通过对地源热泵系统增加反季节平衡蓄能系统，克服地源热泵的建筑冬夏负荷大致平衡的这一应用限制条件。实现方式是：反季节平衡蓄能系统与能量提升供给系统并联，反季节平衡蓄能系统与能量提升供给系统分别与地埋管换热器系统连接，从而实现反季节平衡蓄能，并且与能量提升供给系统可以同时独立运行，季节性地独立向地下储存地源热泵系统不平衡部分的能量。

一、背景技术

地源热泵虽然是极有发展前途的空调方式，而且在工程中越来越多地使用，但同时又存在着限止条件：那就是夏季向地下的总排热量与冬季向下的总取热量要基本相等。当冬夏两季空调负荷不平衡（指季节总负荷）时，长期运行地下温度场得不到恢复，不能保证地热源工况。北方地区建筑物的冬季供暖季总热负荷远大于夏季空调季总冷负荷，长期运行会使使用的土壤温度场温度下降，使土壤源热泵系统供热能力和能效下降；对于南方地区,由于夏季空调冷负荷大于冬季供暖负荷,可能造成地下土壤的温度越来越高,造成机组的冷凝温度提高,致使制冷量减少,耗功率上升。资料显示：一般情况下,土壤温度降低1℃,会使制取同样热量的能耗增加3～4%。给系统的可靠性、稳定性带来问题，给用户带来麻烦。被视为土壤源热泵应用的一大局限，认为因其自身特点而有其适用的最佳地域范围,即夏热冬冷且冬夏冷热负荷相当的地区。

对于冬夏冷热负荷不相当的地区，目前的工程解决办法是加辅助热源补偿地下冷热源差值，即混合源系统。对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方寒冷地区,最常用的方法是采用锅炉作为辅助热源。对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区,最常用的方法是采用带有冷却塔的辅助散热系统。这些模式下的空调系统不是纯粹的土壤源热泵，土壤源热泵的节能环保优势未能充分发挥。尽管如此，地源热泵在长期运行中的平衡性能否真正保证，在目前的工程应用中也没有测控手段，依然是一个盲区。在工程设计中，很多只考虑了地埋管满足冬夏峰值负荷能力，而未必对两个季节的总负荷差值有清晰的认识（这是传统的空调设计人员所不用考虑的），更没有什么调控手段。

二、新技术内容

地源热泵平衡冬夏负荷技术，包括地下埋管换热器系统、地源热泵能量提升供给系统，技术特点在于：还包括反季节平衡蓄能系统。地下埋管在连接地源热泵机组的同时，还并联连接着反季节平衡蓄能装置。建筑物冬夏负荷不平衡的情况时，在相反的季节或过渡季节，可以向地下蓄存季节性冷热量，以实现地源热泵向地下的总排热量与总排冷量相等，确保地源热泵可控制地、长期稳定地运行。反季节平衡蓄能系统，是将地上季节性冷量和热量，包括太阳能、空气、地表层土壤及水及各类建筑物中的季节性余能，通过采集、转化后向地下蓄存利用的装置。本技术的实现形式之一图示如图1。

对于冬季吸热量大于夏季排热量的北方寒冷地区,夏季运行时，由于夏季向地下排热能力较强，所以只需要使用部分地埋管换热器1来和热泵机组10连接，提供冷源，其余地埋管可通过两组地源水集分水器：能量提升供给系统地源水集水器7和能量提升供给系统地源水分水器8、反季节平衡蓄能系统地源水集水器2和反季节平衡蓄能系统地源水分水器3上的阀门进行切换，连通反季节蓄能系统，运行蓄能水泵6和地上季节性热量采集器4，使夏季地上的热量通过地埋管换热器1蓄存入地下；在过渡季节，如果是采用太阳能集热器等可能的情况下，可以通过两组地源水集分水器上的阀门切换，把地埋管换热器1组群的部分或全部连接到反季节平衡蓄能系统，进行蓄能。直到达到最有利于冬季夏季综合的最好地温工况为止。冬季采暖时,通过地源水两组集分水器上的阀门的切换，把地埋管换热器部分或全部连接在空调系统上，利用蓄存的热量供热；同时蓄存冷量，供夏季使用。

对于夏季排热量大于冬季吸热量的南方地区,也可以采用类似的运行方式进行反季节蓄冷。

三、技术原理及目的

1、本系统的平衡蓄能原理：从理论上说地下蓄存着取之不竭的浅层位品位能源，但由于土壤的热扩散能力非常有限，在土壤源热泵冬夏季负荷不平衡时，长期运行时能源得不到及时补偿，不能保证地热源工况。从土壤源热泵冬夏季运行试验看，在整季运行之后，竖向地埋管四周温度场中温度有明显变化的地方为以竖埋管为中心，35米为半径的范围之较好的热蓄体，对土壤进行反季节蓄能，其扩散范围也不大，相应就能得到高效率的利用，实际应用中是竖向地埋管群为主，其蓄能效率更高。从长期运行来看，地埋管地源热泵更大程度是利用地下土壤等的良好蓄能性能。利用地源热泵空调系统加反季节蓄能系统，用来解决冬夏季负荷不平衡问题，无疑是对这一应用难题非常用效的突破性解决。不但可以平衡冬夏季负荷差，甚至还能通过过度蓄存来调节地下温度工况，提高取热能力，减少埋管量减小初投资，同时提高热泵机组的能效，超理想地解决负荷不平衡。土壤源热泵的节能环保优势实现充分发挥，使系统成为完整的土壤源热泵。

2、本技术的目的：主要在于解决当前的地埋管地源热泵在冬夏季总的冷热负荷相差较大的工程、地区，为了避免长期运行地下温度场得不到恢复、不能保证地热源工况，设计只能按较小的季节负荷部分地使用地源热泵，负荷较大的季节要辅助能源来补偿。本技术提出的地源热泵系统，在总负荷较小季节或过渡季节利用运行独立的平衡蓄能系统向地下蓄能，来平衡负荷较大季节的季节负荷差，能够实现冬夏季都完全使用地下冷热源满足冷热负荷的要求，而不需要其它冷热源同时辅助运行；还实现了主动调节地下温度工况的作用，能够提高地埋管换热器的取热能力，提高热泵能效，减小初投资，在北方地区尤显重要。

3、主要技术特征在于：反季节平衡蓄能系统及其连接方式，即通过并联的两组地埋管集分水器及阀门，实现加入反季节平衡蓄能系统，反季节平衡蓄能系统与能量提升供给系统并联，反季节平衡蓄能系统与能量提升供给系统分别与地埋管换热器系统连接，从而实现反季节平衡蓄能，并且与能量提升供给系统可以同时独立运行，季节性地独立向地下储存地源热泵系统不平衡部分的能量。

本技术应用或类似应用实例：

实例1、2015年大兴多所中小学地源热泵+太阳能工程。中小学夏季放假，真正空调的时间很短，因此存在取热负荷大于取冷负荷的问题，采用地源热泵+太阳能季节性向地下土壤蓄能，完好地解决了冬夏负荷不平衡问题，并利用太阳能提高了冬季采暖能效。该工程由本设计所设计完成，2015年实施。

实例2、山东中瑞新能源科技有限公司与清华大学合作打造的世界规模最大的“太阳能—地下土壤储热”工程，目前已进入收尾阶段。工程建设地点位于内蒙古自治区赤峰市松山区金剑铜业西南侧的一块山坡地，占地面积为10853平方米(16.21亩)、地下土壤蓄热体积超过50万立方米，太阳能集热面积达到1000平方米。该工程是目前世界上规模最大的“太阳能—地下土壤储热”工程。

四、可行性分析：

当然平衡蓄存能量的现实可行性还要依据空调系统峰值冷热负荷的大小、整季总冷热负荷的大小、地埋管换热的取热排热特性、初投资和运行费用几个方面，在投资和能源利用效率上有优势，那将有着极大的实用意义。

1、技术原理上的可行性前面已论述；绝大多数工程，都必须监测地下温度场、都或多或少地需要向地下平衡蓄能。

2、反季节蓄能运行经济性：根据哈尔滨工业大学的研究资料(暖通空调杂志2005年第10期)显示冬季向地下埋管蓄冷的能效比（即蓄冷量与耗电量的比值）为13以上。夏季向地下排热的能效比更高。以不平衡率50%为例，只需要增加运行费的1/26以下，即增加单个季节总运行费用的3.85%以下的费用。说明蓄能运行在经济上是可行的。

3、初投资的经济性：以北方地区为对像，蓄能系统增加：水泵、太阳能（平板式或真空管式）、管道及附件。主要以太阳能的造价为主。以不平衡率50%、建筑面积日均不平衡热负荷50W/平米为例，需增加的造价为：50W太阳能市场价/建筑平米，约合几元到几十元/建筑平米。当然这种反季节对太阳能集热器的利用，并不妨碍太阳能集热器冬季的使用，因此，再考虑到太阳能的冬季热水、采暖功能，季节性蓄能的太阳能的造价还可以均摊出一部分。因为反季节蓄能的太阳能集热器可以是完全非冬季运行，可不考虑其防冻的问题，因此，太阳能集热器的造价可大大降低。

以南方为例，利用反季节蓄能在冬季向地下蓄存冷量，可利风冷空调机的室外散热部分作为本系统的取冷装置，造价应该也是很小的。综上所述，反季节性蓄能在初资上也是可行的。

4、与建筑结合的可行性：地上反季节冷热量采集装置可以设置在屋顶、墙面及其它建筑围护结构处，可以与建筑一体化结合，也可以单独设置。其形式为太阳能集热器、地表水及空气源集散热器等形式的水管系统。

5、地质水文上的可行性:地埋管相关的地下水流速，在卵石层等透水性良好的地层，水压头高的情况下，地下水流速通常都在10米/年以内，透水性不够良好、水压头不高的地层地下水流速都会成数量级地小。因此通常情况下地下水流对地源热泵的影响都可忽略不计。

五、反季节蓄能拓展出的应用价值：

以北方地区竖埋管换热器的取热能力弱和排热能力强的特性及冷热负荷特点，通过反季节蓄热装置调节地下温度工况，提高竖向地埋管换热器的取热能力，对减少地埋管数量减小初投资、提高热泵能效的意义也是值得研究的。这方面的研究成果不多，根据吉林大学的高青等人在文章《群井地下换热系统初温和构造因素影响传热的研究》（第4卷第1期2005年3月热科学与技术1.4.1.2005)中的研究成果显示，提高地下初始温度对地源热泵的影响是非常大的。因此利用反季节蓄能系统调节地下温度场，对地源热泵应用的节能、经济性的影响也是值得本系统拓展出的应用研究部分，有待开发。另外，反季节平衡蓄能与太阳能采暖相结合，可以实现太阳能的多季节利用，是太阳能利的充分形式。