一种复合式地埋管地源热泵系统及其优化方法

1.本发明涉及一种复合式地埋管地源热泵系统及其优化方法，属于地源热泵技术领域。


背景技术：

2.地源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源(包括地下水、地下岩土或地表水等)，既可供热又可制冷的高效节能装置。其中地埋管地源热泵系统较少受环境条件的限制，因而正日益受到重视。它利用地下土壤温度相对稳定的特性，在投入少量高位能的基础上，通过埋在地下的地埋管换热器与大地进行冷热交换，实现夏季制冷、冬季供暖；另外，还可以提供生活用热水。在地源热泵系统全年运行过程中，冬季通过热泵主机从地下吸收热量后对建筑供热，同时地埋管换热器周围的温度降低；夏季通过热泵把建筑物中的热量传输给大地，对建筑物降温，同时地埋管换热器周围的温度升高。
3.地埋管地源热泵系统一般由地埋管换热器、热泵机组和末端装置构成。地埋管换热器作为地埋管地源热泵系统的核心组成部分，对地埋管地源热泵系统的热性能具有重要影响。目前多采用经验法则或遍历算法对地埋管地源热泵系统进行设计，而经验法则的设计精度不够，遍历算法的计算效率低，无法保证系统成本以及热性能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种复合式地埋管地源热泵系统及其优化方法，解决现有技术无法对地埋管地源热泵系统的成本和热性能进行有效控制的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，所述复合式地埋管地源热泵系统包括垂直地埋管热泵系统和水平螺旋地埋管热泵系统，所述优化方法包括：
7.获取建筑物冷热负荷，并基于建筑物冷热负荷获取建筑物峰值冷热负荷和建筑物累计冷热负荷；
8.根据建筑物累计冷热负荷判断建筑物冷热负荷为主导负荷或非主导负荷；
9.根据垂直地埋管热泵系统承担的最大冷热负荷与建筑峰值冷热负荷的比值定义主导负荷比值和非主导负荷比值；
10.基于预构建的垂直地埋管的管长设计方程对定义的主导负荷比值、非主导负荷比值以及对应的垂直地埋管热泵系统所需垂直地埋管的管长进行迭代求解；
11.基于预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程根据求解的主导负荷比值、非主导负荷比值计算水平螺旋地埋管热泵系统所需水平螺旋地埋管的沟壕长度；
12.根据求解的主导负荷比值和非主导负荷比值下的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度获取投资成本、运行成本、维护成本以及传热量；
13.根据投资成本、运行成本、维护成本以及传热量计算平准化能源成本；
14.以平准化能源成本最小化为目标，获取最终的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度。
15.可选的，所述根据建筑物累计冷热负荷判断建筑物冷热负荷为主导负荷或非主导负荷包括：
16.若累计冷负荷大于累计热负荷，则建筑物冷负荷为主导负荷，建筑物热负荷为非主导负荷；若累计冷负荷小于等于累计热负荷，则建筑物热负荷为主导负荷，建筑物冷负荷为非主导负荷。
17.可选的，所述主导负荷比值α,α∈[0,1]为垂直地埋管热泵系统承担的最大主导负荷与建筑峰值主导负荷的比值；所述非主导负荷比值β,β∈[0,1]为垂直地埋管热泵系统承担的最大非主导负荷与建筑峰值非主导负荷的比值。
[0018]
可选的，所述对定义的主导负荷比值、非主导负荷比值以及对应的垂直地埋管热泵系统所需垂直地埋管的管长进行迭代求解包括：
[0019]
初始化主导负荷比值α＝0，非主导负荷比值β＝1；
[0020]
根据主导负荷比值α、非主导负荷比值β和建筑物峰值冷热负荷的乘积获取垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0021]
根据最大冷热负荷以及预构建的垂直地埋管的管长设计方程，计算垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长；
[0022]
取垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长中大的值作为垂直地埋管热泵系统所需垂直地埋管的管长；
[0023]
根据制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长计算差异性，并判断相对差异性是否大于预设差异值，若是，则以预设递减步长减小非主导负荷比值β，并带入上述步骤进行迭代；
[0024]
若否，则输出当前的主导负荷比值α和非主导负荷比值β，并以预设递增步长增加主导负荷比值α，并带入上述步骤进行迭代。
[0025]
可选的，所述获取垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷还包括：
[0026]
判断垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷是否大于等于建筑物冷热负荷；
[0027]
若是，则垂直地埋管热泵系统承担建筑物冷热负荷；若否，则垂直地埋管热泵系统和水平埋管热泵系统共同承担建筑物冷热负荷，且水平埋管热泵系统承担垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷小于建筑物冷热负荷的部分。
[0028]
可选的，所述预构建的垂直地埋管的管长设计方程为：
[0029][0030][0031]
其中，l
cooling.bhe
和l
heating.bhe
分别为垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长，q
net
为垂直地埋管全年净注入/抽取的地热能，r
sa
、r
sm
、r
sst
分别为预设时长、月、年周期下连续脉冲负荷下的土壤热阻，rb为钻孔热阻，plfm为制冷和制热工况对应
月份的运行份额，f
sc
进出水管间热交互作用引起的热短路损失因子，t0为土壤初始温度，elt和llt分别为热泵机组额定进出水温度，t
p
为所有水管间热交互作用引起的土壤惩罚温度，q
cond
和q
evap
分别为制冷和制热工况对应的垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷。
[0032]
可选的，所述计算水平螺旋地埋管热泵系统所需水平螺旋地埋管的沟壕长度包括：
[0033]
根据求解的主导负荷比值α、非主导负荷比值β和建筑物峰值冷热负荷的乘积获取水平螺旋地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0034]
根据最大冷热负荷以及预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程，计算水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度；
[0035]
所述预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程为：
[0036][0037][0038]
其中，l
cooling.hghe
和l
cooling.hghe
分别为水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度，q
net
为水平螺旋地埋管全年净注入/抽取的地热能，r
sa
、r
sm
、r
sst
分别为预设时长、月、年周期下连续脉冲负荷下的土壤热阻，r
p
为埋管热阻，plfm为制冷和制热工况对应月份的运行份额，f
sc
进出水管间热交互作用引起的热短路损失因子，elt和llt分别为热泵机组额定进出水温度，t
p
为所有水管间热交互作用引起的土壤惩罚温度，t
h,cooling
和t
h,heating
分别为水平螺旋地埋管中轴线所处土壤深度处在制冷工况的最大温度值和制热工况的最小温度值，q
cond
和q
evap
分别为制冷和制热工况对应的水平螺旋地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0039]
取水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度中大的值作为水平螺旋地埋管的沟壕长度。
[0040]
可选的，所述投资成本、运行成本和维护成本根据垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度基于预设的计算规则获取；所述传热量根据垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度基于预构建的模拟软件获取。
[0041]
可选的，所述平准化能源成本为：
[0042][0043]
其中，lcoe为平准化能源成本，ic为投资成本，ocy为第y年运行成本，mcy为第y年维护成本，qy为第y年传热量，ir为利率，y为总年份。
[0044]
第二方面，本发明提供了一种复合式地埋管地源热泵系统，包括垂直地埋管热泵系统和水平螺旋地埋管热泵系统，所述垂直地埋管热泵系统包括垂直地埋管热泵机组，所述垂直地埋管热泵机组的地源侧串联有垂直地埋管组、第一地源侧水泵和第一地源侧阀门，所述垂直地埋管组包括多个并联的垂直地埋管；所述水平螺旋地埋管热泵系统包括水
平螺旋地埋管热泵机组，所述水平螺旋地埋管热泵机组的地源侧串联有水平螺旋地埋管组、第二地源侧水泵和第二地源侧阀门，所述水平螺旋地埋管组包括多个并联的水平螺旋地埋管；所述复合式地埋管地源热泵系统采用如上述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法。
[0045]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0046]
本发明提供的一种复合式地埋管地源热泵系统及其优化方法，通过构建冷热负荷比值并计算出主导负荷比值下的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度，再基于垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度获取平准化能源成本，以平准化能源成本最小化为目标，获取最终的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度；通过最终的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度可以保证复合式地埋管地源热泵系统在较低成本下，长期高效的运行。
附图说明
[0047]
图1是本发明实施例一提供的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法流程图；
[0048]
图2是本发明实施例三提供的一种复合式地埋管地源热泵系统连接示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0050]
实施例一：
[0051]
如图1所示，本发明实施例提供了一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，复合式地埋管地源热泵系统包括垂直地埋管热泵系统和水平螺旋地埋管热泵系统，优化方法包括：
[0052]
1、获取建筑物冷热负荷，并基于建筑物冷热负荷获取建筑物峰值冷热负荷和建筑物累计冷热负荷。
[0053]
2、根据建筑物累计冷热负荷判断建筑物冷热负荷为主导负荷或非主导负荷；
[0054]
若累计冷负荷大于累计热负荷，则建筑物冷负荷为主导负荷，建筑物热负荷为非主导负荷；若累计冷负荷小于等于累计热负荷，则建筑物热负荷为主导负荷，建筑物冷负荷为非主导负荷。
[0055]
3、根据垂直地埋管热泵系统承担的最大冷热负荷与建筑峰值冷热负荷的比值定义主导负荷比值和非主导负荷比值；
[0056]
主导负荷比值α,α∈[0,1]为垂直地埋管热泵系统承担的最大主导负荷与建筑峰值主导负荷的比值；非主导负荷比值β,β∈[0,1]为垂直地埋管热泵系统承担的最大非主导负荷与建筑峰值非主导负荷的比值。
[0057]
4、基于预构建的垂直地埋管的管长设计方程对定义的主导负荷比值、非主导负荷比值以及对应的垂直地埋管热泵系统所需垂直地埋管的管长进行迭代求解；
[0058]
具体包括：
[0059]
s1、初始化主导负荷比值α＝0，非主导负荷比值β＝1；
[0060]
s2、根据主导负荷比值α、非主导负荷比值β和建筑物峰值冷热负荷的乘积获取垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0061]
判断垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷是否大于等于建筑物冷热负荷；
[0062]
若是，则垂直地埋管热泵系统承担建筑物冷热负荷；若否，则垂直地埋管热泵系统和水平埋管热泵系统共同承担建筑物冷热负荷，且水平埋管热泵系统承担垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷小于建筑物冷热负荷的部分。
[0063]
s3、根据最大冷热负荷以及预构建的垂直地埋管的管长设计方程，计算垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长；
[0064]
预构建的垂直地埋管的管长设计方程为：
[0065][0066][0067]
其中，l
cooling.bhe
和l
heating.bhe
分别为垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长，q
net
为垂直地埋管全年净注入/抽取的地热能，r
sa
、r
sm
、r
sst
分别为预设时长、月、年周期下连续脉冲负荷下的土壤热阻，rb为钻孔热阻，plfm为制冷和制热工况对应月份的运行份额，f
sc
进出水管间热交互作用引起的热短路损失因子，t0为土壤初始温度，elt和llt分别为热泵机组额定进出水温度，t
p
为所有水管间热交互作用引起的土壤惩罚温度，q
cond
和q
evap
分别为制冷和制热工况对应的垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷。
[0068]
s4、取垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长中大的值作为垂直地埋管热泵系统所需垂直地埋管的管长；
[0069]
s5、根据制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长计算差异性，并判断相对差异性是否大于预设差异值，若是，则以预设递减步长减小非主导负荷比值β，并带入上述步骤进行迭代；
[0070]
s6、若否，则输出当前的主导负荷比值α和非主导负荷比值β，并以预设递增步长增加主导负荷比值α，并带入上述步骤进行迭代。
[0071]
5、基于预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程根据求解的主导负荷比值、非主导负荷比值计算水平螺旋地埋管热泵系统所需水平螺旋地埋管的沟壕长度；
[0072]
具体包括：
[0073]
s1、根据求解的主导负荷比值α、非主导负荷比值β和建筑物峰值冷热负荷的乘积获取水平螺旋地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0074]
s2、根据最大冷热负荷以及预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程，计算水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度；
[0075]
预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程为：
[0076]
[0077][0078]
其中，l
cooling.hghe
和l
cooling.hghe
分别为水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度，q
net
为水平螺旋地埋管全年净注入/抽取的地热能，r
sa
、r
sm
、r
sst
分别为预设时长、月、年周期下连续脉冲负荷下的土壤热阻，r
p
为埋管热阻，plfm为制冷和制热工况对应月份的运行份额，f
sc
进出水管间热交互作用引起的热短路损失因子，elt和llt分别为热泵机组额定进出水温度，t
p
为所有水管间热交互作用引起的土壤惩罚温度，t
h,cooling
和t
h,heating
分别为水平螺旋地埋管中轴线所处土壤深度处在制冷工况的最大温度值和制热工况的最小温度值，q
cond
和q
evap
分别为制冷和制热工况对应的水平螺旋地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0079]
s3、取水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度中大的值作为水平螺旋地埋管的沟壕长度。
[0080]
6、根据求解的主导负荷比值和非主导负荷比值下的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度获取投资成本、运行成本、维护成本以及传热量；
[0081]
投资成本、运行成本和维护成本根据垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度基于预设的计算规则获取；传热量根据垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度基于预构建的模拟软件获取。
[0082]
7、根据投资成本、运行成本、维护成本以及传热量计算平准化能源成本；平准化能源成本为：
[0083][0084]
其中，lcoe为平准化能源成本，ic为投资成本，ocy为第y年运行成本，mcy为第y年维护成本，qy为第y年传热量，ir为利率，y为总年份。
[0085]
8、以平准化能源成本最小化为目标，获取最终的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度。
[0086]
实施例二：
[0087]
以建筑物冷负荷为主导负荷，建筑物热负荷为非主导负荷为例：
[0088]
1、定义冷负荷比值α,α∈[0,1]为垂直地埋管热泵系统承担的最大冷负荷与建筑峰值冷负荷的比值；热负荷比值β,β∈[0,1]为垂直地埋管热泵系统承担的最大热负荷与建筑峰值热负荷的比值。
[0089]
2、根据冷负荷比值α和建筑物峰值冷负荷的乘积获取垂直地埋管热泵系统的最大冷负荷；判断垂直地埋管热泵系统的最大冷负荷是否大于等于建筑物冷负荷；若是，则垂直地埋管热泵系统承担建筑物冷负荷；若否，则垂直地埋管热泵系统和水平埋管热泵系统共同承担建筑物冷负荷，且水平埋管热泵系统承担垂直地埋管热泵系统的最大冷负荷小于建筑物冷负荷的部分。
[0090]
3、根据热负荷比值β和建筑物峰值热负荷的乘积获取垂直地埋管热泵系统的最大热负荷；判断垂直地埋管热泵系统的最大热负荷是否大于等于建筑物热负荷；若是，则垂直
地埋管热泵系统承担建筑物热负荷；若否，则垂直地埋管热泵系统和水平埋管热泵系统共同承担建筑物热负荷，且水平埋管热泵系统承担垂直地埋管热泵系统的最大热负荷小于建筑物热负荷的部分。
[0091]
4、基于预构建的垂直地埋管的管长设计方程对定义的冷负荷比值、热负荷比值以及对应的垂直地埋管热泵系统所需垂直地埋管的管长进行迭代求解；
[0092]
s1、初始化冷负荷比值α＝0，热负荷比值β＝1；
[0093]
s2、根据冷负荷比值α、热负荷比值β和建筑物峰值冷热负荷的乘积获取垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0094]
s3、根据最大冷热负荷以及预构建的垂直地埋管的管长设计方程，计算垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长；
[0095]
s4、取垂直地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长中大的值作为垂直地埋管热泵系统所需垂直地埋管的管长；
[0096]
s5、根据制冷和制热工况所需垂直地埋管的管长计算差异性，并判断相对差异性是否大于预设差异值，若是，则以δβ＝-0.01作为递减步长减小热负荷比值β，并带入上述步骤进行迭代；
[0097]
s6、若否，则输出当前的冷负荷比值α和热负荷比值β，并以δα＝0.01作为递增步长增加冷负荷比值α，并带入上述步骤进行迭代。
[0098]
5、基于预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程根据求解的冷负荷比值、热负荷比值计算水平螺旋地埋管热泵系统所需水平螺旋地埋管的沟壕长度；
[0099]
具体包括：
[0100]
s1、根据求解的冷负荷比值α、热负荷比值β和建筑物峰值冷热负荷的乘积获取水平螺旋地埋管热泵系统的最大冷热负荷；
[0101]
s2、根据最大冷热负荷以及预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程，计算水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度；
[0102]
s3、取水平螺旋地埋管热泵系统在制冷和制热工况所需水平螺旋地埋管的沟壕长度中大的值作为水平螺旋地埋管的沟壕长度。
[0103]
6、根据求解的冷负荷比值和热负荷比值下的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度获取投资成本、运行成本、维护成本以及传热量；
[0104]
投资成本包括钻孔成本、挖掘成本、管材成本、回填材料成本、设备成本以及劳动力成本；运行成本包括热泵机组运行所需电费、负荷侧和地源侧水泵运行所需电费以及末端装置运行所需电费；维护成本包括维护保养、管段清洗等费用。
[0105]
传热量通过模拟软件、分析解模型计算不同垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度组合下垂直与水平复合式地埋管的逐时传热量，需要注意埋管负荷、热泵机组cop以及建筑负荷之间的耦合关系。
[0106]
7、根据投资成本、运行成本、维护成本以及传热量计算平准化能源成本；
[0107]
8、以平准化能源成本最小化为目标，获取最终的垂直地埋管的管长和水平螺旋地埋管的沟壕长度。
[0108]
实施例三：
[0109]
如图2所示，本发明实施例提供了一种复合式地埋管地源热泵系统，包括垂直地埋
管热泵系统和水平螺旋地埋管热泵系统，垂直地埋管热泵系统包括垂直地埋管热泵机组，垂直地埋管热泵机组的地源侧串联有垂直地埋管组、第一地源侧水泵和第一地源侧阀门，垂直地埋管组包括多个并联的垂直地埋管；水平螺旋地埋管热泵系统包括水平螺旋地埋管热泵机组，水平螺旋地埋管热泵机组的地源侧串联有水平螺旋地埋管组、第二地源侧水泵和第二地源侧阀门，水平螺旋地埋管组包括多个并联的水平螺旋地埋管；复合式地埋管地源热泵系统的负荷侧包括负荷、负荷侧水泵，垂直地埋管热泵机组和水平螺旋地埋管热泵机组的负荷侧均与负荷和负荷侧水泵串联。复合式地埋管地源热泵系统采用如实施例一所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法。
[0110]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。