CN107228397A - 一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统，属于太阳能供暖领域，该系统包括集热装置、缓冲水箱、地埋管换热装置、辅助热源、由多个循环泵、多个阀门组成的换向循环泵组、温度传感器、控制阀门开闭的控制器、电动执行器及连接管路，其中集热装置的出口通过并联的第一阀门与串联的第二阀门和缓冲水箱相连，集热装置依次与第一循环泵、第一阀门、第三阀门、缓冲水箱相连；地埋管换热装置边缘端口直接与缓冲水箱相连，地埋管换热装置的中心端口通过换向循环泵组与及缓冲水箱相连；缓冲水箱依次通过循环泵、辅助热源与采暖末端相连；本发明解决了已有系统非采暖季热量浪费、太阳能保证率不高、以及缩短集热器及管阀件寿命等问题。
Description
技术领域
本发明属于太阳能供暖领域，特别涉及一种利用土壤作为蓄热体的太阳能季节性蓄热供热采暖系统。
背景技术
太阳能供暖，是利用太阳能集热装置收集太阳能热量，并将这部分热量输送到采暖用户的供暖末端，以满足用户的采暖需求。目前，流行的太阳能采暖方式是直接利用采暖季的太阳能热量作为供暖热量的来源，但是这样的太阳能供暖系统在夏季容易引起热量浪费，加速管阀件老化等缺点，而且太阳能供暖的保证率低。
与本发明相近的一种技术方案，是太阳能与地源热泵相结合的供暖系统，该系统主体为太阳能集热装置、地源热泵以及地埋管换热器。在采暖季，随着地源热泵的应用，土壤温度逐渐降低，为了提高地源热泵供暖时的COP(地源热泵供热量与耗电量之比)，将太阳能热量储存于土壤中。由于夏季制冷的需求，在非采暖季初期至制冷期末期并没有通过太阳能往土壤中蓄热储热，造成这一时期大量的太阳能的浪费，并有过热现象存在，同时影响了集热系统寿命。这样的系统归根结底还是以地源热泵的电力消耗作为供热热量来源，同时在非采暖季还造成了太阳能热量的浪费。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统，该系统以太阳能集热装置、缓冲水箱以及地埋管换热装置、辅助热源为主。非采暖季，将太阳能热量通过地埋管换热装置储存于土壤中，待采暖季时释放，为提供用户供暖；采暖季时，太阳能热量直接供给供暖用户，地埋管换热装置中土壤储存的热量作为补充。当太阳能热量不足时，则启动辅助热源装置保证供暖。
本发明提出的一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统，其特征在于，该系统包括集热装置、缓冲水箱、地埋管换热装置、辅助热源、由多个循环泵、多个阀门组成的换向循环泵组、温度传感器、控制阀门开闭的控制器、电动执行器及连接管路，其中集热装置的出口通过连接管路与集热装置并联的第一阀门一端口相连，再与第二阀门串联后和缓冲水箱一侧上部第一进口相连，集热装置的进口依次与第一循环泵、第一阀门的另一端、第三阀门串联后与缓冲水箱一侧下部第一出口相连；地埋管换热装置边缘端口直接与缓冲水箱一侧下部第二进口相连，地埋管换热装置的中心端口通过换向循环泵组与及缓冲水箱一侧上部第二出口相连；缓冲水箱另一侧上部第三出口依次通过循环泵与辅助热源与采暖末端相连；缓冲水箱另一侧下部第三进口直接与采暖末端相连；在集热器装置进出口位置、水箱上部和下部位置、蓄热场进出口位置、室内房间等位置分别布置温度传感器，并通过信号电缆连接至中央控制器；在集热器连接管路、蓄热连接管路和供暖连接管路中的相应阀门分别布置电动执行器，并通过控制信号电缆连接至中央控制器。
所述的换向循环泵组可由两个循环泵和两个阀门组成，其中一个循环泵和一个阀门串联后与另一个循环泵和另一个阀门串联后并联，所述两个循环泵方向相反。
所述的地埋管换热装置可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，其中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。
所述地埋管换热装置横截面可为圆形或多边形，地埋管换热装置的直径和深度之比在0.5～10之间。
所述地埋管可为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。
所述地埋管管网的地埋管之间的连接管路横向布置形式可为，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，以有利于热量从地埋管换热装置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也可为，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，其他并联支路仍然可以对周边土壤进行换热，提高了地埋管换热装置的可靠性。
所述保温及防水层的保温层可为聚苯板、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；所述防水层可为PE膜或其他防水材料。
所述保温及防水层可为多层结构，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。
本发明的特点及有益效果：
本发明系统中的地埋管换热装置，平均温度在45℃以上，中心温度可达90℃。采暖季，地埋管换热装置中的热量可用于直接供暖。蓄热时，高温水由地埋管换热装置中部流入，边缘流出，以达到地埋管换热装置中部温度高于四周，实现地埋管换热装置的温度分层，减少散热损失，同时利于提高取热率；取热时，低温水由地埋管换热装置边缘流入，中部流出，得到高温热水。
本发明系统中的地埋管换热装置中钻孔之间地埋管连接管路呈扩散性连接，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，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，提高地埋管换热装置的可靠性。
本发明系统中涉及的缓冲水箱，具有短期储热和温度分层功能，水箱集热热水进口、采暖热水出口、地埋管热水端设置在水箱上部，集热器回水出口、采暖回水进口、地埋管冷水端设置在水箱下部，水箱内部具有隔板分层结构，且不局限一个缓冲水箱。
本发明系统还可以为承压系统、各循环换热管路之间互相独立、换热介质区分，集热器和缓冲水箱之间设置有换热器，缓冲水箱和地埋管换热管路之间设置有换热器，缓冲水箱和采暖末端设置有换热器。
本发明系统是一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统，解决了以往太阳能供暖系统非采暖季热量浪费、太阳能保证率(太阳能提供供热量与用户需求供热量之比)不高、以及太阳能集热系统过热缩短集热器及管阀件寿命等问题。本发明中的地埋管换热装置通过发散式的布置形式和连接方式，可有效降低地埋管换热装置的热损，使得非采暖季存储的太阳能热量充分储存，供采暖季使用，提高了太阳能保证率。此外本发明中在太阳能集热装置和地埋管换热装置之间采用具有温度分层功能的储热水箱，保证了地埋管换热装置向土壤蓄热与取热过程的稳定性，解决了将太阳能热量直接输入土壤蓄热场中的各种弊端。
附图说明
图1是本发明实施例1结构示意图；
图2是本发明实施例1中地埋管换热装置结构示意图；
图3为本实施例的地埋管换热装置纵向施工剖面示意图；
图4是本发明实施例2结构示意图；
图中标号：1-太阳能集热装置；2-缓冲水箱；3-地埋管换热装置；4-辅助热源；5-采暖末端；6-循环泵；7-循环泵；8-循环泵；9-循环泵；10-阀门1；11-阀门2；12-阀门3；13-阀门4；14-阀门5；15-地源热泵；16-阀门6；17-阀门7；17-中央控制器；18-热水分集水器；19-冷水分集水器；01-土壤层，02-加强保护层，03-填充层，04-防水层，05-保温层。
具体实施方式
本发明提出的一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统，结合附图及实施例说明如下：
本发明提出的一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统，其特征在于，该系统包括集热装置、缓冲水箱、地埋管换热装置、辅助热源、由多个循环泵、多个阀门组成的换向循环泵组、温度传感器、控制阀门开闭的控制器、电动执行器及连接管路，其中集热装置的出口通过连接管路与集热装置并联的第一阀门一端口相连，再与第二阀门串联后和缓冲水箱一侧上部第一进口相连，集热装置的进口依次与第一循环泵、第一阀门的另一端、第三阀门串联后与缓冲水箱一侧下部第一出口相连；地埋管换热装置边缘端口直接与缓冲水箱一侧下部第二进口相连，地埋管换热装置的中心端口通过换向循环泵组与及缓冲水箱一侧上部第二出口相连；缓冲水箱另一侧上部第三出口依次通过循环泵与辅助热源与采暖末端相连；缓冲水箱另一侧下部第三进口直接与采暖末端相连；在集热器装置出口位置a2、水箱上部d1和下部位置d2、蓄热场进出口位置c2、室内房间(图中未示出)等位置分别布置温度传感器，并通过信号电缆连接至中央控制器；在集热器连接管路、蓄热连接管路和供暖连接管路中的相应阀门分别布置电动执行器，并通过控制信号电缆连接至中央控制器。
所述的换向循环泵组由两个循环泵和两个阀门组成，其中一个循环泵和一个阀门串联后与另一个循环泵和另一个阀门串联后并联，所述两个循环泵方向相反。
本发明系统还可以为承压系统、各循环换热管路之间互相独立、换热介质区分，集热器和缓冲水箱之间设置有换热器，缓冲水箱和地埋管换热管路之间设置有换热器，缓冲水箱和采暖末端设置有换热器。
实施例1
本发明的一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统实施例1系统构成如图1所示，该系统包括集热装置1、缓冲水箱2、地埋管换热装置3、辅助热源4、循环泵6-9、阀门10-14、连接管路、温度传感器、控制阀门开闭的控制器及电动执行器，其中集热装置1的出口a1通过连接管路与集热装置1并联的第一阀门10一端口相连，再与第二阀门11串联后和缓冲水箱2一侧上部第一进口b1相连，集热装置1的进口a2依次与第一循环泵6、第一阀门10的另一端、串联的第三阀门12以及缓冲水箱2一侧下部第一出口b2相连；地埋管换热装置3边缘端口c1直接与缓冲水箱2一侧下部第二进口b4相连，第二循环泵7与第四阀门13串联后与地埋管换热装置3的中心端口c2及缓冲水箱2一侧上部第二出口b3相连，第三循环泵8与第五阀门14串联后与第二循环泵7、第四阀门13并联；第四循环泵9的一端与缓冲水箱2另一侧上部第三出口b5连接，循环泵9的另一端口与辅助热源4相连，辅助热源的另一端口与采暖末端5相连，采暖末端5的另一端口与缓冲水箱2另一侧下部第三进口b6相连。
本实施例系统中各部件的具体实现方式分别说明如下：
集热装置1为常规的平板集热器或真空管集热器；
地埋管换热装置3为由多根U型或双U型地埋管组成的地埋管管网，地埋管换热装置中钻孔之间地埋管连接管路呈扩散性连接，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；U型或双U型地埋管为PERT-Ⅱ或PEX-a耐高温、耐腐蚀材料；
缓冲水箱为普通保温分层功能水箱；水箱集热热水进口、采暖热水出口、地埋管热水端设置在水箱上部，集热器回水出口、采暖回水进口、地埋管冷水端设置在水箱下部，水箱内部具有隔板分层结构，且不局限一个缓冲水箱。
辅助热源为燃气炉或电锅炉等常规热源；本系统所用循环泵为普通热水循环泵；阀门为普通热水调节阀。
本实施例中地埋管管网的实施例结构如图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。水箱上部端口b3同热水分集水器18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，各支路从地埋管换热装置中心位置c2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19，冷水分集水器19再连接到水箱下部冷水端口b4；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19；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并联到回3路，再连接到冷水集水器19；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19。
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体不会出现某一区域换热不充分，使得另一路温度偏高，提高换热效果。
本实施例的地埋管换热装置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，一般为圆形或正多边形，地埋管换热装置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)，地埋管换热装置的直径和深度之比为1。
本实施例中地埋管换热装置如图3所示，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01为土壤层，厚度约为1.2m；第二层02为加强保护层，为土工布或其他强度高、耐腐蚀材料；第三次03为填充层厚度约为100mm，材料为细沙或土壤等；第四层04为防水层，材料为PE膜或其他防水材料；第五层为05为保温层厚度约为200mm，材料为聚苯保温板或其他硬质保温材料。
本实施例1系统工作过程：该系统运行模式分为预热工况、直供工况、蓄热工况和取热工况。当集热装置1与水箱2之间的管道内介质温度过低时，系统以预热工况运行，循环泵6开启，阀门11、12关闭，阀门10开启，则管道内低温介质进入集热装置1中被加热，温度升高，起到预热和防冻的功能。
当系统直供工况运行时，即在采暖期，直接由缓冲水箱2后给采暖末端5供热，不需要从地埋管换热装置3中提取能量。当太阳能集热器阵列出口a1温度大于水箱内下部d2温度设定温度值时(如20℃)，启动循环泵6，打开阀门11和阀门12。当采暖末端5有采暖需求时(温度低于设定值，如18℃)，同时缓冲水箱2内上部d1温度大于供暖温度设定值(如50℃)，启动循环泵9。
当系统以蓄热工况运行时，即非采暖季时，将集热装置1中收集的热量储存到地埋管换热场3中，以供采暖季供暖使用。当太阳能集热器阵列出口a1温度大于水箱内下部d2温度设定温度值时(如20℃)，启动循环泵6，打开阀门11和阀门12。当缓冲水箱上部温度大于设定值(如50℃)时，同时大于土壤蓄热体中心温度设定值(如6℃)，则打开循环泵7和阀门13。
当系统以取热工况运行时，即采暖季时，集热装置1获得的热量无法满足供暖需求时，从地埋管换热场3中取出热量用于采暖。当从地埋管换热场3中取出的能量仍无法满足供暖末端5的需求时，启动辅助热源4供暖。当缓冲水箱2上部温度小于设定值(如35℃)，同时土壤蓄热体中心温度大于设定值(如45℃)时，打开循环泵8、9，阀门14。当缓冲水箱2上部温度小于设定值(如35℃)，同时地埋管换热装置中心温度小于设定值(如37℃)时，打开循环泵9，启动辅助热源4，辅助热源按照设定温度值(如40℃)运行。
实施例2
本发明的一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统实施例2系统构成如图4所示，实施例2的组成与实施例1基本相同，不同之处是在实施例1的组成基础上增加了一台地源热泵15和一个阀门16。该系统包括集热装置1、缓冲水箱2、地埋管换热装置3、循环泵6-9、阀门10-14、地源热泵15、阀门16、连接管路、温度传感器、控制阀门开闭的控制器及电动执行器，其中集热装置1的出口a1通过连接管路与并联的阀门10一端口相连，再与阀门11串联后和缓冲水箱2上部第一进口b1相连，集热装置1的进口依次与循环泵6、阀门10的另一端、串联的阀门12以及缓冲水箱2下部第一出口b2相连；地埋管换热装置3中心端口c2与地源热泵15的蒸发端一端口并联后与循环泵7和阀门13串联再与地源热泵15冷凝段一端口并联后与缓冲水箱2的上部第二进口b3相连，循环泵8、阀门14串联后与循环泵7、阀门13并联，地埋管换热装置3边缘端口c1与地源热泵15的蒸发段另一端口并联后与阀门16串联，再与地源热泵15的冷凝端的另一端口并联后与缓冲水箱2底部第二出口b4相连；循环泵9的一端与水箱2上部第三出口b5相连，循环泵9的另一端口与采暖末端5相连，采暖末端5的另一端口与缓冲水箱2的下部第三进口b6相连。
本实施例2中的地源热泵15可采用常规的地源热泵产品。其它部分与实施例1实现方式相同。
本实施例2系统工作过程：该系统运行模式分为预热工况、直供工况、蓄热工况、取热工况。
当系统直供工况运行时，即在采暖期，直接由缓冲水箱2后给采暖末端5供热，不需要从地埋管换热装置3中提取能量。当太阳能集热器阵列出口温度大于水箱下部温度设定温度值时(如20℃)，启动循环泵6，打开阀门11和阀门12。当采暖末端5有采暖需求时(温度低于设定值，如18℃)，同时缓冲水箱2中温度大于供暖温度设定值(如50℃)，启动循环泵9。
当系统以蓄热工况运行时，即在非采暖季时，将集热装置1中收集的热量储存到地埋管换热场3中，以供采暖季供暖使用。当太阳能集热器阵列出口温度大于水箱下部d2温度设定温度值时(如20℃)，启动循环泵6，打开阀门11和阀门12。当缓冲水箱上部温度大于设定值(如50℃)时，同时大于地埋管蓄热体中心温度设定值(如6℃)，则打开循环泵7，阀门13。
当系统以取热工况运行时，即在采暖季时，集热装置1获得的热量无法满足供暖需求时，从地埋管换热装置3中取出热量用于采暖。当从地埋管换热场3中取出的能量仍无法满足供暖末端5的需求时，启动辅助热源4供暖。当缓冲水箱2上部温度小于设定值(如35℃)，同时地埋管换热装置中心温度大于设定值(如45℃)时，打开循环泵8、9，阀门14。当缓冲水箱2上部温度小于设定值(如35℃)，同时地埋管换热装置中心温度小于设定值(如37℃)时，打开循环泵9，启动辅助热源4，辅助热源按照设定温度值(如45℃)运行。
Claims (9)
1.一种基于跨季节土壤蓄热的太阳能供热采暖系统，其特征在于，该系统包括集热装置、缓冲水箱、地埋管换热装置、辅助热源、由多个循环泵、多个阀门组成的换向循环泵组、温度传感器、控制阀门开闭的控制器、电动执行器及连接管路，其中集热装置的出口通过连接管路与集热装置并联的第一阀门一端口相连，再与第二阀门串联后和缓冲水箱一侧上部第一进口相连，集热装置的进口依次与第一循环泵、第一阀门的另一端、第三阀门串联后与缓冲水箱一侧下部第一出口相连；地埋管换热装置边缘端口直接与缓冲水箱一侧下部第二进口相连，地埋管换热装置的中心端口通过换向循环泵组与及缓冲水箱一侧上部第二出口相连；缓冲水箱另一侧上部第三出口依次通过循环泵与辅助热源与采暖末端相连；缓冲水箱另一侧下部第三进口直接与采暖末端相连；在集热器装置进出口位置、水箱上部和下部位置、蓄热场进出口位置、室内房间等位置分别布置温度传感器，并通过信号电缆连接至中央控制器；在集热器连接管路、蓄热连接管路和供暖连接管路中的相应阀门分别布置电动执行器，并通过控制信号电缆连接至中央控制器。
2.如权利要求1所述的太阳能供热采暖系统，其特征在于，所述的换向循环泵组由两个循环泵和两个阀门组成，其中一个循环泵和一个阀门串联后与另一个循环泵和另一个阀门串联后并联，所述两个循环泵方向相反。
3.如权利要求1所述的太阳能供热采暖系统，其特征在于，所述的地埋管换热装置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，其中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。
4.如权利要求3所述的太阳能供热采暖系统，其特征在于，所述地埋管换热装置横截面为圆形或多边形，地埋管换热装置的直径和深度之比在0.5～10之间。
5.如权利要求3所述的太阳能供热采暖系统，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。
6.如权利要求3所述的太阳能供热采暖系统，其特征在于，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，以有利于热量从地埋管换热装置中心向四周缓慢扩散，减少热损失，使存储的热量更加集中。
7.如权利要求3所述的太阳能供热采暖系统，其特征在于，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，其他并联支路仍然可以对周边土壤进行换热，提高了地埋管换热装置的可靠性。
8.如权利要求3-7所述的任一项太阳能供热采暖系统，其特征在于，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。
9.如权利要求3-7所述的任一项太阳能供热采暖系统，其特征在于，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。
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