CN107269046B - 一种适用于极地的节能型基地 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于极地的节能型基地，在基地外部设置有可拆卸的保温结构，保温结构内设置有工质，在基地内部和基地外部分别设置有室内换热器和室外换热器，基地内部的冻土层厚度以下设置有地下换热器，所述的地下换热器管道内设置有低温防冻液体。本发明多种途径充分利用当地海洋能和地热能能源进行供暖发电，减少极地生产生活的外来能源依赖程度，减少当地环境污染，为极地的科考和全球可持续发展贡献力量；同时充分利用当地能源，可以保证在外来能源本身或者输送途径遇到故障时的基地人员以及生产的安全运行。

Description

一种适用于极地的节能型基地

技术领域：

本发明属于建筑节能、可再生能源利用和余热利用技术领域，具体涉及一种适用于极地的节能型基地。

背景技术：

南极，是地球上至今未被开发、未被污染的洁净大陆，那里蕴藏着无数的科学之谜和信息。在全球变化、特别是全球气候变化研究中，起着不可替代的关键作用。南极蕴藏着较北极更为丰富的资源和能源，有世界上最大的铁山和煤田、丰富的海洋生物(特别是南极磷虾)和油气资源、地球上72％以上的天然淡水资源。

南极独特的地理与气候特征--平均海拔最高、风速最大、降水量极少且极端低温，形成了严酷纯洁而又极为敏感、脆弱和极易受到破坏的自然与生态环境。为了保护地球最后一片净土，世界上多个国家联合制定了关于南极环境保护的条约，对极地的矿物使用、废气废水排放等制定了严格的规定。

根据《南极矿产资源活动管理公约》的规定，各国在南极可开发时能够享受的资源份额将由其对南极科考事业的贡献程度来决定。虽然该公约最终流产，但其提出的此项规则已演化为不成文的惯例。

南极科考奉行的“潜规则”是，谁首先对一个区域进行考察，谁就拥有在这个区域建站的优先权；相应的国际惯例是，哪国在某地建站，周围的科研活动就以哪国为主。

有鉴于此，各国纷纷下大力气投入南极事业，建立科学考察站，争相承担重大科研项目。时至今日，极地科学考察已成为一个国家综合国力和高科技水平的体现，在政治、科学、经济、外交、军事等方面都有着深远和重大的意义。

仅仅中国在极地建立了几个分布不同地区的科考站，其人员日常生活和科考需要电力等能源支持。但是南极气候条件恶劣，太阳能资源差，且有极昼极夜现象，现在南极用电用能多采用运输过来的柴油作为原料，成本高昂且产生排放污染，不利于极地的大规模生产活动。

后勤保障物资运输是南极各个考察站正常运行的根本保障，相比世界其他地区，南极考察站的后勤运输和物资补给非常困难，同时会不时遭遇危险状况，例如2011年，中国南极考察用直升机失事，2014年俄罗斯南极科考船被困，经过艰难抢救中国科考船救出所有乘客。

南极洲是世界最冷的地区。在国际地球物理年期间，科学家在海岸地区测得的最冷月的平均温度是-18℃，而在南极点同月的平均温度是-62℃。1983年7月31日，苏联学者在东方站记录到-89.2℃的低温，是世界记录到的最低自然温度。一般室内温度要求在0℃以上，在冬天南极科考站室内外温差将会达到40℃-80℃甚至更高，有很大的能量利用空间。因此，极地的基地建设问题亟待解决。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于极地的节能型基地，本发明提出的方法考虑到极地特殊的环境天气，多种途径充分利用当地能源或者余热，减少极地生产生活的外来能源依赖程度，减少当地环境污染，为极地的科考和全球可持续发展贡献力量。

本发明的目的在于提供一种适用于极地的节能型基地，在基地外部设置有可拆卸的保温结构，保温结构内设置有工质，在基地内部和基地外部分别设置有室内换热器和室外换热器，基地内部的冻土层厚度以下设置有地下换热器，所述的地下换热器管道内设置有低温防冻液体，所述的地下换热器一端与室外换热器通过管道连通，另一端与室内换热器通过管道连通，所述的地下换热器与室外换热器之间设置有工质泵，所述的室外换热器与膨胀发电机连接，所述的室内换热器与膨胀发电机连接。保温结构为可拆卸的外壳结构，在夏季拆掉外壳，将固体相变工质拖拽到海边的容器进行换热成液体后，在秋季用桶或者泵将液体重新注入保温结构中。

在基地外部设置保温容器，保温容器内设置有工质，夏季时，工质从保温容器中取出，将工质运输到海边充入到放置在海水中的容器内，与海水换热升温，到冬季时工质放回保温容器中，这时工质作为热源，大气作为冷源进行温差发电或供暖，提供基地的用能，提供生产生活能耗；在基地或者基地外部冬季冻土层厚度以下埋设换热器，所述的换热器内管道内设置有防冻液，所述的换热器使用地热作为热端，大气作为冷端实行温差发电；在基底建设中，还可以直接采集热能进行建筑保温供暖代替发电应用，通过多层环绕的方式，减少基地建筑与基地外部的换热温差，减少基地建筑的供暖需求。

同时在基地内部、外部和冻土层厚度以下埋设换热器，采用特殊的低温防冻液体和管道(极地温度过低，需要根据基地所处位置采用特殊材料，因为极地冬季温度远远低于我国北方的最冷温度)，通过换热使用地热作为热端，大气作为冷端实行温差发电，供应生产生活能耗。从冻土层下面吸热的低温防冻液体首先用工质泵从冻土层下面换热器中将热防冻液体抽送到室内换热器进行供暖，然后进入膨胀发电机做功发电后进入室外换热器，送到室外换热器且室外换热器耦合有半导体温差发电装置，降温后的低温防冻液体最后由工质泵加压后送入地下换热器换热，进行循环。

本发明基于能源电力当地产当地用原则，利用极地的夏冬季节的气温变化，采用季节性大规模蓄能方式、余热和地热利用等方式的综合性利用，进一步通过温差发电方式解决当地的生产生活用电用能需要。同时通过蓄能箱体的围护设置实现科考站保温，进一步降低生产生活能耗。通过这些措施，减少南极科考站对燃料的外来依赖度，为更大范围、更长时间、更好的在南极进行科考和生活提供帮助。

根据实际基地距离大海的远近，工质的输送可以采用管路输送或者轨道、道路输送至大海边，实现低温工质与海水换热升温。如果采用相变工质，基地周围保温容器为可拆卸式，然后在夏季将整个箱体运输至海水中，换热成为液体后运输回基地，重新安装保温结构，冬季通过温差发电提供能耗。

优选，所述的工质为相变工质，所述的相变工质为石蜡或水。在本发明中，相变工质可以选择冰点温度为0℃或者稍低一点温度的物质。

温差发电方式可以为半导体温差发电、有机工质发电或者其他温差发电方式。具体的温差发电方式可以根据实际需要来确定，只要能满足本发明提出的温差发电即可。

优选，所述的保温结构由若干个设置有相变工质的保温容器组成。保温容器以模块化方式进行排列，便于实际的基地建设的操作。

优选，所述的地下换热器内的低温防冻液体选自液氮、液氧和二氧化碳中的一种。低温防冻液体的冰点低于当地最低温度，以保证地下换热器的正常使用，使基地的能源建设达到节能。

优选，所述的保温结构外部设置有利用环境和工质温差进行发电的第一半导体发电装置。

优选，所述的室外换热器与第二半导体发电装置连接。

本发明的有益效果是：

1、极地大陆夏季海洋融化，海洋中温度高于0℃，冬季环境温度急剧下降，最高可以达到-80℃以下，且风大无太阳，处于极夜笼罩；在夏季极昼季节，可以采用太阳光伏发电方式供应本地能源需要，冬季则不能采用此种方式进行能源供给，为了供给在冬季外界低温情况下的人员生产生活和生物培育的能源需求(电力、热量和光学需求)，本发明通过蓄能和温差利用的方式，对地热能、余热、海洋能进行利用，增强本地能源利用的使用率。

2、本发明多种途径充分利用当地能源或者余热，减少极地生产生活的外来能源依赖程度，减少当地环境污染，为极地的科考和全球可持续发展贡献力量；同时充分利用当地能源，可以保证在外来能源本身或者输送途径遇到故障时的基地人员以及生产的安全运行。

3、本发明通过南北极地区的地热能、海洋能以及余热等方面的耦合利用，实现基地节能。

附图说明：

图1是本发明实施例1基地的蓄能利用方式的结构示意图；

图2是本发明实施例1基地的室内余热发电示意图；

图3是本发明实施例1基地的地热发电供暖一体利用示意图；

附图标记说明：1、保温容器；2、相变工质；3、基地围护；4、基地；5、半导体发电片；6、热管换热器、7、工质泵；8、室内换热器；9、冰雪层；10、冻土层；11、地下换热器；12、室外换热器；13、膨胀发电机。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

除特别说明，本发明中提到的设备和材料均为市售。

实施例1：

如图1～3所示，基地4的外部设置有基地围护3，基地围护3外部设置有可拆卸的保温结构，保温结构由若干个保温容器1组成，在此实施例中保温容器1为20个，保温容器1的数量根据基地的面积和实际需要的热量来决定。各个保温容器1以模块化方式进行排列，保温容器1内的工质为相变工质2，相变工质可以选择冰点温度为0℃或者稍低一点温度的物质，只要能实现保温效果即可，在本实施例中相变工质2为水。保温容器1放置在基地围护3周围，可以有效降低基地4的固有散热，同时可以利用与周围环境温差进行发电。在夏季拆掉外壳，将固体相变工质拖拽到海边的容器进行换热成液体后，在秋季用桶或者泵将液体重新注入保温结构中。在冬季来临前，将升温后的保温容器1(相变工质运输到海边时为固体，运回时为液体)重新运输回基地并进行定位和保温，将相变工质2作为热源，大气作为冷源进行温差发电或供暖，提供基地的用能，提供生产生活能耗，温差发电是通过半导体发电板等进行发电。该建设方式是将夏季海洋热能存储转移到基地，在冬季进行应用，实现跨季节移动蓄能利用。

本实施例中也可以将保温容器1固定在基地4，夏季打开保温结构将相变工质2运输到海边吸收热量升温，冬季前运回基地重新注入保温容器1内(如果为相变工质，则运输到海边的为固体，运回的为液体)。

还可以在保温容器1中设置换热器，冬季直接通过间接换热方式对基地内部供暖。保温结构外部也可以设置有利用环境和工质温差进行发电的第一半导体发电装置。

除了采用季节性蓄能利用进行节能，同时采用地热方式全年对当地能源进行应用，在南极冻土层较厚，考虑到冬季严酷环境下生产生活受限，人员活动量小，所需能耗量可能不大，且其所需要温度不需要太高，可以直接从地下引入冻土层10下面引入地热，并直接在室内换热。

在基地4内部和基地4外部分别设置有室内换热器8和室外换热器12，基地4内部的冻土层10厚度以下设置有地下换热器11，地下换热器11管道内设置有低温防冻液体，地下换热器11一端与室外换热器12通过管道连通，另一端与室内换热器8通过管道连通，地下换热器11与室外换热器12之间设置有工质泵7，室外换热器12与膨胀发电机13连接，室内换热器8与膨胀发电机13连接。地下换热器11设置于基地冻土层10以下，冰雪层9位于冻土层10上部。室外换热器12与第二半导体发电装置连接。低温防冻液体选自液氮、液氧和二氧化碳中的一种，在本实施例中低温防冻液体为液氮。

从冻土层10下面吸热的低温防冻液体首先进入到室内换热器8进行供暖，然后进入膨胀发电机13做功发电后进入室外换热器12，降温后的低温防冻液体最后由工质泵7加压后送入地下换热器11换热，进行循环。另外一种供暖发电联合循环方式为用工质泵7将冻土层10下面的地下换热器11中吸热的低温防冻液体抽送到室内换热器8后进供暖，然后进入到与环境空气组成半导体温差发电的室外换热器12进行换热后再次进入地下换热器11组成一个循环。

也可以不经过室内换热直接与室外环境空气组成半导体温差发电，这种方式需要的地热温度不需很高，经过管道散热后采用低温防冻液作为工质。地热利用的另外一种方式是在基地保温围护靠近室外侧添加一些循环管道，从地下吸热的循环工质流过管道，加热周边维护，减少室内散热温差，降低室内散热量。

在极地建立的科考基地分布广泛，有的在近海，有的远离海洋，其冬季的周边环境温度等天气状况也有很大差别。因此对以上几种当地能源利用途径可以进行选择性、侧重性应用，从而减少对外来能源的依赖。如果在濒临海边地区，可以通过管道和泵对海水进行直接循环热利用，类似地热利用途径。

在基地室内底部小空间具有热管换热器6或者其他类型换热器，连接到半导体发电片5，冷端与室外环境连接，通过室内外温差产生电力。或者不采用换热器，因为室内外温差足够大，直接在墙体中埋设半导体发电片进行温差发电。这种方式通过减少小部分室内热量生产电力以供应低限度生活用电。

通过对当地能源的充分利用，实现基地节能减排的同时可以提供在外部能源意外缺乏时的基地能源安全保障。

以上对本发明提供的适用于极地的节能型基地进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于极地的节能型基地，其特征在于，在基地外部设置有可拆卸的保温结构，保温结构内设置有工质，在基地内部和基地外部分别设置有室内换热器和室外换热器，基地内部的冻土层厚度以下设置有地下换热器，所述的地下换热器管道内设置有低温防冻液体，所述的地下换热器一端与室外换热器通过管道连通，另一端与室内换热器通过管道连通，所述的地下换热器与室外换热器之间设置有工质泵，所述的室外换热器与膨胀发电机连接，所述的室内换热器与膨胀发电机连接；所述的保温结构由若干个保温容器组成，各个保温容器以模块化方式进行排列，保温容器内的工质为相变工质，相变工质为水，保温容器放置在基地围护周围，在夏季拆掉保温容器的外壳，将固体相变工质拖拽到海边的容器进行换热成液体后，在秋季将液体相变工质重新注入保温结构中，在冬季来临前，将升温后的保温容器重新运输回基地并进行定位和保温，将相变工质作为热源，大气作为冷源进行温差发电或供暖；在基地室内底部小空间具有热管换热器或者其他类型换热器，连接到半导体发电片，冷端与室外环境连接，通过室内外温差产生电力。

2.根据权利要求1所述的适用于极地的节能型基地，其特征在于：所述的地下换热器内的低温防冻液体选自液氮、液氧和二氧化碳中的一种。

3.根据权利要求1所述的适用于极地的节能型基地，其特征在于：所述的保温结构外部设置有利用环境和工质温差进行发电的第一半导体发电装置。

4.根据权利要求1所述的适用于极地的节能型基地，其特征在于：所述的室外换热器与第二半导体发电装置连接。