CN109539612A - 一种能够全年运行的地埋管换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于可再生能源及相变蓄能应用领域，更具体地，涉及一种能够全年运行的地埋管换热系统。包括埋于土壤中的U型地埋管和回填材料，所述回填材料包括相变材料A、相变材料B和普通回填材料；其中，所述相变材料A的相变温度高于夏季土壤温度且低于夏季运行时地埋管入口水温度；所述相变材料B的相变温度低于所述相变材料A的相变温度，且低于冬季土壤温度，高于冬季运行时地埋管入口水温度。本发明中还对两种微胶囊相变材料的组分及配料比进行了设计。通过本发明，能够更有效地降低回填半径，埋管深度，提高系统运行COP，显著降低整体能耗，同时具备结构紧凑、适用性强，使用周期长等特点。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源及相变蓄能应用领域，更具体地，涉及一种能够全年运行的地埋管换热系统。
背景技术
近年来，地热能作为一种清洁新能源引起了许多国家的关注，并广泛应用于地热发电、地热供暖等领域。地热能总的来说可以分为深层地热能和浅层地热能。其中，浅层地热能应用较多。浅层地热能主要是通过热泵的形式实现制热、制冷的应用。主要的热泵形式为地下水源热泵系统以及土壤源热泵系统。土壤源热泵相比传统空调增加了一个地埋管换热系统。因此，地埋管换热系统对热泵能否高效运行具有重大影响。
影响地埋管换热效率的因素有很多，包括地埋管管材、钻孔孔径、循环介质流速、回填材料、土壤热物性、埋管间距、地下水流动等。其中、回填材料将地层中的热量传递给地埋管以及管中的循环介质，对于保证地埋管换热器的换热性能有重要意义。理想的回填材料，不仅具有良好的护壁作用，还可降低埋管井与周边土壤的热阻，提高换热器对地下土壤的传热性能，减少地埋管的工程量和造价，同时还能改善热泵的运行参数，提高系统的节能潜力。目前，现有地埋管在施工过程中一般采用在原浆中掺入一定配比的膨润土、黄沙或水泥等，或是添加适当数量的高导热系数的添加剂。相变材料运用在地源热泵当中，可以来缓解短时间内地源热泵对土壤温度的影响，也可以增加单井取热量增加，提高地源热泵的运行效率。
但是，目前关于相变材料在地埋管换热系统中的作用仅仅停留在理论推断和设想阶段，具体选择何种相变材料，适用于什么温度的土壤以及地区，均没有具体应用实践。另外，现有技术中关于相变材料在地源热泵系统中的应用设想，只考虑了单一的相变材料，对于全年需要供冷供暖的建筑而言，该形式不能在全年改善地源热泵系统运行特性，同时全年能量利用效率较低；而另外一个因素是，许多研究未考虑相变材料在使用过程中的“相分离现象”、材料稳定性、耐久性以及相变材料对土壤环境的污染。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种能够全年运行的地埋管换热系统，其通过综合考虑地源热泵系统自身的应用特点，将不同特性的微胶囊相变材料同普通材料按比例混合，同时对其各自的关键性能参数和工作机理、尤其是相变材料组分和配料比等方面进行研究和设计，相应与现有技术相比能够更有效地降低回填半径，埋管深度，提高系统运行COP，显著降低系统整体能耗，同时具备结构紧凑、适用性强，使用周期长等特点，因而适用于地源热泵系统大面积的推广应用。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于全年的地埋管换热系统，包括埋于土壤中的U型地埋管和回填材料，所述回填材料包括相变材料A、相变材料B和普通回填材料；其中，
所述相变材料A的相变温度高于夏季土壤温度，且低于夏季运行时地埋管入口水温度；
所述相变材料B的相变温度低于所述相变材料A的相变温度，且低于冬季土壤温度，高于冬季运行时地埋管入口水温度；
所述普通回填材料为起到导热和支撑作用的原浆材料；
夏季工况条件下，该地埋管换热系统工作时，所述相变材料A由固态融化为液态，吸收并存储地埋管向土壤传播的热量；停止工作时该相变材料A由液态凝固为固态，释放存储的热量；
冬季工况条件下，该地埋管换热系统工作时，所述相变材料B由液态凝固为固态，放出热量并存储在土壤中；停止工作时，该相变材料B由固态融化为液态，吸收存储在土壤中的热量；
春季或秋季的过渡季节工况条件下，通过设置投入工作的U型地埋管数量，利用该地埋管换热系统实现换热。
优选地，所述相变材料A的相变温度高于夏季土壤温度且低于或等于28℃。
优选地，所述相变材料B的相变温度高于8℃且低于或等于冬季土壤温度。
优选地，所述相变材料A、相变材料B与普通回填材料的体积比为(3～5)：(3～5)：(2～4)。
优选地，所述普通回填材料为原浆材料、膨润土和黄沙的混合物，或为原浆材料、膨润土和水泥的混合物。
优选地，所述相变材料A和相变材料B均采用胶囊化技术实现固态化，其中包括胶囊外壳和置于胶囊内部的相变材料，所述胶囊外壳为聚合物，所述相变材料与所述聚合物的质量比为(85～90)：(10～15)。
优选地，所述相变材料A相变温度为24℃～28℃；所述相变材料B相变温度为8℃～10℃。
优选地，所述相变材料A为正十八烷，所述相变材料B为石蜡。
优选地，所述相变材料A或相变材料B的相变潜热为190kJ/kg～245kJ/kg。
优选地，所述相变材料导热系数值在0.2W/m·℃～0.5W/m·℃。
优选地，所述相变材料A或相变材料B的直径在2～20μm之间。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提出的地埋管换热系统中采用两种不同的相变材料作为地埋管回填材料，同时对其各自的关键性能参数和工作机理进行研究和设计，两种相变材料根据不同的需求和环境温度发生相应的相变过程，实现热能或冷能的存储或释放。相对于非相变回填材料或单一相变回填材料，该地埋管换热系统通过能量的缓存可以有效减少能量损失，快速调节循环工质的温度；无论对地源热泵夏季工况、冬季工况还是过渡季节均能够显著提高全年系统能量COP值，实现减少土壤温度波动，有效减小热响应半径。
(2)本发明由于采用微胶囊封装相变材料，相变过程在胶囊内完成，极大地消除“相分离”现象，提高了相变材料的稳定性，降低相变材料流失后污染环境的可能性；提高了相变材料的耐久性，增加了其使用寿命。
(3)本发明通过对上述相变材料的材料组分和配料比等方面进行研究和设计，获得潜热大、相变温度可调、经多次蓄/放热性能保持不变，便于加工维护的微胶囊相变回填材料及地埋管换热系统，获得了一种适用于夏热冬冷气候区的全年工作的地埋管换热系统。
附图说明
图1是本发明的相变胶囊地埋管换热器示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种适用于夏热冬冷气候区的全年工作的地埋管换热系统，包括多个如图1中所示的相变胶囊地埋管换热器，其包括埋于土壤中的U型地埋管和地源热泵回填材料，所述地源热泵回填材料包括相变材料A、相变材料B和普通回填材料；普通回填材料为起到导热和支撑作用的原浆材料。地源热泵回填材料是影响地源热泵换热器效果的关键因素。回填材料是用于填充地下换热器钻孔与地层之间的材料，是连接换热器与土层的传热介质，其传热性能直接影响整个换热器的性能。其中普通回填材料可以为原浆材料、膨润土和黄沙的混合物，也可以为原浆材料、膨润土和水泥的配比混合物。这里原浆材料为获得U型地埋管时挖出的原始地源物质。回填材料可起到传递热量、填充固结及密封钻孔的作用。从热阻分析来看，回填材料的热阻在土壤换热器未运行时占到20％，因此，增大回填材料的热导率可以增加换热器的取放热量。因此，在普通回填材料中添加相变材料可增加其热导率。通根据各种回填材料的热物性参数，调配相变材料A、相变材料B和普通回填材料的体积配比，得到相变微胶囊混合式回填材料，能够在全年耦合地埋管换热系统，解决仅利用潜热机理的蓄热/放热作用发挥有限的问题，与现有技术相比显著提高节能效果。
相变材料A的相变温度高于夏季土壤温度且低于夏季运行时地埋管入口水温度；相变材料B的相变温度低于所述相变材料A的相变温度，且低于冬季土壤温度，高于冬季运行时地埋管入口水温度；
夏季该地埋管换热系统工作时，所述相变材料A由固态融化为液态，吸收并存储地埋管向土壤传播的热量；停止工作时该相变材料A由液态凝固为固态，释放存储的热量。
冬季该地埋管换热系统工作时，所述相变材料B由液态凝固为固态，放出热量至土壤中；停止工作时，该相变材料B由固态融化为液态，吸收白天土壤中的热量。
在过渡季节，比如夏热冬冷气候区的春季和秋季，本发明提出的地埋管换热系统由于不同相变材料的能量存储和缓冲功能，对于春秋季极端天气，通过设置投入工作的地埋管数量，同样可以起到换热功能，相对于传统非相变回填材料或单一相变回填材料，提高能量利用效率，提高全年系统COP值。
该地埋管换热系统通过所述相变材料A或相变材料B的固液相变过程中的吸热与放热，有效调节循环工质温度，减小能量损失，提高系统COP值，减缓埋管周围土壤温度变化，缩小埋管热影响区域。
举例来说，夏季工况所需相变材料由相变温度为Tm1的相变材料制成，并且该相变温度Tm1被设定高于当地土壤温度而低于夏季运行时地埋管入口水温度，并当地源热泵系统在夏季工况运行时，它的相变材料由固态融化为液态，由此吸收热量来存储地埋管向土壤传播的热量。具体而言，该相变材料主要在夏季发挥作用，当地埋管进口温度基本等于或高于(例如，Tm1℃)时，夏季工况所需的相变材料由固态逐步融化为液态，吸收进口水温度，存储地埋管向周围土壤存储的热量，从而稳定周围土壤温度，降低热响应半径。举例而言，对于相变半径为ΔT℃的相变材料，夏季工况所需微胶囊相变材料在温度[Tm1℃，Tm1+ΔT℃]范围内为固液共存的状态，低于Tm1℃为固态，高于(Tm1+ΔT℃)为液态。当夏季工况所需相变材料温度达到(例如，Tm1+ΔT℃)时，融化过程完成；当地源热泵系统在晚上停机以后，地埋管停止吸收周围土壤热量，由于土壤温度低于，夏季工况所需相变材料开始由液态逐步凝固为固态，放出储存在微胶囊内的热量。
冬季所需相变材料由相变温度为Tm2的相变材料制成，该相变温度Tm2小于所述相变温度Tm1，并被设定为在低于当地土壤平均温度而高于冬季工况时地埋管入口水温度，并且当地源热泵系统下冬季工况下运行时，它的相变材料由液态凝固成固态。具体而言，该冬季工况所需要在冬季发挥作用，当地源热泵系统地埋管进口水温度基本等于或低于(例如，Tm2℃)时，冬季工况所需相变材料由液态逐步融化为固态，向土壤释放热量，从而稳定周围土壤温度，降低热响应半径。举例而言，对于相变半径为ΔT℃的相变材料，微胶囊相变材料在温度[Tm2℃，Tm2+ΔT℃]范围内为固液共存的状态，低于Tm2℃为固态，高于(Tm2+ΔT℃)为液态。当地埋管进口水温度达到低于(例如，Tm2+ΔT℃)时，凝固开始；当地源热泵系统在晚上停机以后，地埋管停止向周围土壤传播热量，由于土壤温度高于Tm2℃，冬季工况所需相变材料开始由固态逐步凝固为液态，存储热量。
一些实施例中，相变材料A和相变材料B均采用胶囊化技术实现永久固态化，其中包括胶囊外壳和置于胶囊内部的相变材料，所述胶囊外壳为聚合物，所述相变材料与所述聚合物外壳的质量比为(85～90)：(10～15)。胶囊外壳的聚合物材料优选为丙烯酸类共聚物。
通过采用聚合物作为载体，相变材料作为囊芯，制作出一种微小“容器”。胶囊化技术实现了相变材料永久固态化，使得相变材料胶囊的使用、储存和运输更加方便。作为回填材料，相变材料微胶囊不易流失，作用周期长。
一些实施例中，所述相变材料A的相变温度高于夏季土壤温度且低于或等于28℃。所述相变材料B的相变温度高于8℃且低于或等于冬季土壤温度。
假定当地土壤温度设定为Tm3，所述夏季工况所需相变材料的相变温度Tm1优选为Tm3～28℃，所述冬季工况所需的相变材料的相变温度Tm2优选为8℃～Tm3。优选实施例中，所述夏季工况所需相变材料优选为相变温度为24℃～28℃的正十八烷，所述冬季工况所需相变材料为相变温度为8℃～10℃的石蜡。
一些实施例中，相变材料A、相变材料B与普通回填材料的体积比为(3～5)：(3～5)：(2～4)。需要指出的是，配比方式不同，可得到具有不同效果的回填材料，这一配比条件的确定需要兼顾该地埋管换热系统全年系统COP值和系统运行成本，且直接决定是否能够高COP实现全年换热。由于冬夏季工况所需的相变材料在工作过程中极大地应用了相变材料的潜热，为实现相变，相变温度是一个极其重要的参数，因此本发明中以相变温度为主要模拟对象，以便更为准确地确定相变材料的相变温度，以尽可能实现节能效果的最大化。此外，相变材料的关键性能参数除了相变温度，还包括相变潜热和相变材料微胶囊的直径。按照本发明的一个优选实例，所述夏季工况所需的相变温度Tm1优选为24℃～28℃，所述冬季工况所需的相变温度Tm2优选为8℃～10℃。两类相变材料的相变潜热的范围均为190-245kJ/kg，相变材料微胶囊的直径为2-20um。作为一个示范性的示例，Tm1被设计为28℃，Tm2被设计为10℃，相变潜热均为200kJ/kg；所述相变材料导热系数值在0.2W/m·℃～0.50W/m·℃，相变材料微胶囊的直径选用20um。此外，本示例中普通回填材料采用与回填材料相同的原浆材料。
通过Fluent软件模拟,模拟中设定相变温度变化区间ΔT为1℃，即夏季工况所需相变材料所需的相变温度范围为[Tm1℃，Tm1+1℃]，冬季工况所需的相变材料的相变温度范围为[Tm2℃，Tm2+1℃]。以全年为一个运行周期，将地源热泵系统地埋管换热量模拟结果与同样条件下采用普通回填材料的值进行比较，无相变时埋管换热量随运行时间延续而持续减小，有相变时也是减小，但减小趋势减缓。
按照上述示例，夏季工况所需相变材料的相变温度范围为24℃～28℃；冬季工况所需的相变相变温度范围为8℃～10℃。
此外，可分析出在回填材料中添加相变材料可以有效地减地减缓埋管热响应对埋管周围土壤温度的热影响幅度，从而可以降低热影响区域，在一定程度上可以缩小埋管间距。
同时，分别模拟有无相变微胶囊材料下系统的COP值，可以分析得出预估的结果是与不使用相变材料的地源热泵系统相比,使用相变材料可显著提高系统的COP值。
例如可以夏热冬冷地区某办公建筑为模拟平台，通过Fluent模拟软件确定夏季工况所需相变材料的相变温度为24℃～28℃h，冬季工况所需相变材料的相变温度为8℃～10℃。
该模拟中相变微胶囊回填材料用于白天运行的办公建筑的空调系统中。双层相变微胶囊回填材料工作原理为：在夏季，夏季工况所需相变材料在白天地源热泵系统开始运行后，地埋管向周围土壤传播热量，当相变微胶囊材料吸收热量，使自身温度达到其相变温度24℃时，由固态逐步融化为液态，以潜热形式储存热量，增强地埋管与土壤的换热，降低土壤温度波动，从而降低热响应半径，增加地埋管换热量；在夜间，由于系统停机，地埋管停止向周围土壤传播热量，夏季工况所需相变材料对外释放热量，随着温度的降低，其温度低于25℃时，开始由液态凝固为固态，当其温度达到24℃时，凝固过程完成。在冬季，冬季工况所需相变材料由于吸收土壤中的热量，其温度达到其相变温度10℃时，由固态逐步融化为液态，以潜热形式储存这些热量，当其温度达到11℃时，融化过程完成；当地源热泵系统开始运行以后，地埋管吸收周围土壤热量，当温度到达11℃，相变材料开始凝固，释放存储的热量，其温度达到其相变温度10℃时，凝固完成，增强地埋管与土壤的换热，降低土壤温度波动，从而降低热响应半径，增加地埋管换热量。
综上，按照本发明可获得以下的技术优点：(1)钻孔回填材料中加入相变材料微胶囊(MicroPCMs)可以改变其蓄能传热特性，控制其温度热响应区域。(2)提高系统运行的COP值。(3)增强地源热泵系统地埋管蓄热效果。且本发明提出的地埋管换热系统优选应用在白天进行换热、晚上停止换热的办公建筑或其他类似需求的建筑中。
同样以该夏热冬冷地区某办公建筑为模拟平台，通过Fluent模拟软件模拟分别以(1)非相变材料普通回填材料作为回填材料；(2)单一夏季高相变温度(温度范围)的相变材料混合和普通回填作为回填材料；(3)单一冬季低相变温度(温度范围)的相变材料和普通回填材料混合作为回填材料；其他条件包括地埋管管材、钻孔孔径、循环介质流速、回填材料、土壤热物性、埋管间距、地下水流动等同本发明两种相变材料作为回填材料的情形，比较全年系统运行的COP值，结果表明采用两种相变材料作为回填材料，系统全年运行COP更高。
采用本发明两种不同的相变材料作为回填材料，其全年运行系统COP值高于其他任一种条件下的COP。而且采用两种不同相变材料与普通回填材料混合作为回填材料的条件下，两种相变材料之间具有协同作用，使得整体系统COP高于两种单一相变材料加和的COP值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种能够全年运行的地埋管换热系统，其特征在于，包括埋于土壤中的U型地埋管和回填材料，所述回填材料包括相变材料A、相变材料B和普通回填材料；其中，
所述相变材料A的相变温度高于夏季土壤温度，且低于夏季运行时地埋管入口水温度；
所述相变材料B的相变温度低于所述相变材料A的相变温度，且低于冬季土壤温度，高于冬季运行时地埋管入口水温度；
所述普通回填材料为起到导热和支撑作用的原浆材料；
夏季工况条件下，该地埋管换热系统工作时，所述相变材料A由固态融化为液态，吸收并存储地埋管向土壤传播的热量；停止工作时该相变材料A由液态凝固为固态，释放存储的热量；
冬季工况条件下，该地埋管换热系统工作时，所述相变材料B由液态凝固为固态，放出热量并存储在土壤中；停止工作时，该相变材料B由固态融化为液态，吸收存储在土壤中的热量；
春季或秋季的过渡季节工况条件下，通过设置投入工作的U型地埋管数量，利用该地埋管换热系统实现换热。
2.如权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料A的相变温度高于夏季土壤温度且低于或等于28℃。
3.如权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料B的相变温度高于8℃且低于或等于冬季土壤温度。
4.如权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料A、相变材料B与普通回填材料的体积比为(3～5)：(3～5)：(2～4)。
5.如权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料A和相变材料B均采用胶囊化技术实现固态化，其中包括胶囊外壳和置于胶囊内部的相变材料，所述胶囊外壳为聚合物，所述相变材料与所述聚合物的质量比为(85～90)：(10～15)。
6.如权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料A相变温度为24℃～28℃，优选为正十八烷；所述相变材料B相变温度为8℃～10℃，优选为石蜡。
7.如权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料A或相变材料B的相变潜热为190kJ/kg～245kJ/kg。
8.如权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料导热系数值在0.2W/m·℃～0.5W/m·℃。
9.权利要求1所述的地埋管换热系统，其特征在于，所述相变材料A或相变材料B的直径在2～20μm之间。
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