CN102721236B - 一种地下储能—地源热泵联合建筑供能*** - Google Patents

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Abstract

本发明为一种地下储能—地源热泵联合建筑供能***。该***包括三个子***：储冷供冷***、储热供热***和空调机房***；储冷供冷***包括风盘、储冷埋管管群、储冰池、冷区循环水泵、直供冷端进口阀、直供冷端出口阀、储冰池进口阀、储冰池出口阀、储冷区进口阀、储冷区出口阀、地表水进口阀、地表水出口阀和连接管路；储热供热***包括地板采暖、储热埋管管群、太阳能集热器、储蜡池、热区循环水泵、直供热端进口阀、直供热端出口阀、储蜡池进口阀、储蜡池出口阀、储热区进口阀、储热区出口阀、集热进口阀、集热出口阀和连接管路。本发明为双末端、单独冷、热源，可避免冬夏季负荷差异引起的地温场不平衡问题。

Description

一种地下储能—地源热泵联合建筑供能***
技术领域
本发明具体一种为别墅建筑提供冷、热能的跨季节储、供能***。 
背景技术
当前，在能源供应紧张且温室效应日趋严重的情况下，发展可再生能源利用技术迫在眉睫。尤其是在建筑用能领域，新能源的利用更是得到广泛关注，比如太阳能、风能、地热能的利用。在可再生能源利用方面，目前应用最多的当属浅层地热能利用方面的地源热泵技术。该技术是一种利用地下土壤作为热泵低位热源，通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现热量从低温位向高温位转移的热泵***。同时，地下储能可有效利用自然界的冷、热源，将其进行跨季节储存来满足时令季节的用能需求。当下，地下蓄能和土壤源热泵集成***的研究对提高不可再生能源的利用效率、加大可再生能源(例如地热能和太阳能)利用程度、减低空调冷热源排放C02引起的温室效应都起到了积极的作用，对缓解我国电力供应紧张的局面及解决能源与环境的问题产生着重要影响。目前常用的有地源热泵技术及和太阳能利用相结合的太阳能-热泵技术。但相应的储冷技术发展和应用较少，并且在储能方面上，储能效率低也成为遏制储能技术发展运用的瓶颈。 
但事实上，降低建筑环境营造***的能源消耗大致从两个方面来实现：第一，尽可能在满足用户基本需要的前提下，降低建筑内环境参数与诸多能利用的自然环境间的差；第二，如何通过能量的储存与转化进一步利用自然界环境状态在时间上的变化来营造适宜的生活环境。因此，构建一种储能与地源热泵联合的建筑供能***，通过充分进行跨季节的自然能量存储，来满足冬夏季的用能需求是十分有意义的。 
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种***，主要以土壤为对象，依靠冬冷夏储、夏热冬用的地下储能技术，结合太阳能集热、地表水储冷和空调机组辅助的作用，通过合理调配达到满足建筑供冷、热的需求。该***可在很大程度上减少电耗，利用自然资源满足用能需求，创造舒适的生活环境。提出的新的地下储能设想，与现有的地源热泵***相比，可充分利用自然资源，较大程度上减少地源侧冷、热量损失，提高机组性能系数。并且***各部分调节灵活，独立性强，针对别墅建筑有较好的适用性。 
本发明所解决的高效率利用自然能源满足建筑供能问题，提供一种地下储能—地源热泵联合建筑供能***。该***包括三个子***：储冷供冷***、储热供热***和空调机房***。 
所述储冷供冷***I包括风盘、储冷埋管管群、储冰池、冷区循环水泵、直供冷端进 口阀、直供冷端出口阀、储冰池进口阀、储冰池出口阀、储冷区进口阀、储冷区出口阀、地表水进口阀、地表水出口阀和连接管路；所述储冷埋管管群流出端顺次与储冷区出口阀、冷区循环水泵、地表水进口阀、地表水、地表水出口阀和储冷埋管管群流入端通过管路相连接；所述储冰池流出端顺次与储冰池出口阀、冷区循环水泵、直供冷端进口阀、风盘流入端、风盘流出端、直供冷端出口阀、储冰池进口阀和储冰池流入端通过管路相连接；所述储冰池内冰源通过在最冷季机械取冰的方式，将冰块堆置池中实现；所述储冷埋管管群流出端顺次与储冷区出口阀、冷区循环水泵、直供冷端进口阀、风盘流入端、风盘流出端、直供冷端出口阀、储冷区进口阀和储冷埋管管群流入端通过管路相连接。 
所述储热供热***II包括地板采暖、储热埋管管群、太阳能集热器、储蜡池、热区循环水泵、直供热端进口阀、直供热端出口阀、储蜡池进口阀、储蜡池出口阀、储热区进口阀、储热区出口阀、集热进口阀、集热出口阀和连接管路；所述储热埋管管群流出端顺次与集热进口阀、太阳能集热器、集热出口阀、热区循环水泵、储热区进口阀和储热埋管管群流入端通过管路相连接；所述储热埋管管群流出端同时顺次与储热区出口阀、直供热端进口阀、地板采暖流入端、地板采暖流出端、直供热端出口阀、热区循环水泵、储热区进口阀和储热埋管管群流入端通过管路相连接。所述储蜡池流出端顺次与储蜡池出口阀、直供热端进口阀、地板采暖流入端、地板采暖流出端、直供热端出口阀、热区循环水泵、储蜡池进口阀和储蜡池流入端通过管路相连接；所述储蜡池流出端同时顺次与储蜡池出口阀、储热区出口阀、集热进口阀、太阳能集热器、集热出口阀、热区循环水泵、储蜡池进口阀和储蜡池流入端通过管路相连接。 
所述空调机房***III包括热泵机组、地源侧循环水泵、末端侧循环水泵、地源侧排热进口阀、地源侧排热出口阀、末端供冷进口阀、末端供冷出口阀、地源侧取热进口阀、地源侧取热出口阀、末端供热进口阀、末端供热出口阀；所述热泵机组用户侧出流端顺次与末端侧循环水泵、末端供冷进口阀、风盘流入端、风盘流出端、末端供冷出口阀和热泵机组用户侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组地源侧出流端顺次与地源侧循环水泵、地源侧排热出口阀、储冷区出口阀、储冷埋管管群流入端、储冷埋管管群流出端、地源侧排热进口阀和热泵机组地源侧入流端管路相连接，构成封闭循环。所述热泵机组用户侧出流端顺次与末端侧循环水泵、末端供热进口阀、地板采暖流入端、地板采暖流出端、末端供热出口阀和热泵机组用户侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组地源侧出流端顺次与地源侧循环水泵、地源侧取热出口阀、储热区进口阀、储热埋管管群流入端、储热埋管管群流出端、储热区出口阀、地源侧取热进口阀和热泵机组地源侧入流端管路相连接，构成封闭循环。 
所述的储冰池或储蜡池采用砖块水泥砌起，池子体积、埋管深度根据用户负荷来确定，池体顶部距地面1米以上，并覆盖以保温材料。 
所述的储冷埋管管群在储冰池外侧呈环状布置，埋管管群顶部距地面1米以上，并覆盖以保温材料。 
所述的储热埋管管群在储蜡池外侧呈环状布置，埋管管群顶部距地面1米以上，并覆 盖以保温材料。 
所述的储冰池周围有适宜的地表水源或人工砌成地表储水池。 
所述供冷***的一部分负荷由储冰池和储冷埋管管群分别提供，另一部分负荷由地源热泵供冷***提供；所述供热***的一部分负荷由储蜡池和储热埋管管群分别提供，另一部分负荷由地源热泵供热***提供。 
本发明的有益效果为： 
1）该***包括双末端（风盘、地板采暖）、单独冷、热源（储冷埋管管群、储热埋管管群），可避免冬夏季负荷差异引起的地温场不平衡问题。 
2)充分利用季节性的自然冷量和热量，其来源广泛，数量可观。 
3)埋管管群在储能池外侧呈环状布置，可较大程度上降低能量损失，提高储能效率。
4)***独立调配，控制切换灵活，供能方式多样，且和储能模式转换方便。 
5)冬季储热区的平均温度高于正常土壤表面，可用于建筑周围的路面融雪和栽培树木草皮，实现绿色景观的目的。 
附图说明
图1为本发明地下储能-地源热泵联合建筑供能***的组成结构示意图。 
具体实施方式
下面结合实施方式及其附图进一步叙述本发明： 
本发明设计的地下储能-地源热泵联合建筑供能***（参见图1）。该***包括三个子***：储冷供冷***I、储热供热***II和空调机房***III。 
所述储冷供冷***I包括风盘1、储冷埋管管群9、储冰池4、冷区循环水泵51、直供冷端进口阀32、直供冷端出口阀31、储冰池进口阀33、储冰池出口阀34、储冷区进口阀35、储冷区出口阀37、地表水进口阀38、地表水出口阀36和连接管路；所述储冷埋管管群9流出端顺次与储冷区出口阀37、冷区循环水泵51、地表水进口阀38、地表水、地表水出口阀36和储冷埋管管群9流入端通过管路相连接；所述储冰池4流出端顺次与储冰池出口阀34、冷区循环水泵51、直供冷端进口阀32、风盘1流入端、风盘1流出端、直供冷端出口阀31、储冰池进口阀33和储冰池4流入端通过管路相连接；所述储冰池内冰源通过在最冷季机械取冰的方式，将冰块堆置池中实现；所述储冷埋管管群9流出端顺次与储冷区出口阀37、冷区循环水泵51、直供冷端进口阀32、风盘1流入端、风盘1流出端、直供冷端出口阀31、储冷区进口阀35和储冷埋管管群9流入端通过管路相连接。 
所述储热供热***II包括地板采暖2、储热埋管管群8、太阳能集热器6、储蜡池5、热区循环水泵54、直供热端进口阀92、直供热端出口阀91、储蜡池进口阀94、储蜡池出口阀95、储热区进口阀98、储热区出口阀96、集热进口阀97、集热出口阀93和连接管路；所述储热埋管管群8流出端顺次与集热进口阀97、太阳能集热器6、集热出口阀93、热区循环水泵54、储热区进口阀98和储热埋管管群8流入端通过管路相连接；所述储热埋管 管群8流出端同时顺次与储热区出口阀96、直供热端进口阀92、地板采暖2流入端、地板采暖2流出端、直供热端出口阀91、热区循环水泵54、储热区进口阀98和储热埋管管群8流入端通过管路相连接；所述储蜡池5流出端顺次与储蜡池出口阀95、直供热端进口阀92、地板采暖2流入端、地板采暖2流出端、直供热端出口阀91、热区循环水泵54、储蜡池进口阀94和储蜡池5流入端通过管路相连接；所述储蜡池5流出端同时顺次与储蜡池出口阀95、储热区出口阀96、集热进口阀97、太阳能集热器6、集热出口阀93、热区循环水泵54、储蜡池进口阀94和储蜡池5流入端通过管路相连接；所述包括储热区出口阀96的连接方式中，其两端的连接管路在不同的连接方式中具有不同的流向。 
所述空调机房***III包括热泵机组3、地源侧循环水泵53、末端侧循环水泵52、地源侧排热进口阀63、地源侧排热出口阀64、末端供冷进口阀61、末端供冷出口阀62、地源侧取热进口阀65、地源侧取热出口阀66、末端供热进口阀68、末端供热出口阀67；所述热泵机组3用户侧出流端顺次与末端侧循环水泵52、末端供冷进口阀61、风盘1流入端、风盘1流出端、末端供冷出口阀62和热泵机组3用户侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组3地源侧出流端顺次与地源侧循环水泵53、地源侧排热出口阀64、储冷区出口阀37、储冷埋管管群9流入端、储冷埋管管群9流出端、地源侧排热进口阀63和热泵机组3地源侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组3用户侧出流端顺次与末端侧循环水泵52、末端供热进口阀68、地板采暖2流入端、地板采暖2流出端、末端供热出口阀67和热泵机组3用户侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组3地源侧出流端顺次与地源侧循环水泵53、地源侧取热出口阀66、储热区进口阀98、储热埋管管群8流入端、储热埋管管群8流出端、储热区出口阀96、地源侧取热进口阀65和热泵机组3地源侧入流端管路相连接，构成封闭循环。 
所述供冷***的一部分负荷由储冰池4和储冷埋管管群9分别提供，另一部分负荷由地源热泵供冷***提供；所述供热***的一部分负荷由储蜡池5和储热埋管管群8分别提供，另一部分负荷由地源热泵供热***提供。 
1.储能模式 
本发明储能***利用池体配合埋管管群进行储热和储冷。池体可以采用砖块水泥砌起。池子体积、埋管深度根据用户负荷来确定，池体和埋管管群顶部距地面1米以上(含1米)，并覆盖以保温材料7。建筑周围有适宜的地表水源或人工砌成地表储水池。 
冬季：通过冷区循环水泵将附近低温地表水循环通过储冷埋管管群，使得冷量储存在管群周围的土壤中。同时挑选寒冷天时，切割地表水面冰层堆存在储冰池4中，具体视池子体积而定。完成后表面盖好，覆以稻草、秸秆、土层等加以保温。储冰池周围的储冷埋管管群一方面起到储存冷量的作用，同时也较大程度上降低池体周边温度，使得储冰池内冷量损失减小。具体方式为：通过开启储冷区出口阀37、地表水进口阀38、地表水出口阀36和冷区循环水泵51将地表水体和储冷埋管管群9连接，实现冬季储冷；采用机械取冰方式，取地表水体上冰层或其他冰块来源，置存于储冰池4中。 
夏季：利用太阳能集热器6，配合储蜡池5和储热埋管管群8，进行夏季储热。夏季太 阳辐射很强，热量充足，尽量收集热品质较高的热水进行埋管存储，考虑水作为储热介质，储存量较小，另外过度季节热损较大，可考虑采用相变材料比如（石蜡等）作为储热介质。具体方式为：通过集热出口阀93、集热进口阀97、储热区进口阀98和热区循环水泵54的开启，将太阳能集热***6、储热埋管管群8连接，实现地埋管储热。同时开启储蜡池进口阀94、储蜡池出口阀95、储热区出口阀96可实现储蜡池5和储热埋管管群8同时储热。关闭储热区进口阀98，则仅实现储蜡池5储热。 
2．供能模式： 
在夏季，首先利用储冰池4获得的冷量，采取直供方式来满足用户供冷需求，随着气温的逐渐增高及用能消耗，冰体融化后，水温变高不能达到用能需求时，可使用储冷埋管管群7储得的冷量。当二者都不能满足要求时，可启动热泵机组3，使其与储冷埋管管群7配合，给建筑供冷。此时，埋管管群蓄得的冷量及冰池的冷余量，可以很大程度上提高空调机组的运行效率，达到省电的目的。具体实施方式为：通过直供冷端出口阀31、直供冷端进口阀32、储冰池进口阀33、储冰池出口阀34和冷区循环水泵51的开启，储冰池4与风盘1连接，实现储冰池4直接供冷。当储冰池4内水温升高不能满足供冷需求时，开启储冷区进口阀35、储冷区出口阀37，关闭储冰池进口阀33、储冰池出口阀34，依靠储冷埋管管群9和风盘1连接，实施储冷管群直接供冷。当二者都不能满足供冷要求时，关闭直供冷端出口阀31、直供冷端进口阀32、储冷区进口阀35和冷区循环水泵51。开启末端供冷进口阀61、末端供冷出口阀62、地源侧排热进口阀63、地源侧排热出口阀64，末端侧循环水泵52、地源侧循环水泵53及热泵机组3，来完成地源热泵机组供冷。 
冬季，运行方法与夏季相同，首先取用石蜡储得的热量，当不能满足室内供暖需求时，使用储热埋管管群8中储得的热量。当二者都不能满足时，启动热泵机组3，使其与储热埋管管群8配合，给建筑供热。具体实施方式为：通过直供热端出口阀91、直供热端进口阀92、储蜡池进口阀94、储蜡池出口阀95和热区循环水泵54的开启，将储蜡池5和地板采暖2连接，实现冬季储蜡池5直供模式。当储蜡池5内温度不能满足供热需求时，开启储热区出口阀96、储热区进口阀98，关闭储蜡池进口阀94、储蜡池出口阀95，依靠储热埋管管群8和地板采暖2连接，实施储热管群直接供热。当二者都不能满足要求时，关闭直供热端进口阀92、直供热端出口阀91和热区循环水泵54。开启地源侧取热进口阀65、地源侧取热出口阀66、末端供热出口阀67、末端供热进口阀68，末端侧循环水泵52、地源侧循环水泵53及热泵机组3，来完成地源热泵机组供热。 
本发明所述储冷埋管管群9除了满足储冷和直接用于供冷外，同时和热泵机组3结合，作为地源热泵***的地源侧排热端使用；所述储热埋管管群8除了满足储热和直接用于供热外，同时和热泵机组3结合，作为地源热泵***的地源侧取热端使用。 
本发明储能部分所述太阳能集热器面积、储蜡池体积、储冰池体积及储冷区和储热区中的埋管数量设计，是根据用户负荷及预期投资成本而定，同时考虑土壤地温平衡的原则，根据季节供能量来设计储能***的大小。 
本发明所述储冰池4和储蜡池5分别位于储冷埋管管群9和储热埋管管群8中央，埋 管管群在储能池周围外侧呈环状布置，整个储能区顶部均铺设保温材料7，以提高储能效率。 
结合冬夏季冷、热资源丰富的特性，利用土壤作为储能载体和环境，考虑浅层地热能、太阳能、冰层、低温地表水的自然资源以及热泵的辅助作用，实现建筑的供能及冬季建筑周围融雪和景观绿化功能。***考虑钻孔埋管和地下池体的结合，池体用来满足大部分能量的储存，埋管区主要起到储能和创造保温环境的作用，并且在能量不足的情况下和热泵机组联合，辅助供能。该设计在充分利用自然能源为建筑供能的同时，考虑了相变材料储热和地源热泵技术，很大程度上降低了建筑的用能消耗，具有较强的绿色、环保意义。 
本发明未述及之处适用于现有技术。 
以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的一个实施案例，并非对本发明作任何形式上的限制。凡未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的权利要求范围内。 

Claims (5)

1.一种地下储能—地源热泵联合建筑供能***，其特征为该***包括三个子***：储冷供冷***、储热供热***和空调机房***；
所述储冷供冷***包括风盘、储冷埋管管群、储冰池、冷区循环水泵、直供冷端进口阀、直供冷端出口阀、储冰池进口阀、储冰池出口阀、储冷区进口阀、储冷区出口阀、地表水进口阀、地表水出口阀和连接管路；所述储冷埋管管群流出端顺次与储冷区出口阀、冷区循环水泵、地表水进口阀、地表水、地表水出口阀和储冷埋管管群流入端通过管路相连接；所述储冰池流出端顺次与储冰池出口阀、冷区循环水泵、直供冷端进口阀、风盘流入端、风盘流出端、直供冷端出口阀、储冰池进口阀和储冰池流入端通过管路相连接；所述储冰池内冰源通过在最冷季机械取冰的方式，将冰块堆置池中实现；所述储冷埋管管群流出端顺次与储冷区出口阀、冷区循环水泵、直供冷端进口阀、风盘流入端、风盘流出端、直供冷端出口阀、储冷区进口阀和储冷埋管管群流入端通过管路相连接；
所述储热供热***包括地板采暖、储热埋管管群、太阳能集热器、储蜡池、热区循环水泵、直供热端进口阀、直供热端出口阀、储蜡池进口阀、储蜡池出口阀、储热区进口阀、储热区出口阀、集热进口阀、集热出口阀和连接管路；所述储热埋管管群流出端顺次与集热进口阀、太阳能集热器、集热出口阀、热区循环水泵、储热区进口阀和储热埋管管群流入端通过管路相连接；所述储热埋管管群流出端同时顺次与储热区出口阀、直供热端进口阀、地板采暖流入端、地板采暖流出端、直供热端出口阀、热区循环水泵、储热区进口阀和储热埋管管群流入端通过管路相连接；所述储蜡池流出端顺次与储蜡池出口阀、直供热端进口阀、地板采暖流入端、地板采暖流出端、直供热端出口阀、热区循环水泵、储蜡池进口阀和储蜡池流入端通过管路相连接；所述储蜡池流出端同时顺次与储蜡池出口阀、储热区出口阀、集热进口阀、太阳能集热器、集热出口阀、热区循环水泵、储蜡池进口阀和储蜡池流入端通过管路相连接；
所述空调机房***包括热泵机组、地源侧循环水泵、末端侧循环水泵、地源侧排热进口阀、地源侧排热出口阀、末端供冷进口阀、末端供冷出口阀、地源侧取热进口阀、地源侧取热出口阀、末端供热进口阀、末端供热出口阀；所述热泵机组用户侧出流端顺次与末端侧循环水泵、末端供冷进口阀、风盘流入端、风盘流出端、末端供冷出口阀和热泵机组用户侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组地源侧出流端顺次与地源侧循环水泵、地源侧排热出口阀、储冷区出口阀、储冷埋管管群流入端、储冷埋管管群流出端、地源侧排热进口阀和热泵机组地源侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组用户侧出流端顺次与末端侧循环水泵、末端供热进口阀、地板采暖流入端、地板采暖流出端、末端供热出口阀和热泵机组用户侧入流端管路相连接，构成封闭循环；所述热泵机组地源侧出流端顺次与地源侧循环水泵、地源侧取热出口阀、储热区进口阀、储热埋管管群流入端、储热埋管管群流出端、储热区出口阀、地源侧取热进口阀和热泵机组地源侧入流端管路相连接，构成封闭循环。
2.如权利要求1所述的地下储能—地源热泵联合建筑供能***，其特征为所述的储冰池或储蜡池采用砖块水泥砌起，池体顶部距地面1米以上，并覆盖以保温材料。
3.如权利要求1所述的地下储能—地源热泵联合建筑供能***，其特征为所述的储冷埋管管群在储冰池外侧呈环状布置，埋管管群顶部距地面1米以上，并覆盖以保温材料。
4.如权利要求1所述的地下储能—地源热泵联合建筑供能***，其特征为所述的储热埋管管群在储蜡池外侧呈环状布置，埋管管群顶部距地面1米以上，并覆盖以保温材料。
5.如权利要求1所述的地下储能—地源热泵联合建筑供能***，其特征为所述的储冰池周围有适宜的地表水源或人工砌成地表储水池。
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