CN103423799A - 太阳能地埋跨季储热供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能地埋跨季储热供暖系统，太阳能供暖机组分别与太阳能集热器和地暖管辐射采暖系统通过管道配合连接，在大地表面以下地壳内还埋置有与太阳能供暖机组配套连接的地埋蓄热库，地埋蓄热库由保温壳、实心蓄热体和换热器构成且设置于在大地表面掘出的基坑内且位于地表冻土层之下，实心蓄热体由保温壳包裹封起，在实心蓄热体内埋置有换热器和换热工质输送管道，换热工质输送管道由换热工质输入管道和换热工质输出管道构成，由换热器构成的地埋换热机组其最初端换热工质进口通过换热工质输入管道对应连通太阳能供暖机组换热工质出口，地埋换热机组其最末端换热工质出口通过换热工质输出管道对应连通太阳能供暖机组的换热工质进口。本发明能将较热季节的太阳能转换为热能跨季存储起来，用于采暖季供暖。

Description

太阳能地埋跨季储热供暖系统

技术领域

本发明涉及太阳能热利用技术领域，特别是太阳能地埋跨季储热供暖系统。

背景技术

太阳能供暖系统是一种新型供暖系统，与传统的集中燃煤燃气供暖及广泛使用的水地源热泵供暖相比，具有诸多优点：具有可持续的能量供应，安全可靠，无污染，高效节能，运行成本低。现有太阳能水箱储热供暖系统主要存在的缺点如下：

1、储热时间短，不能充分利用全年的太阳能资源—①造成水箱储热时间短的主要原因是：第一、在大气环境中的水箱储热的热损失量很大，目前，国内外所开发的太阳能供暖系统使用水箱作为储热装置，用水作为蓄热材料来储热，水箱放置在楼顶或室外地面上，处于大气环境中,由于水箱内的水蓄热温度较高(如50℃～60℃)，而冬季室外环境温度较低(如在严寒地区，最低可达-30℃左右)，即使对水箱采区了保温措施，在较大温差作用下，水箱储存的热量损失仍然很大，能够有效供暖使用的太阳热能很少；第二、水箱只能短期储热，而不能长期储热，在采暖季，当水箱蓄热温度达到预定值(如50℃～60℃)，环境温度偏低，因处于大气环境中的水箱热损失很大，在较短的时间内，水箱内蓄热温度会大幅降低，以致于无法达到供暖的温度(如35℃～40℃)，尤其在连续阴天雨雪天气，太阳能水箱储热供暖系统将彻底失去为建筑物供暖的能力；第三，水箱体积小，储热量少，建筑物冬季采暖热量需求是很大的，如节能建筑热负荷(即规定室外温度下，每小时每平方米建筑物采暖所需热量)约130MJ～150MJ/㎡的供热量，设计日每平方米建筑物需要约2340MJ～2700MJ/㎡的供热量，在最冷月，每平方米建筑物则需要约70200MJ～81000MJ/㎡的供热量，对于一个1万㎡或几万㎡的建筑物(群)来说，建造很大体积的水箱储热供暖是不现实的。②不能有效利用夏季太阳能，只能利用冬季太阳能供暖，夏季的太阳辐射量大约是冬季太阳辐射量的2～3倍，由于太阳能水箱储热供暖系统的储热时间很短(一般仅为几天)，无法将夏季充足的太阳能资源储存起来用于冬季供暖使用，而冬季的太阳辐射能远远小于夏季的太阳辐射能，遇到阴天雨雪，将造成整个太阳能供暖系统无法使用。

2、需要较多的采光面积，局限性较大—由于水箱储热量小，储热时间短，在冬季，为了收集更多的太阳能，需要配置足够多的采光面积才能收集较多的太阳热能方能满足建筑物供暖的热量需求，一是造成成本很高，二是在实际施工过程中，建筑物屋顶上没有足够的场地用于大面积安装集热器阵列，实际使用的局限性很大。

3、无法实现系统的总热量平衡—由于水箱储热时间短，储热量小，它所能储存的热量往往仅能够满足建筑物几个小时至最多几天的供暖需求，尤其是在严寒地区，冬季供暖时间长(如4320小时)，需要的供暖热量也就多，使用太阳能水箱储热供暖系统是无法满足建筑物供暖需要的。

4、无法实现系统的动态热平衡—①冬季气温与太阳辐射量成反比关系，冬季气温变化与太阳辐射量也成反比关系，尤其是在严寒地区，气温与阳光之间关系存在以下一些规律：一是气温越低的时候，太阳辐射量越小；二是阴雪天气，气温更低，而不见阳光；三是夜间气温很低，没有阳光；四是早晨气温低，阳光少，正午气温稍高，阳光多。②无法实现建筑供暖的动态热平衡，在寒冷地区，特别是严寒地区，冬季建筑物采暖热量需求与室外气温成正比关系，而采暖热量需求与太阳能辐射量成反比关系，现有太阳能水箱储热供暖系统所使用的水箱储热时间短，储热量小，无法调整因气温变化、太阳辐射量变化及采暖热量需求变化三者所造成的动态不平衡，无法实现指针意义上的建筑供暖的动态热平衡。

5、在寒冷地区和严寒地区，无法满足建筑物供暖需求—在寒冷地区，必须确保冬季建筑物室内采暖的刚性需求，而现有的太阳能水箱储热供暖系统是无法满足整个供暖季所需供暖量，一般来说，如果没有其它辅助措施(如配置辅助的电采暖、燃煤或燃油采暖等)，太阳能水箱储热供暖系统也无法用于寒冷地区，尤其是无法在严寒地区使用，更无法满足大型建筑物或建筑物组团(居民住宅楼)的供暖需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能地埋跨季储热供暖系统，它是以修建在地下的地埋蓄热库为基础的新型太阳能供暖系统，一方面能够弥补目前使用的太阳能水箱储热供暖系统的技术缺陷，另一方面能够实现真正意义上的高效节能，为建筑物供暖“零排放”打下坚实基础；将较热季节的太阳能转换为热能跨季存储起来，用于采暖季供暖，建造成本低，以较少采光面积为较大面积的建筑供暖，更好地平衡储存热量与采暖总热量，更利于建筑物供暖动态热平衡，大幅度提高供热量(收益)与机械功(电能)消耗比值。

本发明的目的是这样实现的：一种太阳能地埋跨季储热供暖系统，包括太阳能供暖机组、设置在户外的太阳能集热器和铺埋于室内地面之中的地暖管辐射采暖系统，太阳能供暖机组具有集水器、电磁阀、循环泵、单向阀、分水器、补液泵和循环工质储箱,太阳能集热器的集热工质出口与集热工质进口分别通过集热工质输送管道对应连通太阳能供暖机组的集热工质进口与集热工质出口，太阳能供暖机组的导热工质进口与导热工质出口分别通过导热工质输送管道对应连通地暖管辐射采暖系统的导热工质出口与导热工质进口，太阳能供暖机组的导热工质进口与导热工质出口对应连通循环工质储箱，在大地表面以下地壳内埋置有与太阳能供暖机组配套连接的地埋蓄热库，地埋蓄热库由保温壳、实心蓄热体和换热器构成且设置于在大地表面掘出的基坑内且位于地表冻土层之下，实心蓄热体由保温壳包裹封起，在基坑内除保温壳所占空间外的剩余空间内设置有将保温壳埋置的充填料，在实心蓄热体内埋置有换热器和换热工质输送管道，换热工质输送管道由换热工质输入管道和换热工质输出管道构成，由换热器构成的地埋换热机组其最初端换热工质进口通过换热工质输入管道对应连通太阳能供暖机组换热工质出口，地埋换热机组其最末端换热工质出口通过换热工质输出管道对应连通太阳能供暖机组的换热工质进口。

本发明的特点为：第一、利用大地环境，减少由温差造成的热损失，其储热设施(称为地埋蓄热库)修建在地下，一年四季，地下温度变化幅度较小(如3℃～6℃)，与放置在大气环境下的水箱储热相比，内部蓄热温度与外界环境温度之差较小，能够较大幅度地减低由温差引起的热损失。第二、地埋蓄热库的蓄热材料以固体为主和少量的固体-液体相变，由于没有液体-气体的相变，降低了汽化热损失，避免了因气态泄露所造的大量热损失。第三、具有较好的保温围护结构，单位时间热损失很小，由于地面蓄热库建造在地下，使用导热系数很低的保温材料且采取适当的保温厚度，保温性能较好，单位时间热损失很小。第四、能够解决太阳能长期热储存的问题，由于地面蓄热库处于大地冻土层之下，避免了汽化泄露热损失。第五、承重能力强，不占用地面以上的人类活动场所，地埋蓄热库以抗压强度很高的固体为骨架，所使用的保温围护结构也具有足够的抗压强度，建造好的蓄热库能够承担较大的永久荷载、活动荷载及偶然荷载，一般修建在建筑物的院内道路、停车场和草坪等冻土层之下，不占用地表以上的空间。第六、根据建筑物供暖总热量需求，在大地冻土层以下可以修建体积足够大的地埋蓄热库，以保证储存储存足够多的热量为大型建筑物提供采暖热量，以较少采光面积为大型建筑物内部供暖；由于解决了太阳热能长期热储存问题及地埋蓄热库具有足够大的蓄热量，本发明能够将非供暖季的太阳热能存积起来，并在采暖季将非供暖季的太阳热能(和在供暖季即时采收的太阳热能)通过地暖管辐射采暖系统释放出来，因此，可降低集热器安装数量和集热器阵列范围，减少采光面积，如在某严寒地区，冬季采暖时间长达180天(约4320小时)，全年水平面太阳能辐射量约为5600MJ/㎡，若集热器总效率为36%，则1㎡采光面积可收集约2000MJ/㎡热量(折合560kW/㎡)，若单位面积建筑采暖总热量需求为270MJ/㎡(折合76kW/㎡)，将全年收集的热量通过地埋蓄热库储存起来，用于冬季采暖使用，则1㎡采光面积大约可供7.5㎡建筑采暖使用。

系统总热量平衡—一是实现热量与总热量需求平衡，对于本发明来说，当本发明真正运转起来后，它就源源不断地收集太阳辐射热能，并将全年所收集的热量全部输送给了地埋蓄热库；在非采暖期间地埋蓄热库将输入的热量储存起来，在采暖期间，地埋蓄热库一边接收集热器收集的热量，一边向建筑物提供采暖热量，埋蓄热库是本发明的供暖热源，它为建筑物采暖提供了全部热量，地埋蓄热库总的蓄热量必须与建筑物采暖总热量需求相平衡，才能满足建筑物采暖的需要，作为长期储热设施，地埋蓄热库在储存热量的工程中将有部分热量损失，在一定时间(如周期为1年)地埋蓄热库所损失的热量与获得的总热量(即总蓄热量)之比称之为蓄热库热损失率(ωK)，当本发明从蓄热库中提取热量并将其输送给建筑物室内供暖的过程中，也会有部分热量损失掉，供暖过程的热损失主要来自供暖管道，在一定时间(周期为1个采暖期)内地埋蓄热库通过供暖管道向建筑物输送热量过程中所损失的热量与输送热量之比称之为供暖管道热损失率(ωL)，因此，总蓄热量平衡公式可以表示为：Qk(1－ωK)(1－ωL)=∑Qh，其中，Qk—地埋蓄热库总蓄热量；ωK—地埋蓄热库热损失率；ωL—供暖管道热损失率；∑Qh—建筑物总热量需求；二是实现总采光量与总蓄热量的平衡，本发明的热量均来自集热器接收的太阳能辐射，但将太阳能辐射转化为热能，并将热能传递到地埋蓄热库的过程是非常复杂的，需要经过很多环节，而每个环节存在转化效率或传热损失问题，本发明集热系统的总效率(ηs)、集热量输送过程热损失(ηL)与总采光量的乘积即为地埋蓄热库的得热量(Qrη)，本发明所需安装的采光面积必须满足地埋蓄热库得热量的需求，因此，系统总热量平衡可表示为：∑Qh=Qzs·ηs·(1-ηL)·(1－ωK)·(1－ωL)，其中，Qzs—总采光量，若本发明满足该总热量平衡方程式的全部要求，就能够实现本发明的系统总热量平衡。

系统动态热平衡是指在室外环境温度逐时变化的情况下，为了保持一定的室内温度(如18℃)，必须随时调整供热量，以确保室内采暖的热量需求，即本发明逐时供热量=逐时热量需求，实现本发明系统动态热平衡的注意事项：一是系统设计要良好，在整个采暖期间，若要实现本发明系统的动态热平衡，首先需要较为精准的设计计算；二是设备与设施配置要到位，若本发明的建造规模较大，相应需要配置较多的集热器，较大的地埋蓄热库，较长且较为复杂的各种管道系统，需要配置较多的机组及配套设备等，硬件质量必须过关；三是自动控制系统要精准，在软硬件到位且良好的基础上，要实现本发明系统动态热平衡必须设计、配置自动控制装置，自动控制装置应采用能准确测量温度(有时也需自动测量流量和压力)的温度传感器，以监视检测供热回路和集热回路的进出水温度，测量室内温度和室外温度等，准确测量是控制的基础；四是本发明维护保养要周到，本发明的施工工程贯穿于本发明的设计、施工、安装、调试、竣工验收和维护保养等售前、售中、售后服务，是设计方、制造方、工程方与用户之间的重要环节，也是实现本发明系统动态平衡的关键，其中对本发明的维护保养更是贯穿于本发明运行的整个使用寿命期。

本发明高效节能—①实现热量的“顺向传递”，本发明存在三个关键的温度数值：即集热温度(Ts)、蓄热温度(Tk)和供热水温(Tg)，集热温度(Ts)温度是指集热器将所接收的太阳辐射转化为热能时，可以达到的温度；蓄热温度(Tk)是指集热器将收集的太阳热能输入到地埋蓄热库中，蓄热材料可以达到的温度；供热水温(Tg)是指采用建筑物所需的供热温度，热力学第二定律指出高温会自然向低温传递，若形成[集热温度(Ts)＞蓄热温度(Tk)＞供热水温(Tg)]的温度梯度状态且热量从集热器传给地埋蓄热库，地埋蓄热库传给建筑物，则本发明不但能够为建筑物供热，也可以大幅度节能，通过选择使用合适的太阳能集热器，即可实现较高的集热温度；通过科学合理地设计修建地埋蓄热库，就可以达到预定的蓄热温度；通过使用地板辐射采暖等适当的采暖末端，能够实现合适的供热温度，也即通过科学合理的设计安排，能够实现温度梯度且通过合理地配置相关硬件设施或设备(如放热器、取热器和采暖末端等)，本发明能够将集热温度、蓄热温度和供热水温的温度差值降到最低，以较小的温度差即可传递所需的热量，形成了一个科学合理的传热过程，这不但可使本发明达到逐时的动态热平衡，而且也使热量传递过程非常顺畅，可以将这样的热量传递称之为“顺向热传递过程”，只要设备配置合理，这种高温向低温的顺向传递过程所消耗的机械能是很少的，本发明传热过程的这种特性得益于太阳辐射能的优越性。②各环节降低热损失，提高效率—本发明需要经过很多环节，才能实现为建筑物供暖的终极目标，而每一个环节都或多或少存在热损失，整个本发明的总效率等于各环节效率的乘积，为了实现本发明的更加高效节能，需要提高各环节的热效率，一是提高本发明集热系统的总效率(ηs)；二是降低集热量输送过程热损失(ηL)；三是降低地埋蓄热库的热损失(ωK)；四是降低供热管道热损失(ωL)等。

综上所述，本发明是以修建在地下的地埋蓄热库为基础的新型太阳能供暖系统，一方面能够弥补目前使用的太阳能水箱储热供暖系统的不足与缺陷，另一方面能够实现真正意义上的高效节能，为建筑物供暖“零排放”打下坚实基础；将较热季节的太阳能转换为热能跨季存储起来，用于采暖季供暖，建造成本低，以较少采光面积为较大面积的建筑供暖，更好地平衡储存热量与采暖总热量，更利于建筑物供暖动态热平衡，大幅度提高供热量(收益)与机械功(电能)消耗比值。

附图说明

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明整体的结构连接示意图；

图2为本发明地埋蓄热库的安放结构示意图；

图3为本发明地埋蓄热库的平视局部剖视结构示意图(沿水平方向观察)；

图4为本发明地埋蓄热库的俯视局部剖视结构示意图(沿竖直方向观察)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的技术结构不受下述有限数量实施例的限制。

一种太阳能地埋跨季储热供暖系统，如图1所示，包括太阳能供暖机组20、设置在户外的太阳能集热器10和铺埋于地面内的地暖管辐射采暖系统30，太阳能供暖机组20具有集水器、电磁阀、循环泵、单向阀、分水器、补液泵和循环工质储箱,太阳能集热器10的集热工质出口与集热工质进口分别通过集热工质输送管道对应连通太阳能供暖机组20的集热工质进口与集热工质出口，太阳能供暖机组20的导热工质进口与导热工质出口分别通过导热工质输送管道对应连通地暖管辐射采暖系统30的导热工质出流口与导热工质进流口，太阳能供暖机组20的导热工质进口与导热工质出口对应连通循环工质储箱，如图1和图2所示，在大地表面70以下地壳内埋置(预埋)有与太阳能供暖机组20配套连接的地埋蓄热库50，如图3所示，地埋蓄热库50由保温壳60、实心蓄热体110和换热器120构成且设置于在大地表面70掘出的基坑40内且位于地表冻土层100之下(实心蓄热体110由高比热容的蓄热材料构成，其蓄热系数越高越好)，实心蓄热体110由保温壳60包裹封起，在基坑40内除保温壳60所占空间外的剩余空间内设置有将保温壳60埋置的充填料90，在实心蓄热体110内埋置有换热器120和换热工质输送管道130，换热工质输送管道130由换热工质输入管道和换热工质输出管道构成，由换热器120构成的地埋换热机组其最初端换热工质进口通过换热工质输入管道对应连通太阳能供暖机组20换热工质出口，地埋换热机组其最末端换热工质出口通过换热工质输出管道对应连通太阳能供暖机组20换热工质进口。地埋蓄热库距地表冻土层15-20m，换热器120为热管换热器。

如图1、图2所示，基坑40呈倒四棱锥形；如图3、图4所示，保温壳60为由保温砖80砌筑构成的保温围护层构成；保温围护层呈方形盒体状，实心蓄热体110相应呈方体状。

如图4所示，在设置于保温壳60外壳壁周围设置有将保温壳60支撑、固定的支撑柱140，支撑柱140被埋置于填充料90内，即在保温壳60外壳壁与基坑40内周壁的间隙内设置有充填料90及埋置于充填料90内且将保温壳60支撑、固定的支撑柱140。

充填料90为从基坑40掘出的土料，降低材料成本和施工成本。

本发明的生产步骤如下：

1、安装集热器(阵列)

太阳能集热器能起到收集太阳辐射热的作用，本发明需要集热性能优良的太阳能集热器，太阳能集热器的联集方式与太阳能工程热水系统的联集管联集方式相似。

2、修建地埋蓄热库

地埋蓄热库在本发明中起到长期储存太阳热能的作用，地埋蓄热库建造在冻土层以下，本发明供热要求及使用蓄热材料的蓄热能力等决定地埋蓄热库容积的大小，地埋蓄热库需要配装保温性能优良的保温围护结构、专门建造技术、高储热性能的蓄热材料和地埋热管等。

3、制造、安装太阳能供暖机组

太阳能供暖机组在本发明中起到提供集热供热循环动力和调节、控制温度、工质流量的作用，它是一种机电一体化设备。

4、铺设室内地板辐射采暖系统(地暖管辐射采暖系统)

地板辐射采暖与常用的地板采暖形式相似，它在本发明中起到为建筑物室内释放热量的作用，由于本发明以地埋蓄热库非供暖季所蓄积的太阳热能为热源，所以需对本发明配套的地板辐射采暖系统布置进行适当、合理的调整。

5、铺设管道及安装保温围护结构

本发明以水或水溶防冻液为传热工质，管道在本发明中起到传送传热工质的作用，由于本发明热传递过程的特殊性，需对管道采取优良的保温措施，以降低传热工质在管道内输送过程中的热损失。

6、安装管道附件

管道附件与常规集热与采暖水管道系统附件相似，例如，它能使本发明起到稳定传递热量、采集信息数据(如温度、压力及流量等)、切换系统及补充传热工质的作用。

Claims (6)

1.一种太阳能地埋跨季储热供暖系统，包括太阳能供暖机组(20)、设置在户外的太阳能集热器(10)和铺埋于室内地面之中的地暖管辐射采暖系统(30)，太阳能供暖机组(20)具有集水器、电磁阀、循环泵、单向阀、分水器、补液泵和循环工质储箱,太阳能集热器(10)的集热工质出口与集热工质进口分别通过集热工质输送管道对应连通太阳能供暖机组(20)的集热工质进口与集热工质出口，太阳能供暖机组(20)的导热工质进口与导热工质出口分别通过导热工质输送管道对应连通地暖管辐射采暖系统(30)的导热工质出口与导热工质进口，太阳能供暖机组(20)的导热工质进口与导热工质出口对应连通循环工质储箱，其特征在于：在大地表面(70)以下地壳内设置有与太阳能供暖机组(20)配套连接的地埋蓄热库(50)，地埋蓄热库(50)由保温壳(60)、实心蓄热体(110)和换热器(120)构成且设置于在大地表面(70)掘出的基坑(40)内且位于地表冻土层(100)之下，实心蓄热体(110)由保温壳(60)包裹封起，在基坑(40)内除保温壳(60)所占空间外的剩余空间内设置有将保温壳(60)埋置的充填料(90)，在实心蓄热体(110)内埋置有换热器(120)和换热工质输送管道(130)，换热工质输送管道(130)由换热工质输入管道和换热工质输出管道构成，由换热器(120)构成的地埋换热机组其最初端换热工质进口通过换热工质输入管道对应连通太阳能供暖机组(20)换热工质出口，地埋换热机组其最末端换热工质出口通过换热工质输出管道对应连通太阳能供暖机组(20)的换热工质进口。

2.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统，其特征是：地埋蓄热库距地表冻土层15-20m。

3.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统，其特征是：换热器(120)为热管换热器。

4.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统，其特征是：基坑(40)呈倒四棱锥形；保温壳(60)为由保温砖(80)砌筑构成的保温围护层构成；保温围护层呈方形盒体状，实心蓄热体(110)相应呈方体状。

5.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统，其特征是：在设置于保温壳(60)外壳壁周围设置有将保温壳(60)支撑、固定的支撑柱(140)，支撑柱(140)被埋置于填充料(90)内。

6.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统，其特征是：充填料(90)为从基坑(40)掘出的土料。

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