CN106568116A - 一种节地型太阳能跨季节储热池 - Google Patents

Abstract

一种节地型太阳能跨季节储热池，所述的储热池是由底部，边壁和顶部组成的围合空间，围合空间内填充储热固体堆积床。储热池内设置有热水井和冷水井。热水井内设置有用热侧潜水泵和热源侧潜水泵。用热侧潜水泵与用热侧，即用热用户、用热侧取水管及用热侧回水管组成用热侧循环系统。用热侧取水管与热水井中的用热侧潜水泵和和用热侧相连，用热侧回水管与用热侧和冷水井相连。热源侧潜水泵与热源侧，即太阳能集热器或者其他供热热源、热源侧取水管和热源侧回水管组成热源侧循环系统。热源侧取水管与冷水井和热源侧相连，热源侧回水管与热源侧和热水井中的热源侧潜水泵相连。

Description

一种节地型太阳能跨季节储热池

技术领域

本发明涉及一种太阳能供热系统。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。太阳能供热是降低我国北方建筑供热煤耗的有效途径之一。对于城镇居住建筑来说，由于建筑体形系数较小，建筑本体放置太阳能集热器的面积较小，无法像村镇单体建筑一样，实现太阳能建筑一体化。根据相关研究，集中型太阳能供热系统则是更加适用于城镇建筑的低碳化供热系统之一。集中型太阳能供热系统包括：集热系统、储热系统、末端供热系统、辅助热源系统和控制系统。其中，由于集中型热站多针对1000平米以上的建筑供热，因此储热系统的储热容量较大，可以实现长周期储热，即跨季节储热。根据储热介质的不同，跨季节储热系统可以分为：水体储热、土壤储热、岩体储热、含水层储热等形式。其中，水的比较和密度较大，单位体积的储热容量大，换热强度便于控制等优点，水体储热是未来具有发展前景的跨季节储热形式之一。

我国目前还尚未建设万立方米级别以上的水体储热应用案例。在国际上，丹麦是太阳能区域供热商业化推广规模最大的国家，水体储热是主要的应用形式。丹麦所采用的水体储热顶部为浮顶结构，依靠水的浮力支撑储热池顶部结构。但是，由于这种结构承重能力小，上层无法再种植植被，或建设任何的建筑物或构筑物。因此，这种储热结构占地面积过大。一个十万立方米的太阳能跨季节储热水体占地约30亩，在北京购买这些土地就需上亿元，这对在城镇周边推广该技术带来很大难度。欧美国家的土地更加紧张，做该技术更需要节地。因此在储热热性能不下降的情况下减少土地的占用是该技术能得以大面积推广的重要前提。

专利CN103175275B《跨季储能池》提出了一种利用建筑地下结构，通过冬夏季空调的排热和太阳能集热器结合加热储热池中的水，用于冬季采暖，但该专利没有描述储热池的结构。也没有涉及到节地储热的技术。

专利CN205316442U《基于跨季节蓄热的光伏光热供暖系统》提出了利用太阳能热水器和太阳能光伏发电加热跨季节储热池中的水，并对提出了储热池应带有保温。该种技术并没有涉及水温在池分布的控制。

专利CN102494437B《跨季蓄能供冷供热系统》公开一种跨季蓄能供冷供热系统，包括有蓄能装置、太阳能集热装置、制冷装置、以及与用户终端闭环连接的供水装置，所述蓄能装置至少包括有一热源蓄能水池和一冷源蓄能水池。热水供水池夏季作为吸收式制冷装置的热源，并没有涉及到储热过程温度分布的控制和节地问题。

专利CN101922754B《太阳能跨季节蓄热采暖系统》公开了一种太阳能跨季节蓄热采暖系统，包括太阳能集热器、供暖末端、分层水箱、地下蓄热区和辅助热源，集热器供水管通过第一电磁阀与分层水箱高温区相连，集热器回水管上设有第一循环水泵并与分层水箱低温区相连；分层水箱低温区通过第二循环泵与地下蓄能区相连，集热器供水管与分层水箱低温区设连通管并装有第二电磁阀；供暖末端供水管通过第三循环水泵与第一电磁阀、分层水箱高温区和地下蓄能区相连，供暖末端回水管与分层水箱低温区相连；辅助热源供水管通过第四循环水泵与分层水箱高温区、辅助热源回水管构成采暖季低谷电蓄热系统。所述的地下蓄能区由埋管换热器、填充在埋管换热器周围的蓄热材料组成。分层水箱位于地下，是一个容积较小的水箱。跨季节储热没有涉及到地下储水的问题以及节约储水土地的问题。

专利CN103712255A《一种跨季节太阳能-相变蓄能分级释能采暖系统及方法》涉及一种跨季节太阳能-相变蓄能分级释能采暖系统及方法。该系统主要包括太阳能集热器、相变蓄换热器、采暖模块、换热器，各部件通过管路、阀门、循环泵连接在一起。系统在非采暖季将太阳热能储存在可实现稳定过冷的不同温位相变材料中。

CN204705063U《跨季节地下储能及释放系统》所述的储热物质为土壤、砾石、岩石、泥沙或水。其特征在于：所述换热装置包括U型换热管，所述U型换热管由U型换热管输入管、U型换热管输出管和可用于沉淀杂质的U型换热管接头连接而成。该专利没有涉及到保持温度分层以及节地的跨季节储热方法。

专利CN103423799A《太阳能地埋跨季储热供暖系统》公开了一种太阳能地埋跨季储热供暖系统。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。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。太阳能地埋跨季储热供暖系统特征是：换热器为热管换热器。属于使用土壤储热的技术

专利CN105841222A《一种基于跨季节水体储热的太阳能供热系统》提出了一种基于跨季节水体储热加辅助热源的太阳能混合能源供热系统。主要包括：太阳能集热系统，跨季节储热水体，热泵，缓冲水箱，热用户，辅助热源，换热器和控制系统。在该系统中，蓄热体内储存有显热型和潜热型两种蓄热材料，分别为水和固液相变材料石蜡。该发明结合了显热型和潜热型两种蓄热系统的优点，具有换热性能好、蓄热密度高、蓄热容积小、温度恒定、热损耗小、维护简单等特点。

专利201610296889.1《一种基于跨季节水体储热的太阳能中温供热系统》提出的一种太阳能大容量跨季节储热与冬季供暖装置，由集热器、跟踪器、水箱、储热室、地暖盘管、管路、电磁阀、泵及温感探头组成，其特征在于：并联的集热器单元左侧管路通过电磁阀与地下储热室的储热盘管连通，盘管在砂石中穿过，另一端与集热器右侧管路连通。其储热介质为沙土。

专利CN104653418A《太阳能采集蓄热系统》提供一种太阳能采集蓄热系统，将太阳能采集后的热能与蓄热器进行交换，再将其进行利用。本发明采用流体换热形式，由太阳能真空管或平板采集器件、换热器件、蓄热材料及壳体组成，蓄热材料装入到壳体内，采集器件设置在壳体外部，换热器件设置在采集器件与装有蓄热材料的壳体之间进行换热，将太阳能采集的热能直接的通过换热器进行储存，储热介质为固体土壤或沙石。

发明内容

本发明的目的是克服现有太阳能跨季节储热体占地过大，同时太阳能供热系统存在的冬夏冷热不平衡的缺点，基于跨季节储热水体特点，提出一种节地型的太阳能储热供暖系统，以降低用于我国北方城镇地区冬季供热的传统能源消耗。

本发明能够大幅度提高储热水体的土地利用率，同时确保稳定供热。本发明采用固体/加水组成混合储热介质，并且，储热池中的水还可以作为太阳能集热器传热介质，也可以是建筑采暖传热介质。

本发明的技术方案如下：

本发明节地型跨季储热池主要包括：储热固体堆积床，冷水井，热水井，用热侧，热源侧，热源侧取水管，热源侧回水管，用热侧取水管和用热侧回水管。所述的储热池为由底部，边壁和顶部组成的围合空间，围合空间内填充储热固体堆积床。储热池内设置有冷水井和热水井。用热侧潜水泵和热源侧潜水泵均位于热水井内，并固定于水泵支架上。水泵支架固定于热水井的四周壁面上。用热侧潜水泵与用热侧，用热侧取水管，用热侧回水管组成用热侧循环系统。用热侧取水管与热水井中的用热侧潜水泵和用热侧相连，用热侧回水管与用热侧和冷水井相连。热源侧潜水泵与热源侧，热源侧取水管和热源侧回水管组成热源侧循环系统。热源侧取水管与冷水井和热源侧相连，热源侧回水管与热源侧和热水井中的热源侧潜水泵相连。液位显示及水质监测计位于储热池内。

由于采用了储热固体堆积床，本发明涉及的节地型跨季储热池上部可以承重。

大型储热池内可以设置数个热水井和冷水井。

所述的储热固体堆积床可由鹅卵石、混凝土块、陶瓷罐、石料等具有一定承压能力的材料组成。储热固体堆积床为多孔结构，孔的缝隙之间充满了水。储热体内储热固体材料的体积孔隙率应在20％以上。

所述的储热固体堆积床的孔隙率不相同，储热固体堆积床的下部为较大尺寸的多孔结构，上部为尺寸较小的多孔结构，下部多孔结构的孔隙率大于上部多孔结构的孔隙率。储热固体堆积床的顶部可用混凝土进行固化，固化厚度按照储热固体堆积床的上部承重要求确定。

本发明节地型跨季储热池顶部上层可以种植农作物和植被，或根据承载力搭建建筑物或构筑物。

所述的储热固体堆积床多孔缝隙之间的填充液体中添加有抑菌剂以及除垢剂。

为维持水体温度分层，所述的热水井的底部位于储热池总高度的30％以上的位置，冷水井的底部位于储热池的底部。热水井的上半部侧壁以及冷水井的下半部侧壁开有透水孔。

所述的节地型跨季储热池顶部由下至上依次为保温层，找平层和覆土层。也可以不设保温层。由于固体堆积床的存在，覆土层可以比较厚，起到保温作用。

本发明工作过程如下：

热源侧潜水泵将冷水井中的水输送至热源侧加热后，将热水输送至热水井中，热水通过透水孔，逐步加热储热固体堆积床之间孔隙内的液体，并通过对流方式，逐步加热固体堆积床，提高整个储热池内的固体和液体温度。当用热侧需要供热时，利用用热侧潜水泵，将热水送至用热侧，再将冷水输送至冷水井中，储热池内的储热固体堆积床以及其孔隙见的液体温度如果高于冷水井中的水温，则通过对流等换热方式，将储热固体堆积床以及其孔隙见的液体内蓄存的热量释放给冷水井中的水。如此，周而复始实现跨季节储热池的蓄热以及放热。

本发明的跨季节储热池利用储热固体堆积床，确保储热池具有一定的承重结构。在这种储热池上可以种植植被，或根据承载力搭建建筑物或构筑物。本发明有效利用储热池顶部空间，实现了节地的目的。同时，考虑到水体的温度分层，避免由于冷热水掺混引起过大的混合热损失，因此冷水井的下半部侧壁开透水孔，热水井的上半部开透水孔，且水通过透水孔流入储热固体堆积床之间孔隙，有效降低了流速，更加有益于温度分层。此外，顶部是储热池散热的主要部分，通过设置防水层和保温层，尽量降低水体的散热热损失，提效储热池的有效取热量。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。

和现有技术比较，本发明以水作为储热介质，采用水体加沙石的储热方式，利用填充物加水及进水管进行池内温度分层控制。

附图说明

图1是本发明节地型跨季储热池的结构示意图；

图2是节地型跨季储热池的顶层结构示意图；

图3是冷水井剖面结构示意图；

图4是热水井剖面结构示意图；

图5是冷水井透水孔结构示意图；

图6是热水井透水孔结构示意图。

图中：1储热固体堆积床，2冷水井，3热水井，4底部，5边壁，6顶部，7用热侧，8热源侧，9热源侧取水管，10热源侧回水管，11用热侧取水管，12用热侧回水管，13液位显示及水质监测计，14热源侧潜水泵，15用热侧潜水泵，16水泵支架，17水井检查口，18透水孔，19防水层，20保温层，21找平层，22覆土层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步的说明本发明。

如图1所示，本发明节地型跨季储热池主要包括：储热固体堆积床1，冷水井2，热水井3，用热侧7，热源侧8，热源侧取水管9，热源侧回水管10，用热侧取水管11和用热侧回水管12。所述的储热池为由底部4，边壁5和顶部6组成的围合空间，围合空间内填充储热固体堆积床1。储热池内设置有冷水井2和热水井3。用热侧潜水泵14和热源侧潜水泵15均位于热水井3内，并固定于水泵支架16上。水泵支架16固定于热水井3的四周壁面上。如图1所示，用热侧潜水泵15与用热侧7，用热侧取水管11，用热侧回水管12组成用热侧循环系统。用热侧取水管11与热水井3中的用热侧潜水泵15和用热侧7相连，用热侧回水管12与用热侧7和冷水井2相连。热源侧潜水泵14与热源侧8，热源侧取水管9和热源侧回水管10组成热源侧循环系统。热源侧取水管9与冷水井2和热源侧8相连，热源侧回水管10与热源侧8和热水井中的热源侧潜水泵14相连。液位显示及水质监测计13位于储热池内。由于采用了储热固体堆积床1，节地型跨季储热池顶部可以承重。

储热池中设置有冷水井2和热水井3。冷水井2和热水井3的结构示意图分别如图3和图4所示。大型储热池内可以设置数个冷水井2和热水井3。如图5和图6所示，为维持水体温度分层，热水井3的底部位于储热池总高度的30％以上的位置，冷水井2的底部位于储热池的底部；热水井3的上半部侧壁以及冷水井2的下半部侧壁上开透水孔18。

储热固体堆积床1可由鹅卵石、混凝土块、陶瓷罐、石料等具有一定承压能力的材料组成。储热固体堆积床1为多孔结构，孔缝隙之间填充液体。储热固体堆积床1的孔隙率不相等，下部为较大尺寸的多孔结构，上部为尺寸较小的多孔结构。储热固体堆积床1的顶部可用混凝土进行固化，固化厚度按照节地型储热池的顶部6的承重要求确定。顶部6的上层可以种植农作物和植被，或根据承载力搭建建筑物或构筑物。储热固体堆积床1的多孔缝隙之间的填充液体中，添加有抑菌剂以及除垢剂。

如图2所示，储热池顶部6结构由下至上依次为防水层19，保温层20，找平层21和覆土层22。

本发明工作原理为：

热源侧潜水泵14将冷水井2中的水输送至热源侧8进行加热后，将热水输送至热水井3中，热水通过透水孔18，逐步加热储热固体堆积床1之间孔隙内的液体，并通过对流方式，逐步加热固体堆积床1，提高了整个储热池内的固体和液体温度。当用热侧7需要供热时，利用用热侧潜水泵15，将热水送至用热侧7，再将冷水输送至冷水井2中，储热池内的储热固体堆积床1以及其孔隙见的液体温度如果高于冷水井2中的水温，则通过对流等换热方式，将储热固体堆积床1以及其孔隙见的液体内蓄存的热量释放给冷水井2中的水。如此，周而复始实现跨季节储热池的蓄热以及放热。

本发明的优点在于：

储热固体堆积床确保储热池具有一定的承重结构。在这种储热池上可以种植植被，或根据承载力搭建建筑物或构筑物。有效利用储热池顶部空间，实现了节地的目的。同时，考虑到水体的温度分层，避免由于冷热水掺混引起过大的混合热损失，因此冷水井的下半部侧壁开透水孔，热水井的上半部开透水孔，且水通过透水孔流入储热固体堆积床之间孔隙，有效降低了流速，更加有益于温度分层。此外，顶部是储热池散热的主要部分，通过设置防水层和保温层，尽量降低水体的散热热损失，提效储热池的有效取热量。本发明在我国北方太阳能资源丰富及较丰富的城镇地区具有广泛的适用性。

Claims (6)

1.一种节地型太阳能跨季节储热池，其特征在于：所述的储热池包括：储热固体堆积床(1)、冷水井(2)、热水井(3)、用热侧(7)、热源侧(8)、热源侧取水管(9)、热源侧回水管(10)、用热侧取水管(11)和用热侧回水管(12)；所述的储热池为由底部(4)，边壁(5)和顶部(6)组成的围合空间，围合空间内填充储热固体堆积床(1)；储热池内设置有冷水井(2)和热水井(3)；用热侧潜水泵(14)和热源侧潜水泵(15)均位于热水井(3)内，并固定于水泵支架(16)上；水泵支架(16)固定于热水井(3)的四周壁面上；用热侧潜水泵(15)与用热侧(7)、用热侧取水管(11)和用热侧回水管(12)组成用热侧循环系统；用热侧取水管(11)与热水井(3)的用热侧潜水泵(15)和用热侧(7)相连，用热侧回水管(12)与用热侧(7)和冷水井(2)相连；热源侧潜水泵(14)与热源侧(8)，热源侧取水管(9)和热源侧回水管(10)组成热源侧循环系统；热源侧取水管(9)与冷水井(2)和热源侧(8)相连，热源侧回水管(10)与热源侧(8)和热水井(3)的热源侧潜水泵(14)相连；储热池上部能够承重。

2.按照权利要求1所述的节地型太阳能跨季储热池，其特征在于：所述的储热固体堆积床(1)由具有承压能力的材料组成；储热固体堆积床(1)为多孔结构，孔缝隙之间填充液体。

3.按照权利要求3所述的节地型太阳能跨季储热池，其特征在于：储热固体堆积床(1)的孔隙率不同，下部多孔结构的孔隙率大于上部多孔结构的孔隙率。

4.按照权利要求3所述的节地型太阳能跨季储热池，储热固体堆积床(1)的多孔缝隙之间的填充液体中添加有抑菌剂及除垢剂。

5.按照权利要求1所述的节地型太阳能跨季储热池，其特征在于：所述的热水井(3)的底部位于池总高度的30％以上的位置；冷水井(2)的底部位于池的底部；热水井(3)的上半部侧壁以及冷水井(2)的下半部侧壁上开透水孔(18)。

6.按照权利要求1所述的节地型太阳能跨季储热池，其特征在于：所述的顶部(6)由下至上依次为防水层(19)，保温层(20)，找平层(21)和覆土层(22)。