一种小型地源热泵系统及其空调末端系统的设计方法与流程

本发明属于地源热泵系统设计，具体涉及一种小型地源热泵系统及其空调末端系统的设计方法。

背景技术：

1、针对美好乡村居住建筑小型地源热泵系统，热泵机组制冷/制热量通常在10kw以下，因初投资限制，常采用单压缩机配置。此类系统管路管径小、长度短，系统水容积通常小于50l，热容量极为有限。由于用户侧负荷随昼夜交替、人员进出而变化波动，引起回水温度频繁波动，实测波动幅度可达3~5℃，导致压缩机频繁启停，严重时每小时启停次数高达15~20次，不仅使室内温度波动，影响热舒适感，同时增加系统启停能耗和加速压缩机的机械磨损，严重时会因过热保护而停机。

2、针对上述问题，现有技术的主要解决方案是在水系统中外加缓冲水箱或相变储能罐，利用外置储能装置增大系统热容以平抑温度波动。然而，对于小型系统，该方案存在固有缺陷：

3、额外增加水箱、阀门、管件等硬件显著提高初投资成本，且需占用额外的安装空间；新增设备引入泄漏风险并需定期维护检修。此外，传统末端水系统水力计算方法仅以满足管路阻力平衡和流量分配为目标，从未将水系统的热容量作为独立的设计参数加以考量，导致小型系统中热容不足的问题在设计阶段即被忽视，只能依赖事后增加外置装置来弥补，始终缺少一种在设计源头即系统性解决该问题的有效手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对传统的小型地源热泵系统水容积小、热容有限，用户侧负荷变化波动时导致回水温度波动而引发压缩机频繁启停的问题，通过对热泵机组进出口管路设置供回水集管的改进和引入系统热容参数约束的设计方法，提出一种不设外置缓冲水箱、通过设置供回水集管增加系统蓄水量，平抑温度波动的系统构型及其末端水系统设计方法。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、第一方面、本发明提出了一种小型地源热泵系统，包括地埋管地下换热系统、地源热泵机组和空调末端系统，所述空调末端系统包括末端设备、循环泵及连接管道，在所述地源热泵机组的进出水干管上设置有供回水集管，所述供回水集管用于蓄存水量以平抑回水温度波动；所述供回水集管包括供水集管和回水集管，所述供水集管与所述回水集管的内径相同、长度相同；所述供回水集管的内容积与所述末端设备的内容积之和不小于最小水容积vw,min，所述最小水容积vw,min按照下式确定：，其中，为所述地源热泵机组的额定制冷量，为所述地源热泵机组中压缩机的最小启停时间，δt为所述空调末端系统的供回水温差，为水的密度，为水的比热容。

4、所述地源热泵机组与所述空调末端系统连通，并基于所述空调末端系统的回水温度控制所述地源热泵机组中压缩机的启停。

5、进一步地，所述系统还包括热容分析计算模块、集管参数配置模块和水力校核模块；

6、所述热容分析计算模块用于获取所述地源热泵机组的额定制冷量和压缩机最小启停时间，结合所述空调末端系统的供回水温差，确定所述空调末端系统所需的最小水容积；

7、所述集管参数配置模块用于以所述最小水容积为设计约束，确定所述供回水集管的内径与长度，使所述供回水集管的内容积与所述末端设备的内容积之和不小于所述最小水容积；

8、所述水力校核模块用于基于所述内径与所述长度计算所述空调末端系统最不利环路的流动阻力，校核所述流动阻力不大于所述循环泵的扬程且所述循环泵的工作点位于高效率区间，以确定所述内径与所述长度的最终取值。

9、进一步地，所述地源热泵机组的单机制冷量或制热量不大于10kw，由此按前述最小水容积计算式确定的最小水容积保持在采用工程常用管径的供回水集管即可满足的范围内，与本发明所针对的小型系统的负荷特性相匹配。

10、进一步地，所述供回水集管的公称直径不小于dn40，以避免因管径过小而使满足所述最小水容积所需的管长超出实际可布置空间，或使管内流速与流动阻力过高。

11、进一步地，所述供回水集管采用埋地敷设，以节省系统布置空间，并与地埋管地下换热系统的埋地施工方式相协调；埋地敷设还能缓冲环境温度剧烈变化对管内水温的扰动，降低露天敷设条件下冬季管内水冻结的风险。

12、进一步地，所述热容分析计算模块通过如下步骤确定所述最小水容积：

13、根据所述地源热泵机组的额定制冷量、所述压缩机最小启停时间和所述空调末端系统的供回水温差，按照下式计算所需最小热容量：

14、；

15、根据所述最小热容量与水的比热容、水的密度，按照下式计算所述最小水容积：

16、。

17、进一步地，所述集管参数配置模块按照以下容积约束关系确定所述供回水集管的内径d与长度l：

18、- ；

19、其中，为所述末端设备的内容积；求解时先固定管长计算管径，不能满足要求时再调整管长。

20、进一步地，所述水力校核模块用于对所述集管参数配置模块所确定的所述内径与长度进行水力校核，包括：

21、根据所述内径与体积流量计算供回水集管内流体的雷诺数，根据所述雷诺数判断流态；

22、基于判断所得的流态，选择与该流态对应的摩擦阻力系数计算方法，计算所述空调末端系统最不利环路的流动阻力；

23、若所述流动阻力大于循环泵扬程，或循环泵工作点偏离高效率区间，则返回所述集管参数配置模块重新确定所述供回水集管的内径与长度，直至所述流动阻力不大于循环泵扬程且循环泵工作于高效率区间。

24、进一步地，所述水力校核模块中，雷诺数re按照下式得到：

25、；

26、其中，q为所述空调末端系统的体积流量，d为所述供回水集管内径，为水的运动黏度；

27、所述流态的判断标准为：当re<2300时为层流，当2300≤re≤4000时为过渡区，当re>4000时为紊流。

28、进一步地，基于判断所得的流态选择对应的摩擦阻力系数计算方法，包括：

29、若所述流态为层流，则按照下式计算所述摩擦阻力系数：

30、；

31、若所述流态为紊流，则按照科尔布鲁克方程计算所述摩擦阻力系数：

32、；

33、其中，为管道内壁当量粗糙度；

34、若所述流态为过渡区，则采用内插法确定所述摩擦阻力系数。

35、进一步地，所述流动阻力按照达西-魏斯巴赫公式计算沿程压降，如下式：

36、；

37、其中，为所述摩擦阻力系数，l为所述供回水集管长度，d为所述供回水集管内径，为水的密度，v为管道断面平均流速。

38、第二方面、本发明提出了一种上述小型地源热泵系统的空调末端系统的设计方法，包括以下步骤：

39、s1：根据所述地源热泵机组的额定制冷量、压缩机最小启停时间和所述空调末端系统的供回水温差，确定所述空调末端系统所需的最小热容量；

40、s2：根据所述最小热容量与水的比热容、水的密度，确定所需的最小水容积；

41、s3：以所述最小水容积为设计约束，配置所述空调末端系统中供回水集管的内径与长度，使所述供回水集管的内容积与所述末端设备的内容积之和不小于所述最小水容积；

42、s4：计算配置后供回水集管内流体的雷诺数，根据所述雷诺数判断流态，并基于判断所得的流态选择对应的摩擦阻力系数计算方法，计算所述空调末端系统最不利环路的流动阻力；

43、s5：将所述流动阻力与循环泵扬程进行比较，并校核循环泵工作点是否位于高效率区间，若所述流动阻力不大于循环泵扬程且循环泵工作于高效率区间，则确定所述供回水集管内径与长度的最终取值；否则返回步骤s3重新配置所述供回水集管内径与长度，直至满足要求。

44、本发明的有益效果在于：

45、1、本发明通过热容分析计算模块将热泵机组额定制冷量和最小启停时间转化为空调末端系统所需的最小水容积，使管道设计获得明确的热容约束目标，从设计源头确保系统自身水容积足以平抑回水温度波动，无需增设任何外置缓冲水箱或相变储能装置。相比现有技术中只能事后增加外置水箱来弥补热容不足的方案，本发明直接消除了水箱、阀门、管件等附加硬件的初投资，避免了新增设备带来的安装空间占用和泄漏风险，尤其适用于安装空间受限且维护条件有限的美好乡村居住建筑。

46、2、本发明通过水力校核模块在供回水集管管径与长度确定后计算管道内流体的雷诺数并判断流态，根据层流、过渡区或紊流分别采用、内插法或科尔布鲁克方程计算摩擦阻力系数，填补了传统暖通设计规范仅以紊流为前提，不覆盖层流状态的适用盲区，确保了大管径设计条件下阻力计算的准确性。同时水力校核模块将最不利环路流动阻力配置为不大于循环泵扬程且循环泵工作点位于高效率区间，使管径加大带来的单位长度阻力下降与管长增加带来的总阻力升高相互抵消，维持原循环泵的额定高效率工作点不变，实现了在不更换循环泵、不调整系统流量的前提下完成热容增强，使设计方案在实际工程中具备良好的可实施性。