CN108518894B - 储能式地埋管换热系统 - Google Patents

Abstract

储能式地埋管换热系统，其特征在于：包括储能式地埋管阵列(1)、快速置换子系统(2)、换热子系统(3)；通过提高地埋管的储能量增强地埋管换热器的换热能力和适应能力，并通过对储能式地埋管阵列的合理调度实现对储能式地埋管换热能力最优化利用，保障系统连续、高效的运行。

Description

储能式地埋管换热系统

技术领域

本发明涉及一种地埋管换热系统，通过提高地埋管的储能量增强地埋管换热器的换热能力和适应能力，并通过对地埋管阵列的合理调度实现地埋管换热能力最优化利用，保障系统连续、高效的运行，属于热泵或暖通空调系统设计和制造的技术领域。

背景技术

建筑能耗是指建筑使用过程中的能耗，包括采暖、空调、照明、热水、家用电器和其他动力能耗。其中，以采暖和空调能耗为主，占建筑总能耗的50%至70%。设计节能建筑的暖通空调系统，如何减少一次高品位能的利用是一个关键性技术问题。利用在土壤、太阳能、水、空气中的低品位热能无疑是一种成功的节能措施，热泵技术是目前实现这一目标的最佳选择。

现有地源热泵系统主要可分为地下水水源热泵、地表水水源热泵、地埋管地源热泵，其中：

地下水地源热泵，对所在地地质条件有一定的要求，并且涉及到地下水的取用和回灌，存在回灌困难、容易污染地下水等问题，应用范围受到限制；

地表水地源热泵，通常是利用地表水体进行热交换，由于地表水受环境温度影响较大，该类系统换热效率偏低；

地埋管地源热泵，是利用地表浅层中蓄存的低品位热能（地下岩土体、地下水）作为热源，冬季热泵从浅层的土壤中取热，用于建筑供暖，同时蓄存冷量以备夏用；夏季热泵逆向运行，将建筑物内的热量转移到地下对建筑进行降温，同时蓄存热量以备冬用，因此这是一种典型的可以再生的能源。优点是技术成熟；热泵运行高效、稳定，对周围环境影响较小，维护费用低。缺点是：地下埋管内的载能流体与管外的岩土体之间的换热系数小，能流密度低，因此系统将占据较大的地下和地上空间，初始投资较高。

地埋管地源热泵的埋管方式包括水平埋管、垂直单U形管、垂直双U形管、垂直套管、桩基埋管等等。现有的研究方向多集中于如何提高地埋管的换热效率，但并不能彻底解决问题。

以下，选取较为常用的三种换热结构（垂直U形管地埋管换热器、垂直套管式地埋管换热器和地下水水源换热井）为例，进行对比分析：

由此可见，垂直套管式地埋管换热器的换热性能比垂直U形管地埋管换热器好很多，从表面上看是由于套管式换热器外管采用了导热性较好的材料、换热效率更高，但更深层次的原因是：套管式换热器的直径远远大于U形管，因此换热管的辐射半径更大、实际参与热交换的地下岩土体体积更大、从而获得了更好的持续换热能力，使得垂直套管式换热器的总体换热性能优于垂直U形管地下换热器。

对于地下水地源热泵而言，地下水体即是一个巨大的能量载体、其承载能力远远超出对应建筑的日负荷量，并且地下水体可以与周围环境不断的进行热交换，使得地下水体的平均温度可以维持与其所处的地下环境相近似，因此正常状态下利用地下水体进行换热时换热性能非常理想。

由于地下水地源热泵的使用受到地质条件的限制和地下水保护政策的影响，实际应用范围受到限制。地埋管地源热泵逐渐成为地源热泵系统的主流，因此提高地埋管换热器的性能显得尤为重要。

现有的地埋管换热器的设计工况为“实时换热工况”、即主要通过换热介质循环流过地埋管并从周围的地下岩土体中吸取能量。其中，实时换热量指标非常重要，因此通常会采用提高地埋管管壁及周围回填材料的导热系数、增加循环流量、制造紊流等方法提高实时换热量、并要尽量防止热短路现象的发生。但是，地下岩土体的导热系数偏低、换热能力有限，所以上述方法并不能从根本上改变地埋管换热器能流密度低的弱点；并且，当应用系统负荷发生变化时，会对地埋管区域的换热效率产生限制（例如系统处于无负荷暂停运行状态时，地埋管区域的换热量也逐渐趋向于零），这也在一定程度上降低了总体换热效率。

综上所述，现有的地埋管换热器，主要存在以下问题有待解决：

1、能流密度低，由于采用实时换热的运行模式、地下岩土体换热能力偏低的弱点影响系统的性能，地下空间的实际利用效率以地埋管为中心轴向自内而外逐步降低，所在区域的温度场差异较大、不能均衡使用，导致地下空间的整体有效利用率不高；

2、地埋管的实时换热量必须与系统的实时负荷相匹配，尤其为满足尖峰负荷需求、被迫采用增加埋管总数量或者降低系统运行效率的手段以换取更大的实时换热量；或者需要配备其他类型的冷/热源；

3、源侧持续供给能力不足：由于地埋管的直径较小，因此所能快速辐射到的半径小，该半径内的地下岩土体所提供的能量通常只能满足50-100%的系统最大日负荷量，而多项研究表明在持续工作条件下地埋管总换热量增加幅度缩小、换热效率下降，系统能耗升高；

4、由于受到空间限制，没有足够的空间实施地埋管，因此地埋管地源热泵系统通常不能独立应用于容积率高于2倍的建筑中；极大的限制了地埋管地源热泵的应用范围。

参考资料：

1．桩基地热能利用技术规程（行业标准征求意见稿） 2017年；

2．套管式地源热泵技术在酒店建筑中的应用 作者：胡志高 等，

制冷与空调2016年第16卷第8期 2016年8月 68-69页；

3．土壤源热泵地埋管传热强化研究现状及其发展 作者：朱洁莲 等，

制冷与空调2013年第27卷第5期 2013年10月 488-493页；

4．跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性 作者：杨卫波 等，

东南大学学报（自然科学版）2010年第40卷第5期 2010年9月 973-978页；

5．上海世博轴工程空调冷热源系统设计 作者：吴玲红等，

制冷技术2010年增刊 50-54页；

6. 雄县地热资源勘查开发规划 地热能2006年第4期 18-26页。

发明内容

针对现有地埋管换热器的问题，发明人认为可以从以下两方面入手，解决地埋管的换热性能问题：

第一，大幅度增加地埋管的横截面面积，使得地埋管的辐射半径增大，即可以与更大范围的周围的地下岩土体环境进行热交换；

第二，大幅度增加换热系统中换热介质（通常为水）在地下的存储量，以换热性能优良的换热介质作为能量载体，一方面换热介质可以与应用系统进行快速的热交换、并可实现大温差运行；另一方面可以长时间保持换热介质与更大范围的地下岩土体环境之间的互相作用，使得换热介质能够持续不断与周围的地下岩土体土壤环境进行热交换；

而上述两点，通过本发明方案的大直径储能式地埋管即可完全实现。

具体的，本发明的储能式地埋管换热系统，包括储能式地埋管阵列、快速置换子系统、换热子系统；如图1所示，其中：

储能式地埋管阵列由若干个储能式地埋管组合而成，所述的储能式地埋管为中空结构，底部密封、内部空间储存换热介质；

快速置换子系统中包括快速抽取装置和回灌装置，快速抽取装置用于将储能式地埋管中的换热介质快速抽取出来；抽取出来的换热介质通过管路输送到换热子系统进行热交换；完成热交换之后的换热介质再通过管路输送到回灌装置，由回灌装置将已完成热交换的换热介质回灌到储能式地埋管中储存；

换热子系统的一端与储能式地埋管换热系统连接、另一端与应用系统连接，换热子系统用于实现储能式地埋管换热系统与应用系统之间的热交换；

储能式地埋管换热系统运行时，所述的储能式地埋管的运行分为快速置换过程和缓慢恢复过程，上述两个过程为交替运行；其中，快速置换过程运行持续的时间周期相对较短、缓慢恢复过程运行持续的时间周期相对较长；各个储能式地埋管依次进入快速置换过程，在任意的运行时间点上，只有少量的储能式地埋管处于快速置换过程中，而其他大部分的储能式地埋管则处于缓慢恢复过程中；其中：

在快速置换过程中，换热介质处于循环状态，由快速抽取装置将储能式地埋管中的换热介质抽取出来、并通过管路输送到换热子系统进行热交换；再通过回灌装置将已完成热交换的换热介质回灌到储能式地埋管中；即通过抽取动作和回灌动作，在一个相对较短的时间周期内，对储能式地埋管内的换热介质进行一次置换、使得置换后的换热介质与周围环境的温差变大；

在缓慢恢复过程中，已完成置换的换热介质5储存在储能式地埋管1a之中并处于非循环状态，在一个相对较长的时间周期内，储能式地埋管1a中的换热介质5与周围的地下岩土体进行热交换，使得换热介质5与周围环境的温差逐渐缩小、从而实现循环利用。

其中，为通过缓慢恢复过程实现储能式地埋管中的换热介质与周围的地下岩土体进行充分的热交换，缓慢恢复过程运行持续的时间周期设定为不小于8小时；因此，在任意的运行时间点上，处于快速置换过程的储能式地埋管和处于缓慢恢复过程的储能式地埋管的体量比值通常为小于1：10。

在此，需要指出的是，现有的地埋管换热器中也存在换热介质，但该换热介质的作用仅在于循环换热，非循环状态下换热能力很低、不具备储备冷/热量的功能。

为解决现有的地埋管换热器的性能问题，本发明采用大直径的储能式地埋管，与现有的地埋管的设计不同，对于储能式地埋管而言增加横截面面积并扩大可利用的内腔容积是本方案的重点；但是内腔横截面面积也不宜过大，因为内腔横截面面积过大会导致制造和施工成本的增加以及地埋管阵列的灵活性降低。因此，所述储能式地埋管中用于储存换热介质的内部空腔主体的横截面面积设定为不小于0.03平方米、不大于0.5平方米。

所述的换热子系统通常为闭式系统、也可以是开式系统；换热模式可以采用直接换热模式或间接换热模式。

以下阐述本发明的技术方案的原理：

第一，本方案主要是利用储能式地埋管中储存的换热介质在合理的运行温差（约为10-25K温差）所携带的显热能量作为应用系统的基础能量来源，因此，本方案的前提条件是要大幅的增加地埋管的内部容积并储存足够体量的换热介质，以便于应用系统能够持续稳定的从储能式地埋管的换热介质中提取能量。由于快速置换过程持续时间很短，因此基本可以忽略地埋管内部热短路现象造成的不利影响；

第二，大部分时间中储能式地埋管内部的换热介质处于非循环状态，该过程中换热介质主要通过热传导和热辐射的方式与周围的地下岩土体进行持续的热交换；由于储能式地埋管设计为更大的横截面面积，使得储能式地埋管能够与更大空间范围的地下岩土体进行热交换，经过缓慢恢复过程、即长达8-24小时或者更长的时间周期，足以完成充分换热过程、而该过程也构成本发明特有的“延时换热工况”、由现有的“实时换热工况”所引发的各种问题都可以迎刃而解。在此过程中，无论应用系统负荷如何波动，都不会影响地埋管区域的换热效率。此时，对地埋管管壁的厚度、管壁材料的导热系数等要求比较宽松，其导热系数只需要不明显低于周围地下岩土体及环境的导热系数即可。

地埋管与周围地下岩土体及环境的温差是影响地埋管换热器换热效率的重要因素。现有技术的地埋管换热器“实时换热”的特点是：在一次持续的地埋管换热过程中，初期换热效率较高、然后逐渐衰减、持续时间越长衰减越大。另一方面，实时换热对换热效率的要求比较严格、阶段性的换热效率过高起不到有益的作用、阶段性的换热效率过低则会产生严重的影响。而“延时换热”与“实时换热”最大的区别在于：延时换热对换热效率的要求比较宽松，既可以充分利用阶段性较大温差的高效率的换热段、也不会浪费阶段性的较小温差的低效率的换热段。

综上所述，本发明的技术方案的特点是：首先，通过增加地埋管的截面积，提升其与周围空间热交换的潜在能力；然后，通过延长换热持续的时间，最大限度的将这种潜在能力转换成换热器系统的实际换热能力；最终，该换热器系统获得了比现有系统更高的换热能力，并切实的实现了大温差运行。

简而言之，本发明的技术方案就是通过储能式地埋管阵列在地下空间内形成有较大容积、均匀分布、易于提取的人造封闭式地下水体，更有效的与空间内的地下岩土体进行热交换。再通过适当的运行调度（快速置换与缓慢恢复相结合），使得储能式地埋管阵列换热器能够达到甚至超过地下水水源换热器的换热能力和使用效果。

在此，将应用系统设定为热泵系统做举例说明，以储能式地埋管阵列为热泵系统的低位冷/热源、由热泵进行制冷/制热，为建筑物提供冷/热量。该系统中，只有当储能式地埋管处于快速置换过程时，才能够为热泵系统提供低品位的冷/热量、再由热泵系统输出相对较高品位的冷/热量。对于每个储能式地埋管，若快速置换过程持续时间为10分钟（即1/6小时）、缓慢恢复过程持续时间为12小时，那么为保证全天每个时刻至少有一个储能式地埋管处于快速置换过程，则大概需要由12÷（1/6）=72根储能式地埋管共同构成储能式地埋管阵列。因此，该方案也更适合规模较大的建筑物。运行过程中，处于快速置换过程的储能式地埋管和处于缓慢恢复过程的储能式地埋管的体量比值约为1：72。

优选的，所述的储能式地埋管换热系统为封闭式系统、即换热介质在系统中闭式循环，但由于部分储能式地埋管可能存在空置的状态、系统中有部分空气存在。因此储能式地埋管换热系统中应设置有滤除氧气的过滤装置，以降低整个系统中的空气和换热介质之中的氧气含量，消除氧气对系统运行的不利影响。其中，所述的滤除氧气的过滤装置为公知的装置，可以分别滤除空气中的氧气和换热介质中的氧气。

本发明的有益效果是：

1、换热温差大，循环流量小，系统效率高；

2、快速置换过程中，换热介质的循环交换为快速完成，可以忽略内部热短路的影响；

3、缓慢恢复过程中，通过设置较长的恢复周期，使得换热介质可以与周围地下环境充分进行热交换，克服了地埋管能流密度低的弱点、通过长时间换热弥补换热量的缺口；

4、储能式地埋管口径大、因此与地层热交换时的辐射半径大幅增加，因此储能式地埋管能与更大空间范围的地下岩土体进行热交换，而该空间范围的地下岩土体所提供的能量远远高于系统每日的日负荷量，因此地下温度场的温度波动更平缓、更均匀、最终可以提高埋管区域内地下空间的总体利用效率；

5、由延时换热模式替代实时换热模式，可以应对波动较剧烈的尖峰负荷，不需要特意为满足尖峰负荷而增加地埋管数量、也不需要额外设置辅助冷/热源；

6、由于储能式地埋管支持大温差运行，因此蓄能的成本很低；通过跨季节蓄能或谷电时段蓄能等技术手段，可以克服现有地埋管系统需要冬夏两季交替使用的限制，可以适应严寒地区或炎热地区以单季节使用为主的应用；并且使得地埋管地源热泵系统可以应用于容积率为2倍或更高容积率的大型建筑体之中。

附图说明

附图1：本发明的储能式地埋管换热系统结构图；

附图2：本发明的包括回路切换装置和缓冲池的储能式地埋管换热系统结构图；

附图3：本发明的典型的制冷工况运行原理图；

附图4：本发明的典型的制热工况运行原理图；

附图5：本发明的谷电蓄能复合系统的蓄冷运行原理图；

附图6：本发明的谷电蓄能复合系统的蓄热运行原理图；

附图7：本发明的地表水复合系统的制冷运行原理图；

附图8：本发明的地表水复合系统的制热运行原理图；

附图9：本发明的地表水复合系统的蓄冷运行原理图；

附图10：本发明的地表水复合系统的蓄热运行原理图；

附图11：本发明的自然热源复合系统的制热季前的蓄热工况运行原理图；

附图12：本发明的自然热源复合系统的制热季中的补充蓄热工况运行原理图；

附图13：本发明的自然热源复合系统的制热季中的联合运行工况运行原理图。

具体实施方式

以下，结合实施例及附图对本发明的方案进行进一步说明。

实施例1：

本实施例重点介绍本发明的具体结构、运行模式和特点。

如图3所示，为本发明的典型的制冷工况，其中应用系统4为热泵系统：

夏季：地下岩土体温度的初始值为T1=18℃；此时，储能式地埋管1a中的换热介质5的温度通常为略高于周围地下岩土体的温度；

通过快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来，抽取温度约为21℃；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换、换热子系统3另一侧连接到应用系统4（热泵系统），应用系统4（热泵系统）输出端的供回水温度为7℃/12℃；完成热交换之后的换热介质5的温度升高为35℃、再通过管路输送到回灌装置2b，由回灌装置2b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中储存；经过12-24小时恢复期换热介质5的温度恢复至21℃左右，即可循环使用；

最终地下岩土体温度逐渐升高为26℃左右；经过过渡季节后，地下岩土体初始温度恢复为22℃左右。

如图4所示，为本发明的典型的制热工况，其中应用系统4为热泵系统：

冬季：地下岩土体温度的初始值为T1=22℃；此时，储能式地埋管1a中的换热介质5的温度通常为略低于周围地下岩土体的温度；

通过快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来，抽取温度约为19℃；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换、换热子系统3另一侧连接到应用系统4（热泵系统），应用系统4（热泵系统）输出端的供回水温度为45℃/40℃；完成热交换之后的换热介质5的温度下降为5℃、再通过管路输送到回灌装置2b，由回灌装置2b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中储存；经过12-24小时恢复期换热介质5的温度恢复至19℃左右，即可循环使用；

最终地下岩土体温度逐渐下降为14℃左右；经过过渡季节后，地下岩土体初始温度恢复为18℃左右，并依此循环使用。

进一步的，由于热泵系统的输入端采用大温差运行，温差约为15-20K，因此宜采用多级热泵串联的技术手段提高系统效率，该技术手段为现有技术。

进一步的，如图2所示，储能式地埋管换热系统中还包括回路切换装置6；回路切换装置6分别连接各个储能式地埋管1a、形成不同的分支回路；通过回路切换装置6实现对各个储能式地埋管1a的连接切换。

所述的回路切换装置6包括分水器6a和集水器6b；分水器6a和集水器6b分别通过管路连接各个储能式地埋管1a、形成不同的分支回路；分水器6a或/和集水器6b中包含对各个分支回路进行通断控制的阀门或开关。其中，分水器6a与快速抽取装置2a相连接、集水器6b与回灌装置2b相连接。

由于每次储能式地埋管的快速置换过程所用时间是基本固定的，也就是说从储能式地埋管中抽取换热介质的速度是基本固定的；因此在设定抽取换热介质的速度时应参照应用系统4的峰值负荷进行设定，有利于系统的平稳运行和降低能耗。另外，对于回灌换热介质的速度没有特定的要求，可根据实际运行情况进行调整。

系统应进行合理调度，依次对于埋管阵列中不同的储能式地埋管进行抽取和回灌，以保证各个储能式地埋管按顺序依次进入缓慢恢复过程，且各个储能式地埋管的缓慢恢复过程持续时间基本相同。

当储能式地埋管1a处于快速置换过程时，抽取换热介质5和回灌换热介质5的方法分为以下两种：

第一，抽灌合一：从储能式地埋管1a的出水口抽取换热介质5，同时在储能式地埋管1a的回水口将已完成热交换的换热介质5的回灌到储能式地埋管1a中；该过程中，抽取动作和回灌动作对应的是同一个储能式地埋管1a，该储能式地埋管1a中的换热介质总数量基本不变；

当一次抽灌合一过程的总流量接近对应的储能式地埋管1a中储存的换热介质5总量时，即应该暂停抽取和回灌动作，并通过回路切换装置切换到下一个储能式地埋管再继续进行抽取和回灌；

当一次抽灌合一过程的总流量接近或超过对应的储能式地埋管1a中换热介质5的总量时，即有可能将刚刚回灌的换热介质5重新抽取出来、从而导致换热效率陡降；对此，可以通过监测抽灌流量、或监测抽取的换热介质5温度的方式进行判断；

第二，抽灌分离：将储能式地埋管1a的状态分为充满状态和空置状态，一方面从处于充满状态的储能式地埋管1a中抽取换热介质5，当储能式地埋管1a中换热介质5抽取完毕后、即该储能式地埋管1a变为空置状态；另一方面，将已完成热交换的换热介质5回灌到处于空置状态的储能式地埋管1a中、当储能式地埋管1a中换热介质5回灌完毕后、即该储能式地埋管1a变为充满状态；抽取动作和回灌动作对应的是不同的储能式地埋管1a；其中并不排除抽取过程中地埋管底部残留有少量换热介质。

需要指出的是，抽灌分离的运行方式是比较理想的，采用该方式完全克服了地埋管内部换热介质热短路的问题；同时，应适当缩短每次快速抽取过程所用的时间（尤其对于抽灌合一方式），以增强系统的灵活性。

进一步的，由于应用系统4的负荷是不断波动的，并且系统大部分时间是运行在部分负荷状态下，此时相对固定的抽取速度与波动的应用系统4的负荷之间必然存在匹配差异。因此，在系统中设置缓冲池，缓冲池7起到缓冲的作用，能够降低储能式地埋管阵列1与应用系统4之间的耦合度。为解决该问题，将快速置换子系统2以缓冲池7为中介与换热子系统3间接连接，所述的缓冲池7为前端缓冲池7a、后端缓冲池7b或者以上两者的组合，其中，前端缓冲池7a用于与快速抽取装置2a相连接、后端缓冲池7b用于与回灌装置2b相连接。

需要指出的是，对于采用“实时换热”模式的现有系统而言，设置缓冲池是没有意义的。但对于采用“延时换热”模式的本发明而言，储能式地埋管阵列1和应用系统4两者的运行过程是相对独立的，因此设置缓冲池是很有必要的。

如图2所示，从储能式地埋管1a中提取出来的换热介质5首先进入前端缓冲池7a，换热介质5由前端缓冲池7a进入换热子系统3进行热交换；已完成热交换的换热介质5再输送到后端缓冲池7b中，再通过后端缓冲池7b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中。

通过缓冲池7，可以将换热介质5的抽取动作和回灌动作拆分为两个相对独立的动作，从而有利于实现大温差运行。

在使用缓冲池的情况下，可以通过“通断时间法”进行控制，即通过分别调节抽取介质操作和回灌介质操作的通断时间周期进行控制，具体如下：

首先通过传感器对缓冲池中的介质数量进行监测，并设置警戒上限和警戒下限；

在运行过程中，监测前端缓冲池的换热介质存量，当前端缓冲池内的换热介质数量逐渐增多并达到警戒上限时中断抽取换热介质的操作；每次中断抽取换热介质的操作的时间点应设定在当前储能式地埋管抽取完成、并准备切换到新的储能式地埋管执行抽取操作之时；当前端缓冲池内的换热介质数量逐渐减少并达到警戒下限时，再从中断点处恢复执行抽取操作；

同时监测后端缓冲池的换热介质存量，当后端缓冲池中换热介质数量逐渐减少并达到警戒下限时则应中断回灌操作；当后端缓冲池内的介质数量逐渐增加、达到警戒上限后，再从中断点处恢复执行回灌操作；该中断回灌换热介质的操作对于中断的时间点没有特殊要求。

实施例2：

现有技术中，建筑区域中适合实施地埋管的区域不足是很大的问题，因此产生了利用建筑桩基实施桩基埋管的方案，即能源桩系统。能源桩是指在建筑物的基础桩（或地下连续墙）中埋设闭合换热管路，与岩土体进行热交换，同时承担结构和传热双重功能的桩基（详见参考资料1）。

与现有的能源桩系统相似，利用桩基来实现本发明的储能式地埋管是一举两得的方案、也是本发明实施的一种重要途径。因此，本实施例采用预应力管桩作为储能式地埋管1a，使得预应力管桩同时具备建筑支撑结构和传热双重功能。

在现有的预应力管桩的基础上，应加强管桩底部、各节管桩连接处的密封措施，使其形成一个较为稳定的储存容器。当预应力管桩具有换热功能时，对其原有的支撑能力可能造成负面的影响，因此、可以利用建筑物的非关键部位（如裙楼部分）的预应力管桩来实施，同时也可以适当增加管桩的数量；一方面能够降低单个管桩的承重、增加安全系数；另一方面增加管桩的数量更可以符合地埋管换热器的部署密度的要求，从而更有效利的用地下空间进行热交换。

本发明与现有的能源桩的不同点在于：

能源桩中的桩基为实心结构，由循环介质通过桩内埋管与邻近的换热性能较好的回填区域进行热交换，然后再由回填区域与周围的地下岩土体空间进行热交换；这两个换热过程中前者速度较快、后者速度较慢；其缺点在于，两次换热过程会导致能源品位的下降；桩内埋管管径小，进回水温差较小（通常为5K以内）、循环输配能耗高；并且桩基内埋管和回填的步骤也会增加工程造价。

本发明的储能式地埋管中的桩基为空心结构，换热介质直接注入管桩之中、并与周围的地下岩土体空间进行热交换；其优点在于，只有一次热交换的过程、能源利用率高、有利于降低主机能耗；进回水温差大（通常为15-25K）、且回灌过程基本不耗能、因此输配能耗低；并且由于无须回填操作所以工程造价更低。

以参考资料5所述的“上海世博轴工程”为例，其中写到：“基地面积约132200㎡,总建筑面积约251100㎡”；“根据计算,在夏季供冷工况下,地埋管地源热泵系统所能提供的冷量约为夏季计算冷负荷的30%, 其余70%的冷量则由江水源热泵和冷水机组系统承担。”。

由此可计算出该建筑容积率约为1.9，而在此情况下，采用灌注桩埋管的方式，地埋管地源热泵系统只能承担30%的制冷负荷。以下对灌注桩埋管的换热能力与本发明的储能式管桩的换热能力进行对比分析。

现有的灌注桩埋管：桩基深度30m，延米换热量取80w/m；通常情况下，单日最大换热能力约等于10小时的满负荷换热量；由此计算出，每日最大换热量为：

30m×0.08kw/m×10h=24kwh。

本发明的储能式管桩：桩基深度30m，内腔直径约为0.4m，则内部容积约为3.76m³；

若单次换热温差为15K、缓慢恢复过程设为24小时，则单日换热能力为：

3.76m³×(4.2MJ/(m³·K))×15K÷(3.6MJ/kwh)≈66kwh；

若单次换热温差为10K、缓慢恢复过程设为12小时，则单日换热能力为：

3.76m³×(4.2MJ/(m³·K))×10K×2÷(3.6MJ/kwh)≈87kwh。

由此可见，若上海世博轴工程采用储能式管桩方案，则无须与江水源热泵系统复合使用，仅利用基于储能式管桩的地埋管地源热泵系统在换热能力方面足以满足应用要求。即，本发明的技术方案可以适用于容积率约为2倍的大型建筑。

需要指出的是，上述方案仍存在两个问题需要进行具体分析：

第一，通过缓慢恢复过程8-24小时的周期，是否能使得储能式管桩内部的换热介质与地下空间环境充分进行热交换以实现10-15K的运行温差；对于这个问题，不同地质条件的地下空间环境的换热性能会有所差异、需要具体分析、处理，但总体上是可以实现的；

第二，虽然储能式管桩的换热能力增强了，但是可以用于换热的地下空间体量并没有显著增加、甚至可能会减少（因为管桩的埋深比常规地埋管浅、但可利用的埋管区域面积较大），因此有可能出现冷堆积或热堆积的问题；对于这个问题，由于储能式管桩的直径大、经过换热过程后地下温度场的分布比较均匀，不会像现有地埋管系统出现温度场沿轴向显著的梯级分布的现象，因此对于地下空间的换热能力是有所提升的、整体利用率较高；但是，仍然有可能存在一些隐患，该问题可以通过下面几个实施例中介绍的复合系统得以解决。

为了扩大地埋管地源热泵系统的应用范围，解决地埋管换热系统固有的问题和局限，需要采用复合能源系统。而充分利用储能式地埋管阵列的特性和优势（支持大温差运行、地埋管可用的恢复周期长、既可正向恢复也可逆向恢复），可以实现高效率的复合系统。以下，在实施例3-5中，分别介绍三种不同的复合系统。

实施例3：

本实施例为由储能式地埋管换热系统与谷电蓄能相结合构成谷电蓄能复合系统：

该系统包括储能式地埋管阵列1、快速置换子系统2、换热子系统3、谷电制冷/制热系统8；所述的谷电制冷/制热系统8为风冷热泵机组、水冷热泵机组或电加热机组。

谷电制冷/制热系统8在谷电时段运行对储能式地埋管阵列1及地下岩土体进行能量补给，谷电制冷/制热系统8运行时储能式地埋管阵列1通过快速置换子系统2和换热子系统3与谷电制冷/制热系统8连接，谷电制冷/制热系统8在制冷季中运行蓄冷模式、在制热季中运行蓄热模式：

在制冷季中，由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3；换热子系统3另一侧与谷电制冷/制热系统8连接，由谷电制冷/制热系统8对换热介质5进行冷却；完成冷却之后的换热介质5再通过管路输送到回灌装置2b，由回灌装置2b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中储存；此时，换热介质5的温度转变为低于周围地下岩土体的环境温度，在此之后的缓慢恢复过程中，换热介质5通过储能式地埋管1a 从周围地下岩土体吸热，即形成反向热交换过程；通过反向热交换过程，使得地下岩土体的温度场得以修复、以储存冷量备用；由此，系统运行制冷模式时，从储能式地埋管1a中提取出来的换热介质5的温度也将变低，从而提升应用系统4的制冷能力和效率。

在制热季中，由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3；换热子系统3另一侧与谷电制冷/制热系统8连接，由谷电制冷/制热系统8对换热介质5进行加热；完成加热之后的换热介质5再通过管路输送到回灌装置2b，由回灌装置2b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中储存；此时，换热介质5的温度转变为高于周围地下岩土体的环境温度，在此之后的缓慢恢复过程中，换热介质5通过储能式地埋管1a向周围地下岩土体排热，即形成反向热交换过程；通过反向热交换过程，使得地下岩土体的温度场得以修复、以储存热量备用；由此，系统运行制热模式时，从储能式地埋管1a中提取出来的换热介质5的温度也将变高，从而提升应用系统4的制热能力和效率。

以下结合实施例1进行举例说明：

如图5所示，为本实施例的蓄冷工况：

在制冷季中，首先运行图3所示的实施例1中的制冷工况；

在谷电时段中，通过快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来，此时储能式地埋管1a中的换热介质5已经过一段时间的恢复、抽取温度约为30-33℃；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换、换热子系统3另一侧连接到谷电制冷/制热系统8，由谷电制冷/制热系统8对换热介质5进行冷却；完成热交换之后的换热介质5的温度下降为15-18℃、再通过管路输送到回灌装置2b，由回灌装置2b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中储存；再经过一段时间的反向恢复期换热介质5的温度恢复至21℃左右，即可循环使用；在此反向恢复期中，换热介质5不仅不向地下岩土体排热、还会从地下岩土体吸取部分热量，使得地下岩土体的温度场得以修复，以利于长期运行和应对尖峰负荷。

如图6所示，为本实施例的蓄热工况：

在制热季中，首先运行图4所示的实施例1中的制热工况；

在谷电时段中，通过快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来，此时储能式地埋管1a中的换热介质5已经过一段时间的恢复、抽取温度约为7-10℃；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换、换热子系统3另一侧连接到谷电制冷/制热系统8，由谷电制冷/制热系统8对换热介质5进行加热；完成热交换之后的换热介质5的温度上升为22-25℃、再通过管路输送到回灌装置2b，由回灌装置2b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中储存；再经过一段时间的反向恢复期换热介质5的温度恢复至19℃左右，即可循环使用；在此反向恢复期中，换热介质5不仅不向地下岩土体吸热、还会向地下岩土体排热，使得地下岩土体的温度场得以修复，以利于长期运行和应对尖峰负荷。

该方案的特点是，以储能式地埋管和谷电制冷/制热系统结合实现谷电时段储能；再以地下空间作为储能系统的外延，以有限的地埋管空间满足大规模储能的应用要求。因此，该系统不同于现有的谷电冰蓄冷系统和水蓄冷/蓄热系统等，其优点包括：

1、地下岩土体作为外延、不需要保温结构，并利用岩土体本身巨大的储能能力实现大规模的储能；

2、不仅可以蓄冷也可以蓄热；蓄冷的温度不需要很低、蓄热的温度不需要很高，系统灵活性好、适用面广；而现有蓄冷系统和蓄热系统受到成本、空间等因素的制约，体量不够巨大，通常只能通过拉大温差的方法进行弥补；

3、结合谷电蓄能的价格优势，该系统足以满足容积率为3-4倍的高密度建筑的应用需求，这样就极大的扩展了地埋管地源热泵系统的应用范围。

进一步的，若适当增加谷电制冷/制热系统8的运行温差，即可增加谷电时段的储能量，并使得储能式地埋管换热系统在常规运行模式中的运行温差提高到20-25K、甚至更高。

实施例4：

本实施例为由储能式地埋管换热系统与地表水体相结合构成地表水复合系统：

该系统包括储能式地埋管阵列1、快速置换子系统2、换热子系统3、地表水体9、地表水抽取装置9a、地表水排放装置9b；

该系统中，将地表水作为换热介质5、并在储能式地埋管1a中储存地表水；所述的地表水体9应具有较大的体量和自我恢复能力，可以是自然水体（江河湖海）或人造水体（如蓄水池、人工湖等）。

第一，在运行模式下，地表水抽取装置9a与回灌装置2b相连接、地表水排放装置9b与换热子系统3相连接；

在制冷季中，由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换；经过热交换之后的换热介质5的温度高于地表水体9的温度、同时地表水体9的温度高于地下空间的环境温度；此时，将经过热交换之后温度相对较高的换热介质5由换热子系统3输送到地表水排放装置9b再排放到地表水体9中；然后，通过地表水抽取装置9a将地表水体9中温度相对较低的地表水抽取并输送给回灌装置2b再回灌到储能式地埋管1a中；由此，一部分的热量被排放到地表水体9中，从而减少了向地下空间排放的热量；

在极端条件下，如环境温度处于最高的时间节点，地表水体的温度高于或接近于经过热交换之后的换热介质的温度，则应中断上述操作。

在制热季中，由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换；经过热交换之后的换热介质5的温度低于地表水体9的温度、同时地表水体9的温度低于地下空间的环境温度；此时，将经过热交换之后温度相对较低的换热介质5由换热子系统3输送到地表水排放装置9b再排放到地表水体9中；然后，通过地表水抽取装置9a将地表水体9中温度相对较高的地表水抽取并输送给回灌装置2b再回灌到储能式地埋管1a中；由此，一部分的冷量被排放到地表水体9中，从而减少了从地下空间抽取的热量；

在极端条件下，如环境温度处于最低的时间节点，地表水体的温度低于或接近于经过热交换之后的换热介质的温度，则应中断上述操作。

以下举例说明，如图7所示，为本实施例的制冷季地表水体联合运行工况：

在制冷季（夏季）中，地表水温度约为25-30℃；

首先，通过快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来，抽取温度约为21℃；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换、换热子系统3另一侧连接到应用系统4，应用系统4输出端的供回水温度为7℃/12℃；完成热交换之后的换热介质5的温度升高为35℃、再通过管路输送到地表水排放装置9b，由地表水排放装置9b将已完成热交换的换热介质5排放到地表水体中；同时，通过地表水抽取装置9a抽取地表水体9中的地表水作为换热介质5、地表水温度约为30℃，再通过管路输送到回灌装置2b、再由回灌装置2b将地表水回灌到储能式地埋管1a中储存；经过12-24小时恢复期换热介质5的温度恢复至21℃左右，即可循环使用；通过以上过程，降低了换热介质5向地下岩土体的排热量、可以缩短换热介质5的恢复周期，有利于系统的长期运行。

如图8所示，为本实施例的制热季地表水体联合运行工况：

在制热季（冬季）中，地表水温度约为10℃；

首先，通过快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来，抽取温度约为19℃；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换、换热子系统3另一侧连接到应用系统4，应用系统4输出端的供回水温度为45℃/40℃；完成热交换之后的换热介质5的温度下降为5℃、再通过管路输送到地表水排放装置9b，由地表水排放装置9b将已完成热交换的换热介质5排放到地表水体中；同时，通过地表水抽取装置9a抽取地表水体9中的地表水作为换热介质5、地表水温度约为10℃，再通过管路输送到回灌装置2b、再由回灌装置2b将地表水回灌到储能式地埋管1a中储存；经过12-24小时恢复期换热介质5的温度恢复至19℃左右，即可循环使用；通过以上过程，降低了换热介质5从地下岩土体的取热量、可以缩短换热介质5的恢复周期，有利于系统的长期运行。

第二，当应用系统4为单一功能的制冷系统或制热系统时，在应用系统4停用的时期（包括反季节和过渡季节）可以切换为储能模式，此时，地表水抽取装置9a与回灌装置2b相连接、地表水排放装置9b与快速抽取装置2a相连接；

对于单一功能的制冷系统，在应用系统4停用的时期，当地表水体9的温度低于地下空间的环境温度时启动储能模式：由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到地表水排放装置9b；然后，通过地表水抽取装置9a将地表水体9中温度相对较低的地表水抽取并输送给回灌装置2b再回灌到储能式地埋管1a中；经过缓慢恢复过程后，地下岩土体的温度逐渐降低；然后依此循环，从而储存冷量在下一个制冷季中使用；

对于单一功能的制热系统，在应用系统4停用的时期，当地表水体9的温度高于地下空间的环境温度时启动储能模式：由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到地表水排放装置9b；然后，通过地表水抽取装置9a将地表水体9中温度相对较高的地表水抽取并输送给回灌装置2b再回灌到储能式地埋管1a中；经过缓慢恢复过程后，地下岩土体的温度逐渐升高；然后依此循环，从而储存热量在下一个制热季中使用。

以下举例说明，如图9所示，为本实施例的单一功能的制冷系统非制冷季蓄冷工况：

对于单一功能的制冷系统，通常位于南方炎热地区，在制冷季运行之后，地下岩土体的温度约为26-30℃；若没有辅助手段，该系统长期运行势必造成严重的热堆积。

经过一段时间到冬季时，假设地下岩土体的温度恢复为25℃、地表水体的温度为10℃。

此时，由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5（温度约为22℃）快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到地表水排放装置9b；然后，通过地表水抽取装置9a将地表水体9中温度相对较低的地表水（温度约为10℃）抽取并输送给回灌装置2b再回灌到储能式地埋管1a中；经过缓慢恢复过程后，地下岩土体的温度逐渐下降；然后依此循环，从而储存冷量在下一个制冷季中使用。

如图10所示，为本实施例的单一功能的制热系统非制热季蓄热工况：

对于单一功能的制热系统，通常位于北方寒冷地区，在制热季运行之后，地下岩土体的温度约为5-8℃；若没有辅助手段，该系统长期运行势必造成严重的冷堆积。

经过一段时间到夏季时，假设地下岩土体的温度恢复为10℃、地表水体的温度为25℃。

此时，由快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5（温度约为13℃）快速抽取出来；抽取出来的换热介质5通过管路输送到地表水排放装置9b；然后，通过地表水抽取装置9a将地表水体9中温度相对较低的地表水（温度约为25℃）抽取并输送给回灌装置2b再回灌到储能式地埋管1a中；经过缓慢恢复过程后，地下岩土体的温度逐渐上升；然后依此循环，从而储存热量在下一个制热季中使用。

综上所述，通过跨季节的蓄冷或蓄热，至少可以使得地下岩土体的温度恢复3-5度，并且此过程所需要的水泵消耗也较低。

实施例5：

本实施例为由储能式地埋管换热系统与自然热源相结合构成自然热源复合系统：

自然热源用于供热系统，例如中深层地热资源（详见参考资料6）、利用方式包括直接取热水并回灌和取热不取水两种；其优点是能源品位高、出水温度可达40-80℃甚至更高；缺点是初始投资高、为提高资源利用率必须采取大温差运行。并且，由于季节内的负荷波动，系统长期运行在部分负荷的区间，资源未得到充分利用。

与此同时，寒冷地区及严寒地区地下浅层空间的温度偏低、并且多为单向制热应用，使得地埋管地源热泵系统很难有所作为。

将自然热源与储能式地埋管换热系统结合起来，则可以极大的提高自然热源的利用率、并拓展地埋管地源热泵系统在严寒地区的应用。

该系统包括储能式地埋管阵列1、快速置换子系统2、换热子系统3、自然热源10、自然热源供水装置10a、自然热源回水装置10b、自然热源供热系统4’；

在制热季之前的过渡季节中，首先通过快速抽取装置2a用于将储能式地埋管1a中的低温冷水快速抽取出来；同时启动自然热源10、由自然热源供水装置10a输出高温热水；自然热源供水装置10a与回灌装置2b相连接、将高温热水输送到储能式地埋管1a中储存；快速抽取装置2a与自然热源回水装置10b相连接，将低温冷水输送到自然热源10之中、并依此循环，使得地埋管周围区域的地下空间的环境温度逐步升高、以储存热量备用；

其中，当高温热水温度较高不宜直接进入储能式地埋管1a时，在系统中设置混水装置11，混水装置11的输入端分别与自然热源供水装置10a和快速抽取装置2a相连接，混水装置11的输出端与回灌装置2b相连接，由自然热源供水装置10a输出高温热水与快速抽取装置2a抽取的低温冷水混合降温后、再输送到回灌装置2b并回灌到储能式地埋管1a中储存；

在制热季中，由自然热源10通过自然热源供水装置10a和自然热源回水装置10b与自然热源供热系统4’相连接，由自然热源供热系统4’输出热量；再由储能式地埋管阵列1连接快速置换子系统2、换热子系统3和应用系统4，由应用系统4输出热量；根据热负荷的波动，由应用系统4和自然热源供热系统4’协同调度实现热量供给。

由于系统总负荷是波动的，当负荷较低时，现有的做法是降低自然热源供热系统的输出，而本实施例则是以自然热源供热系统为优先、始终保持满负荷运行，再以储能式地埋管阵列1及配套系统作为调峰手段，根据系统总负荷的波动，具体运行过程如下：

当系统总负荷低于自然热源供热系统4’的供热能力时、系统回水温度升高，此时启动储能式地埋管换热系统，将自然热源回水装置10b与回灌装置2b相连接、将温度较高的高温回水回灌到储能式地埋管1a之中，用于提升地埋管周围区域的地下空间的环境温度、以增加热量储备；同时，将快速抽取装置2a与自然热源10的回水端连接，通过快速抽取装置2a抽取储能式地埋管1a中储存的温度较低的低温冷水做为自然热源10的回水；

当系统总负荷高于自然热源供热系统4’的供热能力时，由储能式地埋管阵列1连接快速置换子系统2、换热子系统3和应用系统4，由应用系统4输出热量；自然热源供热系统4’保持满负荷运行，应用系统4则根据剩余的系统负荷调整运行输出；此时，自然热源供热系统4’与应用系统4为并联输出。

以下中深层地热水为自然热源举例说明：

如图11所示，为本实施例的制热季前的蓄热工况：

对应寒冷地区，地下岩土体温度的初始值设为T1=15℃；

自然热源的热储温度T3设为80℃，供水温度设为60-80℃，回水温度设为20℃以下；

首先通过快速抽取装置2a用于将储能式地埋管1a中的低温冷水（15-18℃）快速抽取出来；同时启动自然热源10并维持满负荷运行、由自然热源供水装置10a输出高温热水（60-80℃）；混水装置11的输入端分别与自然热源供水装置10a和快速抽取装置2a相连接，将高温热水与低温冷水混合、水温下降为30-35℃；混水装置11的输出端与回灌装置2b相连接，将混水降温后的水输送到储能式地埋管1a中储存；快速抽取装置2a与自然热源回水装置10b相连接，将低温冷水（15-18℃）输送到自然热源10之中；经过缓慢恢复过程、储能式地埋管1a周围区域的地下空间的环境温度逐步升高，而储能式地埋管1a中的水温从30-35℃下降为18℃、并依此循环；经过一段时间的运行，可将地下岩土体温度T1提升为22℃左右。

如图12所示，为本实施例的制热季中的补充蓄热工况：

当系统处于较小负荷状态、且当前总负荷低于自然热源供热系统4’的供热能力时，由于自然热源10维持满负荷运行、导致自然热源供热系统4’的回水温度升高至30-35℃，将导致自然热源供热系统4’实际运行效率降低；此时启动储能式地埋管换热系统，将自然热源回水装置10b与回灌装置2b相连接、将温度较高的高温回水（30-35℃）回灌到储能式地埋管1a之中，用于提升地埋管周围区域的地下空间的环境温度、以增加热量储备；同时，将快速抽取装置2a与自然热源10的回水端连接，通过快速抽取装置2a抽取储能式地埋管1a中储存的温度较低的低温冷水（约22℃）做为自然热源10的回水；经过缓慢恢复过程、储能式地埋管1a周围区域的地下空间的环境温度逐步升高，而储能式地埋管1a中的水温从30-35℃下降为22℃左右、并依此循环。

此时，系统总负荷的波动不影响自然热源10的运行，只会对自然热源供热系统4’的回水温度造成影响，进而只会影响储能式地埋管1a的补充蓄热量。

如图13所示，为本实施例的制热季中的联合运行工况：

当系统总负荷高于自然热源供热系统4’的供热能力时，自然热源供热系统4’与应用系统4为并联输出；

第一：自然热源10维持满负荷运行，由自然热源10通过自然热源供水装置10a和自然热源回水装置10b与自然热源供热系统4’相连接，由自然热源供热系统4’输出热量；自然热源供热系统4’的输出端的供回水温度为45℃/40℃；自然热源供水装置10a处的供水温度为40-80℃、自然热源回水装置10b处的回水温度为10-20℃，自然热源供热系统4’中设有多级热泵或热交换器，以实现大温差运行。

第二：经过制热季前蓄热后，地下岩土体温度的初始值为T1=22℃；

通过快速抽取装置2a将储能式地埋管1a中的换热介质5快速抽取出来，抽取温度约为19℃；抽取出来的换热介质5通过管路输送到换热子系统3进行热交换、换热子系统3另一侧连接到应用系统4，应用系统4输出端的供回水温度为45℃/40℃；完成热交换之后的换热介质5的温度下降为5℃、再通过管路输送到回灌装置2b，由回灌装置2b将已完成热交换的换热介质5回灌到储能式地埋管1a中储存；经过12-24小时恢复期换热介质5的温度恢复至19℃左右，即可循环使用；

其中，自然热源供热系统4’的输出能力基本固定（满负荷运行），应用系统4则根据剩余的系统负荷调整运行输出，实现调峰运行；

最终地下岩土体温度下降为14℃左右；经过过渡季节逐渐恢复后、再经过制热季前主动蓄热后，地下岩土体温度可提升为22℃左右，即可依此循环使用。

综上所述，包括制热季前的蓄热工况、制热季中的补充蓄热工况和制热季中的联合运行工况，储能式地埋管换热系统均可以起到相应的调峰作用，从而保证自然热源10被充分利用。采用以上方案，自然热源10的使用时间大幅增加、并且从过渡季节到制热季中长期处于满负荷输出状态，因此该复合系统与现有系统相比对应的供热面积基本可以增加100%以上。

虽然，该方案中将自然热源10的热量转换到储能式地埋管阵列1对应的地下空间存储时，会有一定程度的热量散失，但这个转换过程只涉及水泵的消耗、不需要启动热泵，因此耗能较低；并且主要是利用制热季前的时间段进行储能、实际能量损失较小。而且，当储能式地埋管数量很大且为连续排布时，则热量散失的损失还会有所降低。

本实施例中，自然热源可以是中深层地热资源，或者是各种余热废热、或者太阳能蓄热热源，该热源只要符合输出稳定、出口温度大于30℃的条件，即可使用。

本实施例是一个典型的跨季节储能方案，实施例4中也包含了跨季节储能方案。虽然现有技术中通过地埋管换热系统进行跨季节储能的各种方案由来已久，但几乎没有实际运行的成熟案例，其中一个重要原因就是现有地埋管换热系统存在能流密度低的弱点、跨季节储能的能耗过高。而利用本发明的储能式地埋管阵列进行跨季节储能，其最大的优点就是克服了现有地埋管换热系统能流密度低的弱点，可以在较短的时间内快速蓄存大量的能量，大幅度提高了储能效率，并且可以缩减储能时间周期减少能量的散失。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。另外，在系统连接过程中会用到各种管道、阀门、泵或者其他连接装置，这些都是本领域的技术人员的常识，在说明书中不在赘述。

Claims (10)

1.储能式地埋管换热系统，其特征在于：包括储能式地埋管阵列(1)、快速置换子系统(2)、换热子系统(3)；其中：

储能式地埋管阵列(1)由若干个储能式地埋管(1a)组合而成，所述的储能式地埋管(1a)为中空结构，底部密封、内部空间储存换热介质(5)；

快速置换子系统(2)中包括快速抽取装置(2a)和回灌装置(2b)，快速抽取装置(2a)用于将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)快速抽取出来；抽取出来的换热介质(5)通过管路输送到换热子系统(3)进行热交换；完成热交换之后的换热介质(5)再通过管路输送到回灌装置(2b)，由回灌装置(2b)将已完成热交换的换热介质(5)回灌到储能式地埋管(1a)中储存；

换热子系统(3)的一端与储能式地埋管换热系统连接、另一端与应用系统(4)连接，换热子系统(3)用于实现储能式地埋管换热系统与应用系统(4)之间的热交换；

储能式地埋管换热系统运行时，所述的储能式地埋管(1a)的运行分为快速置换过程和缓慢恢复过程，上述两个过程为交替运行；其中，快速置换过程运行持续的时间周期相对较短、缓慢恢复过程运行持续的时间周期相对较长；各个储能式地埋管(1a)依次进入快速置换过程，在任意的运行时间点上，只有少量的储能式地埋管(1a)处于快速置换过程中，而其他大部分的储能式地埋管(1a)则处于缓慢恢复过程中；其中：

在快速置换过程中，换热介质(5)处于循环状态，由快速抽取装置(2a)将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)抽取出来、并通过管路输送到换热子系统(3)进行热交换；再通过回灌装置(2b)将已完成热交换的换热介质(5)回灌到储能式地埋管(1a)中；即通过抽取动作和回灌动作，在一个相对较短的时间周期内，对储能式地埋管(1a)内的换热介质(5)进行一次置换、使得置换后的换热介质(5)与周围环境的温差变大；

在缓慢恢复过程中，已完成置换的换热介质(5)储存在储能式地埋管(1a)之中并处于非循环状态，在一个相对较长的时间周期内，储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)与周围的地下岩土体进行热交换，使得换热介质(5)与周围环境的温差逐渐缩小、从而实现循环利用。

2.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，其特征在于：储能式地埋管(1a)的缓慢恢复过程运行持续的时间周期设定为不小于8小时，以实现储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)与周围的地下岩土体进行充分的热交换。

3.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，其特征在于：所述储能式地埋管(1a)中用于储存换热介质(5)的内部空腔主体的横截面面积设定为不小于0.03平方米、不大于0.5平方米。

4.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，其特征在于：快速置换子系统(2)以缓冲池(7)为中介与换热子系统(3)间接连接，所述的缓冲池(7)为前端缓冲池(7a)、后端缓冲池(7b)或者以上两者的组合，其中，前端缓冲池(7a)用于与快速抽取装置(2a)相连接、后端缓冲池(7b)用于与回灌装置(2b)相连接。

5.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，其特征在于：采用预应力管桩作为储能式地埋管(1a)，预应力管桩同时具备建筑支撑结构和传热双重功能。

6.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，其特征在于：所述的储能式地埋管换热系统为封闭式系统、即换热介质在系统中闭式循环；在储能式地埋管换热系统中设置有滤除氧气的过滤装置，以降低整个系统中的空气和换热介质之中的氧气含量，消除氧气对系统运行的不利影响。

7.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，由储能式地埋管换热系统与谷电蓄能相结合构成谷电蓄能复合系统，其特征在于：该系统中还包括谷电制冷/制热系统(8)；

谷电制冷/制热系统(8)在谷电时段运行对储能式地埋管阵列(1)及地下岩土体进行能量补给，谷电制冷/制热系统(8)运行时储能式地埋管阵列(1)通过快速置换子系统(2)和换热子系统(3)与谷电制冷/制热系统(8)连接，谷电制冷/制热系统(8)在制冷季中运行蓄冷模式、在制热季中运行蓄热模式：

在制冷季中的谷电时段，由快速抽取装置(2a)将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)快速抽取出来；抽取出来的换热介质(5)通过管路输送到换热子系统(3)；换热子系统(3)另一侧与谷电制冷/制热系统(8)连接，由谷电制冷/制热系统(8)对换热介质(5)进行冷却；完成冷却之后的换热介质(5)再通过管路输送到回灌装置(2b)，由回灌装置(2b)将已完成热交换的换热介质(5)回灌到储能式地埋管(1a)中储存；此时，换热介质(5)的温度转变为低于周围地下岩土体的环境温度，在此之后的缓慢恢复过程中，换热介质(5)通过储能式地埋管(1a) 从周围地下岩土体吸热，即形成反向热交换过程；通过反向热交换过程，使得地下岩土体的温度场得以修复、以储存冷量备用；

在制热季中的谷电时段，由快速抽取装置(2a)将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)快速抽取出来；抽取出来的换热介质(5)通过管路输送到换热子系统(3)；换热子系统(3)另一侧与谷电制冷/制热系统(8)连接，由谷电制冷/制热系统(8)对换热介质(5)进行加热；完成加热之后的换热介质(5)再通过管路输送到回灌装置(2b)，由回灌装置(2b)将已完成热交换的换热介质(5)回灌到储能式地埋管(1a)中储存；此时，换热介质(5)的温度转变为高于周围地下岩土体的环境温度，在此之后的缓慢恢复过程中，换热介质(5)通过储能式地埋管(1a)向周围地下岩土体排热，即形成反向热交换过程；通过反向热交换过程，使得地下岩土体的温度场得以修复、以储存热量备用。

8.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，由储能式地埋管换热系统与地表水体相结合构成地表水复合系统，其特征在于：该系统还包括地表水体(9)、地表水抽取装置(9a)、地表水排放装置(9b)；

第一，在运行模式下，地表水抽取装置(9a)与回灌装置(2b)相连接、地表水排放装置(9b)与换热子系统(3)相连接；

在制冷季中，由快速抽取装置(2a)将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)快速抽取出来；抽取出来的换热介质(5)通过管路输送到换热子系统(3)进行热交换；经过热交换之后的换热介质(5)的温度高于地表水体(9)的温度、同时地表水体(9)的温度高于地下空间的环境温度；此时，将经过热交换之后温度相对较高的换热介质(5)由换热子系统(3)输送到地表水排放装置(9b)再排放到地表水体(9)中；然后，通过地表水抽取装置(9a)将地表水体(9)中温度相对较低的地表水抽取并输送给回灌装置(2b)再回灌到储能式地埋管(1a)中；由此，一部分的热量被排放到地表水体(9)中，从而减少了向地下空间排放的热量；

在制热季中，由快速抽取装置(2a)将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)快速抽取出来；抽取出来的换热介质(5)通过管路输送到换热子系统(3)进行热交换；经过热交换之后的换热介质(5)的温度低于地表水体(9)的温度、同时地表水体(9)的温度低于地下空间的环境温度；此时，将经过热交换之后温度相对较低的换热介质(5)由换热子系统(3)输送到地表水排放装置(9b)再排放到地表水体(9)中；然后，通过地表水抽取装置(9a)将地表水体(9)中温度相对较高的地表水抽取并输送给回灌装置(2b)再回灌到储能式地埋管(1a)中；由此，一部分的冷量被排放到地表水体(9)中，从而减少了从地下空间抽取的热量；

第二，当应用系统(4)为单一功能的制冷系统或制热系统时，在应用系统(4)停用的时期可以切换为储能模式，此时，地表水抽取装置(9a)与回灌装置(2b)相连接、地表水排放装置(9b)与快速抽取装置(2a)相连接；

对于单一功能的制冷系统，在应用系统(4)停用的时期，当地表水体(9)的温度低于地下空间的环境温度时启动储能模式：由快速抽取装置(2a)将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)快速抽取出来；抽取出来的换热介质(5)通过管路输送到地表水排放装置(9b)；然后，通过地表水抽取装置(9a)将地表水体(9)中温度相对较低的地表水抽取并输送给回灌装置(2b)再回灌到储能式地埋管(1a)中；经过缓慢恢复过程后，地下岩土体的温度逐渐降低；然后依此循环，从而储存冷量在下一个制冷季中使用；

对于单一功能的制热系统，在应用系统(4)停用的时期，当地表水体(9)的温度高于地下空间的环境温度时启动储能模式：由快速抽取装置(2a)将储能式地埋管(1a)中的换热介质(5)快速抽取出来；抽取出来的换热介质(5)通过管路输送到地表水排放装置(9b)；然后，通过地表水抽取装置(9a)将地表水体(9)中温度相对较高的地表水抽取并输送给回灌装置(2b)再回灌到储能式地埋管(1a)中；经过缓慢恢复过程后，地下岩土体的温度逐渐升高；然后依此循环，从而储存热量在下一个制热季中使用。

9.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统，由储能式地埋管换热系统与自然热源相结合构成自然热源复合系统，其特征在于：该系统还包括自然热源(10)、自然热源供水装置(10a)、自然热源回水装置(10b)、自然热源供热系统(4’)；

在制热季之前的过渡季节中，首先通过快速抽取装置(2a)用于将储能式地埋管(1a)中的低温冷水快速抽取出来；同时启动自然热源(10)、由自然热源供水装置(10a)输出高温热水；自然热源供水装置(10a)与回灌装置(2b)相连接、将高温热水输送到储能式地埋管(1a)中储存；快速抽取装置(2a)与自然热源回水装置(10b)相连接，将低温冷水输送到自然热源(10)之中、并依此循环，使得地埋管周围区域的地下空间的环境温度逐步升高、以储存热量备用；

在制热季中，由自然热源(10)通过自然热源供水装置(10a)和自然热源回水装置(10b)与自然热源供热系统(4’)相连接，由自然热源供热系统(4’)输出热量；再由储能式地埋管阵列(1)连接快速置换子系统(2)、换热子系统(3)和应用系统(4)，由应用系统(4)输出热量；根据热负荷的波动，由应用系统(4)和自然热源供热系统(4’)协同调度实现热量供给，其中：

当系统总负荷低于自然热源供热系统(4’)的供热能力时、系统回水温度升高，此时启动储能式地埋管换热系统，将自然热源回水装置(10b)与回灌装置(2b)相连接、将温度较高的高温回水回灌到储能式地埋管(1a)之中，用于提升地埋管周围区域的地下空间的环境温度、以增加热量储备；同时，将快速抽取装置(2a)与自然热源(10)的回水端连接，通过快速抽取装置(2a)抽取储能式地埋管(1a)中储存的温度较低的低温冷水做为自然热源(10)的回水；

当系统总负荷高于自然热源供热系统(4’)的供热能力时，由储能式地埋管阵列(1)连接快速置换子系统(2)、换热子系统(3)和应用系统(4)，由应用系统(4)输出热量；自然热源供热系统(4’)保持满负荷运行，应用系统(4)则根据剩余的系统负荷调整运行输出；此时，自然热源供热系统(4’)与应用系统(4)为并联输出。

10.根据权利要求1所述的储能式地埋管换热系统的储能式地埋管快速置换过程运行方法，其特征在于：当储能式地埋管(1a)处于快速置换过程时，抽取换热介质(5)和回灌换热介质(5)的方法分为以下两种：

第一，抽灌合一：从储能式地埋管(1a)的出水口抽取换热介质(5)，同时在储能式地埋管(1a)的回水口将已完成热交换的换热介质(5)的回灌到储能式地埋管(1a)中；该过程中，抽取动作和回灌动作对应的是同一个储能式地埋管(1a)，该储能式地埋管(1a)中的换热介质总数量基本不变；

第二，抽灌分离：将储能式地埋管(1a)的状态分为充满状态和空置状态，一方面从处于充满状态的储能式地埋管(1a)中抽取换热介质(5)，当储能式地埋管(1a)中换热介质(5)抽取完毕后、即该储能式地埋管(1a)变为空置状态；另一方面，将已完成热交换的换热介质(5)回灌到处于空置状态的储能式地埋管(1a)中、当储能式地埋管(1a)中换热介质(5)回灌完毕后、即该储能式地埋管(1a)变为充满状态；抽取动作和回灌动作对应的是不同的储能式地埋管(1a)。