CN107270375B - 一种太阳能跨季节地埋管蓄热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能跨季节地埋管蓄热装置，属于能源利用技术领域，该装置包括太阳能热源、换向循环泵组、由埋于土壤下的地埋管管网、两个分集水器、地下保温层及防水层组成的土壤蓄热场，其中热源与换向循环泵组分别与两个分集水器相连，两个分集水器分别与地埋管管网的进水口、出水口相连，地下保温层及防水层设置在地埋管管网上的土壤表面；所述太阳能热源为太阳能水加热装置；所述地埋管管网为由多根地埋管通过管道相连组成的水的流动通道；所述循环泵组，用于切换蓄热地埋管中的水的流动方向。本发明可将富余的太阳能热量存储到土壤中，并明显降低蓄热过程中的热损，并将存储的太阳能热量提取出来，提高取热率，进而实现太阳能跨季节采暖。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，特别涉及一种太阳能跨季节地埋管蓄热装置。
背景技术
太阳能作为一种可再生能源，具有取之不尽，用之不竭，清洁无污染的特点，随着各种太阳能利用技术的开发以及太阳能与建筑一体化技术的日趋完善，太阳能热水器的应用不再局限于提供生活热水，正逐步向取暖、制冷、烘干和工业应用方向发展，利用潜力很大，如果将太阳能作为热源，向区域供热网提供热量，将带来可观的节能和环保效益。夏季，大多数北方地区太阳辐照强度大，很多太阳能热水器不能充分利用，造成能源的浪费，而冬季绝大部分北方地区需要供暖，但太阳能辐射强度低，供暖热需求大，导致不能满足供暖需求。所以将夏季太阳能储存起来，到了供暖季再取出来使用，实现太阳能和供热需求合理分配，成为非常可行的解决方法。
常规的蓄热体主要有水体蓄热、土壤蓄热等。水体蓄热主要有水箱蓄热和水池蓄热，水箱蓄热造价高，且热损很大，不利于跨季节蓄热；水池蓄热施工难度大，造价高，占地面积大，不利于推广。常规的土壤蓄热主要是采用地源热泵，但有其弊端，主要是利用土壤源热泵***解决供热问题时，无法实现冬季土壤热平衡，对于热负荷较大的北方地区，机组在土壤中的取热量大于释放量，会导致土壤温度逐年降低，土壤源热泵机组运行效率会逐年降低，进入恶性循环。
发明内容
本发明的目的是解决太阳能季节性供热和实际建筑采暖需求严重不匹配的问题，提出一种太阳能跨季节地埋管蓄热装置，通过本发明可以解决如何将非采暖季富余的太阳能热量存储到土壤中，并通过该发明中的技术措施明显降低蓄热过程中的热损，并在采暖季可将存储的太阳能热量提取出来，提高取热率，进而实现太阳能跨季节采暖。
本发明提出的一种太阳能跨季节地埋管蓄热装置，其特征在于，该装置包括太阳能热源、换向循环泵组、由埋于土壤下的地埋管管网、两个分集水器、地下保温层及防水层组成的土壤蓄热场，其中热源与换向循环泵组分别与两个分集水器相连，两个分集水器分别与地埋管管网的进水口、出水口相连，地下保温层及防水层设置在地埋管管网上的土壤表面；所述太阳能热源(也可以是其他热源)为太阳能水加热装置，用于为蓄热场蓄热或取热提供热水；所述地埋管管网为由多根地埋管通过管道相连组成的水的流动通道，用于在蓄热期将管内高温热水的热量存储到土壤中或在取热期从土壤中提取热量以提高管内热水的温度；所述循环泵组，用于在蓄热期和取热期切换蓄热地埋管中的水的流动方向。
所述土壤蓄热场横截面为圆形或多边形，土壤蓄热场的直径和深度之比在0.5～10之间。
所述地埋管为U型管或双U管，也可以是其他形式的换热盘管，两根地埋管之间在顶部通过连接管路相连，两根地埋管的横向中心距为0.5米～5米。
所述地埋管管网还包括分别设置在地埋管管网进口及出口的水分集水器。
所述地埋管管网的地埋管之间的连接管路横向布置形式为，从中心向四周均匀分布，径向之间串联，周向之间分组并联，以有利于热量从蓄热场中心向四周缓慢扩散，较少热损失，使存储的热量更加集中。
所述地埋管管网的地埋管之间的连接管路横向布置形式还可为，从中心向四周均匀分布，径向串联的地埋管之间分组并联，并且每个并联组之间交叉分布，这样的目的是如果有一路发生堵塞，其他并联支路仍然可以对周边土壤进行换热，提高了蓄热场装置的可靠性。
所述换向循环泵组包括并联的两个循环泵和四个控制阀，第一循环泵的两端连接在第一控制阀、第二控制阀之间构成第一支路；第二循环泵的两端连接在第三控制阀、第四控制阀之间构成第二支路；第一支路与第二支路并联后一端与地埋管管网的一个分集水器相连。
所述保温及防水层的保温层为聚苯板、土壤层或几种材料的多层结构，以减少环境温度对蓄热场的影响；所述防水层为PE膜或其他防水材料。
所述保温及防水层为多层结构，总厚度为1～3m，从上至下第一层为土壤层；第二层为土工布或其他强度高、耐腐蚀材料构成的加强保护层；第三层为细沙或土壤组成的填充层；第四层为PE膜或其他防水材料制成的防水层；第五层为聚苯保温板或其他硬质保温材料构成的保温层。
本发明的工作过程如下：非采暖季(夏季)时，热源通过地埋管管网往地埋管蓄热场蓄热，高温水从蓄热场中心位置管路进入，经过与土壤充分换热变为低温水，再从蓄热场四周管路流出。采暖季(冬季)时，低温水从地埋管的四周管路流入，经过从蓄热场内充分换热，热水从蓄热场中心位置管路流出。
本发明的特点及有益效果：
本发明可利用太阳能热水***作为热源对土壤进行蓄热，将非采暖季多余的热量存储到地埋管蓄热场中，不断提高蓄热场内土壤温度，达到高温蓄热的效果，最大程度减少土壤热量的散失，使热量长期储存在土壤中，实现跨季节储热，该发明可明显提高采暖期土壤取热率，进一步提高能源利用率，温度达到可以直接供暖的程度。
本装置通过地埋管网不断提升土壤蓄热场非采暖季期间整体温度，通过地埋管管路的布置形式和连接形式实现温度分层的效果，将热量集中，有利于降低蓄热期间蓄热场热损；地下保温层及防水层，为了减少土壤上部环境的影响，避免蓄热场存储热量从地面散失。
本发明可实现土壤跨季节储热，非采暖季向土壤中蓄热，采暖季向土壤中取热，两个时期管道内的流体流动方向相反，通过换向泵阀组实现。
附图说明
图1为本发明的蓄热场装置***原理示意图；
图2为本发明实施例的蓄热场地埋管管路布局示意图；
图3为本实施例的蓄热场纵向施工剖面示意图。
图4为蓄热场蓄热期管道流向示意图；
图5为蓄热场取热期管道流向图；
附图标记及对应名称：1热水端，2冷水端，3地埋管蓄热场，301-324地埋管钻孔，4土壤保温及防水层，a、b、c、d、e、f、g、h为径向各地埋管串联管路，P1、P2为循环泵，V1、V2、V3、V4为控制阀门，4保温及防水层，401地表土壤层，402加强保护层，403填充层，404防水层，405保温层，5换向循环泵阀组，P1蓄热循环泵，P2取热循环泵，V1第一阀门，V2第二阀门，V3第三阀门，V4第四阀门，6分集水器，601为热水分集水器，602为冷水分集水器，进1、进2、进3、进4为地埋管热水支路，回1、回2、回3、回4为地埋管冷水支路。
具体实施方式
下面结合附图和对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本发明提出的一种太阳能跨季节土壤储热装置，如图1所示，该装置包括：太阳能热水源(图中未示出)、地埋管管网3，地埋管管网的热水端1及地埋管管网的冷水端2、土壤保温及防水层4，换向循环泵阀组合5，两个分集水器6组成的土壤蓄热场，其中热源与换向循环泵组分别与两个分集水器相连，两个分集水器分别与地埋管管网的进水口、出水口相连，地下保温层及防水层设置在地埋管管网上的土壤表面；所述太阳能热源为太阳能水加热装置；所述地埋管管网为由多根地埋管通过管道相连组成的水的流动通道；所述循环泵组，用于切换蓄热地埋管中的水的流动方向。本发明可将富余的太阳能热量存储到土壤中，并明显降低蓄热过程中的热损，并将存储的太阳能热量提取出来，提高取热率，进而实现太阳能跨季节采暖。
本发明装置中的各部件具体实现分别说明如下：
太阳能太阳能水加热装置可采用常规太阳能热水器的各种规格产品。
换向循环泵组包括并联的两个循环泵P1、P1和四个控制阀V1-V4，第一循环泵P1的两端连接在第一控制阀V1、第二控制阀V2之间构成第一支路；第二循环泵P2的两端连接在第三控制阀V3、第四控制阀V4之间构成第二支路；第一支路与第二支路并联后一端与地埋管管网的中心的一个分集水器相连。本实施例中换向循环泵组的两个循环泵P1、P1和四个控制阀V1-V4均采用常规产品。
分集水器采用常规的采暖分集水器，各有四个支路，支路分别为进1、进2、进3、进4和回1、回2、回3、回4，分水器进口和集水器出口管径为DN32，各支路管径为DN25，分集水器上有排气阀、排水阀、流量控制阀。
地埋管采用常规的U型管双U管，型号为DN25，材料为PERT-Ⅱ型或PEX-a型，也可以是其他形式的耐高温、耐腐蚀材料换热盘管。
本发明的地埋管管网设置的实施例结构如图2所示，横截面为正多边形，其中地埋管为U型管或双U管，两根地埋管之间在顶部通过连接管路相连，两根地埋管的横向中心距为2米。热水端1和热水分集水器601连接，热水分集水器出口并联出多组地埋管支路，本实施例中共有4组地埋管支路，分别为进1、进2、进3、进4，各支路从蓄热场中心位置进入连接到对应的各地埋管进口，每一路再分为两路，进1分为b、g两路，b路先后连接地埋管305、302、301进出口，g路先后连接315、314、319进出口，b、g并联连接到回1路，再连接到冷水分集水器602，冷水端连接到分集水器602；进2分为h、e两路，h路先后连接地埋管308、307、313进出口，e路先后连接地埋管316、321、322进出口，h、e并联后连接到回2路，再连接到冷水集水器；进3分为c、f两路，c路先后连接地埋管310、311、306进出口，f路先后连接地埋管320、323、324进出口，c、f并联到会3路，再连接到冷水集水器；进4分为a、d两路，a路先后连接地埋管309、304、303进出口，d路先后连接地埋管316、317、318进出口，回1、回2、回3、回4连接到冷水分集水器602。
径向连接的地埋管支路中b、g为同一并联管路，h、e为同一并联管路，c、f为同一并联管路，a、d为同一并联管路，同一并联管路的两个径向支路之间相互分开，避免邻近，这样是为了防止当其中一个管路发生堵塞时蓄热场不会出现某一区域换热不充分，使得另一路温度偏高，提高蓄热场换热效果。
本实施例的土壤蓄热场横截面由地埋管管网的地埋管的数量及分布面积和形状而定，一般为圆形或多边形，土壤蓄热场的深度主要由地埋管的长度决定(地埋管应大致竖直埋入地下)，土壤蓄热场的直径和深度之比为1。
本实施例中蓄热场上部设有1.5m深度的保温及防水层，分层构成如图3所示，上部第一层401为土壤层，厚度为1.2m；第二层402为加强保护层，为土工布或其他强度高、耐腐蚀材料；第三次403为填充层厚度为100mm，材料为细沙或土壤等；第四层404为防水层，材料为PE膜或其他防水材料；第五层为405为保温层厚度为200mm，材料为聚苯保温板或其他硬质保温材料。
本发明运行原理在于：本发明装置运行分为两个时期，非采暖季时，启动蓄热循环，将富余的太阳能热量(也可以为其他形式热源)存入地埋管土壤蓄热场，中心温度可达到90℃，实现高温蓄热；采暖期时启动取热循环，将高温蓄热场中存储的热量充分提取出来，冷水加热后变为45℃以上的热水，可以直接供采暖使用。
蓄热期如图4所示：此时阀门V1、V2开启，泵P1启动，V3、V4关闭，泵P2停止，热水从高温蓄热场中心流入，实现从中心向四周换热，热水流经蓄热场中心后向径向周边地埋管流动，最终从蓄热场最边缘地埋管流出，充分换热后变为冷水，蓄热场为中间温度最高，四周温度最低，热量存储更加集中，减少热量向四周土壤的扩散，提高蓄热效率。
取热期如图5所示：此时阀门V3、V4开启，泵P2启动，V1、V2关闭，泵P1停止，热水从高温蓄热场四周流入，冷水从蓄热场四周向中心流动换热，冷水流经蓄热场地埋管后最终从蓄热场中心地埋管流出，经过充分换热后变为热水。
Claims (6)
1.一种太阳能跨季节地埋管蓄热装置，其特征在于，该装置包括太阳能热源、换向循环泵组、由埋于土壤下的地埋管管网、两个分集水器、地下保温层及防水层组成的土壤蓄热场，其中热源与换向循环泵组分别与两个分集水器相连，两个分集水器分别与地埋管管网的进水口、出水口相连，地下保温层及防水层设置在地埋管管网上的土壤表面；所述太阳能热源为太阳能水加热装置，用于为蓄热场蓄热或取热提供热水；所述地埋管管网为由多根地埋管通过管道相连组成的水的流动通道，用于在蓄热期将管内高温热水的热量存储到土壤中或在取热期从土壤中提取热量以提高管内热水的温度；所述循环泵组，用于在蓄热期和取热期切换蓄热地埋管中的水的流动方向；
所述地埋管管网的地埋管之间的连接管路横向布置形式为，从中心向四周均匀分布，地埋管之间通过上部连接，径向之间串联，周向之间分组并联，以有利于热量从蓄热场中心向四周缓慢扩散，减少热损失，使存储的热量更加集中；
或者，从中心向四周均匀分布，地埋管之间通过上部连接，径向串联的地埋管之间分组并联，并且每个并联组之间交叉分布，以防止有一路发生堵塞，其他并联支路仍能对周边土壤进行换热，提高了蓄热场装置的可靠性。
2.如权利要求1所述太阳能跨季节地埋管蓄热装置，其特征在于，所述土壤蓄热场横截面为圆形或多边形，土壤蓄热场的直径和深度之比在0.5～10之间。
3.如权利要求1所述太阳能跨季节地埋管蓄热装置，其特征在于，所述地埋管为U型管、双U管或其他形式的换热盘管，两根地埋管之间在顶部通过连接管路相连，两根地埋管的横向中心距为0.5米～5米。
4.如权利要求1所述太阳能跨季节地埋管蓄热装置，其特征在于，所述换向循环泵组包括并联的两个循环泵和四个控制阀，第一循环泵的两端连接在第一控制阀、第二控制阀之间构成第一支路；第二循环泵的两端连接在第三控制阀、第四控制阀之间构成第二支路；第一支路与第二支路并联后一端与地埋管管网的一个分集水器相连。
5.如权利要求1-4任一项所述的太阳能跨季节地埋管蓄热装置，其特征在于，所述地下保温层及防水层的保温层为聚苯板、土壤层或几种材料的多层结构，以减少环境温度对蓄热场的影响；所述防水层为PE膜或其他防水材料。
6.如权利要求5所述太阳能跨季节地埋管蓄热装置，其特征在于，所述地下保温层及防水层为多层结构，总厚度为1～3m，从上至下第一层为土壤层；第二层为土工布或其他强度高、耐腐蚀材料构成的加强保护层；第三层为细沙或土壤组成的填充层；第四层为PE膜或其他防水材料制成的防水层；第五层为聚苯保温板或其他硬质保温材料构成的保温层。
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