一种复合式地埋管地源热泵系统及其优化方法

技术特征：
1.一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，其特征在于，所述优化方法包括：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；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；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；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；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，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：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。3.根据权利要求1所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，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：初始化主导负荷比值α＝0，非主导负荷比值β＝1；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；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；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；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；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。
5.根据权利要求4所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，所述获取垂直地埋管热泵系统的最大冷热负荷还包括：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；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。6.根据权利要求4所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，所述预构建的垂直地埋管的管长设计方程为：述预构建的垂直地埋管的管长设计方程为：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，r
b
为钻孔热阻，plf
m
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。7.根据权利要求1所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，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：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；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；所述预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程为：所述预构建的水平螺旋地埋管的沟壕设计方程为：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，plf
m
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；
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。8.根据权利要求1所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，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。9.根据权利要求1所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法，其特征在于，所述平准化能源成本为：其中，lcoe为平准化能源成本，ic为投资成本，oc
y
为第y年运行成本，mc
y
为第y年维护成本，q
y
为第y年传热量，ir为利率，y为总年份。10.一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；其特征在于，所述复合式地埋管地源热泵系统采用如权利要求1-9任一项所述的一种复合式地埋管地源热泵系统的优化方法。

技术总结
本发明公开了一种复合式地埋管地源热泵系统及其优化方法，其优化方法包括获取建筑物冷热负荷；判断建筑物冷热负荷为主导负荷或非主导负荷；定义主导负荷比值和非主导负荷比值；基于预构建的垂直地埋管的管长设计方程对主导负荷比值、非主导负荷比值以及垂直地埋管的管长进行迭代求解；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的沟壕长度；根据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。本发明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。高效的运行。高效的运行。


技术研发人员：周坤 李永 茅靳丰 韩旭 张华 宋信明 王起伟
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学
技术研发日：2022.04.22
技术公布日：2022/7/22