造價應該也是很小的。綜上所述，反季節性蓄能在初資上也是可行的。

4、與建筑結合的可行性：地上反季節冷熱量采集裝置可以設置在屋頂、墻面及其它建筑圍護結構處，可以與建筑一體化結合，也可以單獨設置。其形式為太陽能集熱器、地表水及空氣源集散熱器等形式的水管系統。

5、地質水文上的可行性:地埋管相關的地下水流速，在卵石層等透水性良好的地層，水壓頭高的情況下，地下水流速通常都在10米/年以內，透水性不夠良好、水壓頭不高的地層地下水流速都會成數量級地小。因此通常情況下地下水流對地源熱泵的影響都可忽略不計。

五、反季節蓄能拓展出的應用價值：

以北方地區豎埋管換熱器的取熱能力弱和排熱能力強的特性及冷熱負荷特點，通過反季節蓄熱裝置調節地下溫度工況，提高豎向地埋管換熱器的取熱能力，對減少地埋管數量減小初投資、提高熱泵能效的意義也是值得研究的。這方面的研究成果不多，根據吉林大學的高青等人在文章《群井地下換熱系統初溫和構造因素影響傳熱的研究》（第4卷第1期2005年3月熱科學與技術1.4.1.2005)中的研究成果顯示，提高地下初始溫度對地源熱泵的影響是非常大的。因此利用反季節蓄能系統調節地下溫度場，對地源熱泵應用的節能、經濟性的影響也是值得本系統拓展出的應用研究部分，有待開發。另外，反季節平衡蓄能與太陽能采暖相結合，可以實現太陽能的多季節利用，是太陽能利的充分形式。