CN110043944B - 一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统 - Google Patents

一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及太阳能热利用技术领域，具体涉及一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，包括设置在采暖建筑上的太阳能集热器、采暖建筑内置的散热器、设置在地表下方的蓄热池、连通三者的传输管路、设置在传输管路内部的传热载体等；蓄热池由从中心呈放射状分布的换热井组成，换热井内均设置有U型换热管，U型换热管上端借助地埋汇流管串联，换热井深度为30‑50m。本发明比地源热泵土壤蓄能方式占地面积减少了70％；造价降低40％，蓄能时间缩短50％，同期供热温度提高12‑15℃，供热时间延长1.5‑1.8倍，经济效益和热性能指标都有大幅提高。

Description

一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统
技术领域
本发明涉及太阳能热利用技术领域，尤其适用于华北大部分地区的冬季采暖，具体涉及一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统。
背景技术
目前北方雾霾减排的瓶颈是冬季燃煤采暖的排放问题，使用太阳能作为辅助采暖能源是解决雾霾成因的一项有力措施，长期经济效益及生态、社会效益显著。但由于太阳能系统受天气、夜间制约，不可能全天候工作，目前利用太阳能采暖，必须配有其它辅助能源及相应设备。为解决太阳能在采暖季有效利用问题，与太阳能热利用系统配套的各种蓄能技术应运而生，其中太阳能跨季节土壤蓄能技术适用国情，发展也很快。
已有的太阳能跨季节土壤蓄能供暖方式，往往沿用较为成熟的地源热泵土壤蓄能技术。但地源热泵土壤蓄能与太阳能跨季节土壤蓄能有本质区别。地源热泵土壤蓄能要求换热井周围土壤温度稳定，以便冬季取热、夏季取冷。为减小换热井外温度变化，防止各换热井之间热干扰，井间距一般选择4-6m或更大，井位布置采用方格型或矩形，换热井深均在100-180m之间。按地源热泵土壤蓄能方法建造太阳能土壤蓄能蓄热池，为100m2建筑面积蓄能供暖，单眼换热井造价需1-1.2万元，投资很高，并且由于布局不合理和地下水位的影响，采暖应用效果并不好。
发明内容
本发明提供了一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，实现四季供暖取暖，结构简单、便于操作，与地源热泵土壤蓄能技术相比，采暖系统整体成本大幅降低，占地面积少，蓄能时间短，热性能指标大幅改善。
本发明的具体技术方案是：
一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，包括设置在采暖建筑上的太阳能集热器、采暖建筑内置的散热器、设置在地表下方的蓄热池、连通三者的传输管路、设置在传输管路内部的传热载体等；所述的蓄热池由从中心呈放射状分布的换热井组成，所述的换热井内均设置有U型换热管，所述的U型换热管上端借助地埋汇流管串联，所述的换热井深度为30-50m。
所述的换热井由中心向外间距逐渐变大形成变间距设置，所述换热井分布在多个同心正多边形端点或边长上。
所述的正多边形为正六边形，最内层的正六边形半径D＝1-1.5m，从内到外依次排列的正六边形第N层半径与第N-1层半径差值为D+(N-1)d，其中d＝0.2-0.3m，N≥1且N为正整数；所述的换热井与相邻层的两个换热井等边设置。
所述的U型换热管由中心向外、6-7只形成U型换热管串联组，所有U型换热管串联组由中心呈放射状分布，最外层的U型换热管并联设置。
所述的地埋汇流管中心端与进水管连通；最外层的U型换热管并联与回水管连通。
所述的蓄热池上面铺设有保温层，保温层厚度＞30cm,保温层上面铺设的土层厚度为0.7-1m。
所述的蓄热池中心设置有内置蓄热池温度传感器的中心温度测量井，所述的蓄热池外围设置有内置蓄热池温度传感器的外围温度测量井，所述的外围温度测量井与相邻外围的两个换热井等边设置；所述的集热器温度传感器设置在太阳能集热器内部。
所述的中心温度测量井与外围温度测量井内部设置有温度测量点，温度测量点包括上部测量点、中间测量点和下部测量点，所述的下部测量点设置在距离U型换热管底部上方1-1.5m处，所述的上部测量点设置在保温层下方0.5-1m处，所述的中间测量点设置1-3个。
所述的传热载体为水时，
所述的供暖系统包括连通太阳能集热器与U型换热管的阀门B和水泵A、连通太阳能集热器与散热器的阀门A和水泵B、连通散热器与U型换热管的水泵B、连接地埋汇流管的进水管和回水管、设置在采暖建筑内部的控制器、与控制器分别相连的集热器温度传感器和蓄热池温度传感器。
所述的传热载体为空气时，
所述的供暖系统包括连通太阳能集热器与U型换热管的气阀B和管道泵、连通太阳能集热器与散热器的气阀A和管道泵B、连通散热器与U型换热管的气阀C和管道泵B、连接U型换热管的进气管和排气管、设置在采暖建筑内部的控制器、与控制器分别相连的集热器温度传感器和蓄热池温度传感器、与排气管连接的气阀D和气阀E，所述的采暖建筑内设置有空气滤清器，所述的空气滤清器与气阀D相连接。
本发明的有益效果是：
与现有技术地源热泵土壤蓄能方法建造的蓄热池进行比较，同样为2000㎡建筑面积供热，本发明系统需要深35m换热井84眼，地源热泵土壤蓄能需要深100m换热井28眼，两者蓄热池蓄能土壤体积基本相等。深35m换热井造价1000-1200元/眼，深100m换热井造价5000-6000元/眼，按现有技术方格型布置换热井，84眼换热井的蓄热池，占地面积＝36×36＝1296㎡，本发明84眼换热井的蓄热池占地面积＝10.52×π＝346㎡，占地面积减少了70％，造价降低40％，蓄能时间缩短50％，同期供热温度提高12-15℃，供热时间延长1.5-1.8倍，经济效益和热性能指标都有大幅提高。太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统的结构优势具体表现在以下几个方面：
(1)为减小散热损失，同等蓄热池容积，外围表面积越小越好。为减小蓄热池表面积，换热井深度应与蓄热池直径相近，一般以30-50m为宜，因此换热井深度为30-50m。
(2)为减少蓄热池表面积，换热井由中心呈放射状分布，它们分布在多个同心正多边形端点或边长上；为进一步减少蓄热池表面积，可对称减掉正六边形顶角处的1-3眼换热井，使外围换热井连线更趋近圆形，减小散热表面积，进一步减少热量损失。
(3)换热井是由中心向外间距逐渐变大形成变间距设置，蓄热池中心换热井密集布置，加大热量积聚效应，尽量提高蓄热池中心温度，蓄热池外周换热井间距加大，尽量降低蓄热池外围温度，形成温度梯度，减少热量向外散失。换热井与相邻层的两个换热井等边设置，近似等腰三角形布置，使相邻换热井的水平热场死角最小。
(4)U型换热管呈放射状分组经过地埋汇流管与进水管连通，蓄热池最外层U型换热管并联设置再分别与回水管连通，进水管与回水管设置，进一步减小温度损耗。
(5)为了进一步减小温度损耗，蓄热池顶部设置有30cm以上的保温层，保温层上面覆盖土层0.7-1m。
(6)换热井深度为30-50m，因为本发明换热井比地源热泵需要的蓄热井浅很多，基于华北地区水文分布情况，可以不考虑流动地下水对蓄热池温度的影响。
(7)为方便控制向蓄热池供暖蓄能及取热，蓄热池中心设置有中心温度测量井，中心温度测量井内置蓄热池温度传感器，蓄热池外围设置有外围温度测量井，外围温度测量井内置蓄热池温度传感器。
附图说明
图1为太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统工作示意图；
图2为图1中蓄热池的纵向剖面图；
图3为换热井变间距分布平面图；
图4为84眼换热井布置及进出水管路布置图；
图5为90眼换热井布置及进出水管路布置图；
图6为108眼换热井布置及进出水管路布置图；
图7为120眼换热井布置及进出水管路布置图；
图8为132眼换热井布置及进出水管路布置图；
图9为150眼换热井布置及进出水管路布置图；
图10为162眼换热井布置图；
图11为太阳能跨季节土壤蓄能空气供暖系统工作示意图；
附图中，1、U型换热管；2、换热井；3、保温层；4、地埋汇流管；
5、中心温度测量井；6、进水管；7、蓄热池；8、回水管；9、外围温度测量井；10、室外地面；11、阀门A；12、阀门B；13、水泵A；14、水泵B；15、蓄热池温度传感器；16、控制器；17、散热器；18、采暖建筑；19、太阳能集热器；20、集热器温度传感器；a、上部测量点；b、中间测量点；c、下部测量点；21、气阀A；22、气阀B；23、管道泵A；24、管道泵B；25、气阀C；26、进气管；27、排气管；28、气阀E；29、空气滤清器；30、气阀D。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，由采暖建筑18上设置的太阳能集热器19集热，在春夏秋非采暖季和冬季日照充足时，将太阳能集热器19收集的过剩热量，以水或空气做传热载体，通过控制器16控制阀门经传输管路注入到蓄热池7中蓄热；如图2所示，蓄热池7由多个换热井2组成，换热井2内置设有U型换热管1，U型换热管1通过水或空气将热量传递给土壤，利用各换热井2之间土壤储存热能，采暖季再将水或空气泵入U型换热管1，通过换热管管道壁面换热，将土壤中储存的热能导出供暖。
经过太阳能土壤蓄能试验结果表明：当进口传热载体50-60℃蓄能时，垂直埋管换热，土壤水平方向长期传热距离不超过1.5m。因此，换热井2平均间距不宜超过3m。蓄热池7上面设有保温层3阻止散热，其散热量≤总热量的20％，蓄热池7下面散热量≤总热量的8％，蓄热池7外围的散热量≥总热量的70％。为减小散热损失，同等蓄热池7容积，外围表面积越小越好。为减小蓄热池7表面积，换热井2深度应与蓄热池7直径相近，一般以30-50m为宜，因此换热井2深度为30-50m。
为此，本发明设计了图3所示换热井2从蓄热池7中心呈放射状分布，换热井2分布在多个同心正六边形端点或边长上，换热井2与相邻层的两个换热井2等边设置，其中最内层的正六边形半径D＝1-1.5m，从内到外依次排列的正六边形第N层半径与第N-1层半径差值为D+(N-1)d，其中d＝0.2-0.3m，N≥1且N为正整数。换热井2变间距设置方式，能够最大程度减少分布面积，最大限度减小热量散失。由于各种土壤热容量不同，实际工程中，土壤热容大时D和d取低值，土壤热容小时D和d取高值；为减少蓄热池7表面积，可对称减掉正六边形顶角处的1-3眼换热井2，使外围换热井2连线更趋近圆形，减小散热表面积，进一步减少热量损失。
换热井2数量确定后，钻井深度在30-50m之间选择。因为本发明换热井2比地源热泵需要的蓄热井浅很多，基于华北地区水文分布情况，可以不考虑流动地下水对蓄热池7温度的影响。
理论上换热井2数量越多蓄热越多，蓄热池7低于30眼井，蓄热池7外围面积相对较大，散热损失会明显增加。本发明图4-图10给出84-162眼换热井2的实施例。
为减小散热量，应尽量降低蓄热池7外围温度。蓄热时，传热载体以中心进、外围出为佳；取热供暖时，传热载体以外围进、中心出为佳。换热井2的布置应该使蓄热池7中心换热井2密集布置，加大热量积聚效应，尽量提高蓄热池7中心温度，蓄热池7中心换热井2井间距离应该最小，换热井2井间距离应该从中心向外逐渐加大，因此，多个换热井2变间距设置，尽量降低蓄热池7外围温度，形成温度梯度，减少热量向外散失。换热井2与相邻层的两个换热井2等边设置、近似等腰三角形布置，使相邻换热井2的水平热场死角最小。
蓄热池7中的U型换热管1由中心向外、6-7只形成U型换热管串联组，所有U型换热管串联组由中心呈放射状分布，所有U型换热管1上端借助地埋汇流管4串联，地埋汇流管4中心端与进水管6连通；蓄热池7最外层U型换热管1并联与回水管8连通。单根U型换热管1全长60-90m，串联管总长度360-600m。U型换热管1的连接方式，辅助换热井2变间距设置方式，进一步将热量集聚在蓄热池7的中心，避免热量损失；进水管6与回水管8设置，进一步减小温度损耗。
为方便控制向蓄热池7供暖蓄能及取热，实际工程必须配有温度测量井，井内设置蓄热池温度传感器15，用以观测和控制蓄热池7蓄能情况。其中，中心温度测量井5设置在蓄热池7中心，外围温度测量井9与相邻外围的两个换热井2等边设置、呈等腰三角形设置在蓄热池7外层。中心温度测量井5和外围温度测量井9设置有温度测量点，下部测量点c设置距U型换热管1底部1-1.5m范围，上部测量点a设置在保温层3下面0.5-1m范围，中间测量点b可根据需要设置1-3个。
换热井2内设置好U型换热管1、测量井设置好温度传感器后，均用细砂填实。为了进一步减小温度损耗，蓄热池7上面铺设有30cm以上的保温层3，保温层3上面覆盖土层0.7-1m。
本发明太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，用水做传热载体工作，如图1所示。
1、如果需要蓄能，太阳能集热器19上端出口温度达到设定值时，集热器温度传感器20将信号传递给控制器16，控制阀门A 11和水泵B 14关闭，阀门B 12和水泵A 13开启，将太阳能集热器19多余热水通过进水管6输入蓄热池7的U型换热管1，置换过热能的冷却水，再经回水管8返回太阳能集热器19继续加热；
2、需要太阳能集热器19直接供暖时，集热器温度传感器20将信号传递给控制器16，控制器16的阀门A 11和水泵B 14开启，阀门B 12和水泵A 13关闭，太阳能集热器19向散热器17直接供暖，散热后的冷却水再返回太阳能集热器19继续加热；
3、需要蓄热池7供暖时，阀门A 11、阀门B 12和水泵A 13关闭，水泵B 14开启，取出蓄热池7中储存的热能向室内散热器17直接供暖。散热后的冷却水再返回蓄热池7继续加热。
同样工作原理，本发明太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，用空气做传热载体工作，如图11所示。
1、如果需要蓄能，太阳能集热器19上端出口温度达到设定值时，集热器温度传感器20将信号传递给控制器16，控制气阀A 21、气阀C 25、气阀D 30、气阀E 28和管道泵B 24关闭，气阀B 22和管道泵A 23开启，将太阳能集热器19多余热空气通过进气管26输入土壤蓄热池7，放出热能的空气，再经排气管27返回太阳能集热器19继续加热。冬季，如果需要将余热的空气放入室内，开启气阀D 30，余热空气经空气滤清器29放入室内。夏季，不用余热空气，开启气阀E 28,热空气直接排至室外。
2、需要太阳能集热器19直接供暖时，集热器温度传感器20将信号传递给控制器16，控制气阀B 22、气阀C 25和管道泵A 23关闭，气阀A 21和管道泵B 24开启，太阳能集热器19向散热器17直供热空气。气阀D 30开启，太阳能集热器19通过空气滤清器29补充空气。
3、需要蓄热池7供暖时，气阀A 21、气阀B 22和管道泵A 23关闭，气阀C 25和管道泵B 24开启，取出蓄热池7中储存的热能向散热器17直接供暖，蓄热池7通过空气滤清器29补充空气。

Claims (7)

1.一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，包括设置在采暖建筑（18）上的太阳能集热器（19）、采暖建筑（18）内置的散热器（17）、设置在地表下方的蓄热池（7）、连通三者的传输管路、设置在传输管路内部的传热载体；其特征在于：所述的蓄热池（7）由从中心呈放射状分布的换热井（2）组成，所述的换热井（2）内均设置有U型换热管（1），所述的U型换热管（1）上端借助地埋汇流管（4）串联，所述的换热井（2）深度为30-50m，所述的换热井（2）由中心向外间距逐渐变大形成变间距设置，所述换热井（2）分布在多个同心正多边形端点或边长上，所述的正多边形为正六边形，最内层的正六边形半径D=1-1.5m，从内到外依次排列的正六边形第N层半径与第N-1层半径差值为D＋(N-1)d，其中d=0.2-0.3m，N≥1且N为正整数；所述的换热井（2）与相邻层的两个换热井（2）等边设置；所述的U型换热管（1）由中心向外、6-7只形成U型换热管串联组，所有U型换热管串联组由中心呈放射状分布，最外层的U型换热管（1）并联设置。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，其特征在于：所述的地埋汇流管（4）中心端与进水管（6）连通；最外层的U型换热管（1）并联与回水管（8）连通。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，其特征在于：所述的蓄热池（7）上面铺设有保温层（3），保温层（3）厚度＞30cm,保温层（3）上面铺设的土层厚度为0.7-1m。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，其特征在于：所述的蓄热池（7）中心设置有内置蓄热池温度传感器（15）的中心温度测量井（5），所述的蓄热池（7）外围设置有内置蓄热池温度传感器（15）的外围温度测量井（9），所述的外围温度测量井（9）与相邻外围的两个换热井（2）等边设置；集热器温度传感器（20）设置在太阳能集热器（19）内部。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，其特征在于：所述的中心温度测量井（5）与外围温度测量井（9）内部分别设置有温度测量点，温度测量点包括上部测量点（a）、中间测量点(b)和下部测量点(c)，所述的下部测量点(c)设置在U型换热管（1）底部上方1-1.5m处，所述的上部测量点（a）设置在保温层（3）下方0.5-1m处，所述的中间测量点(b)设置1-3个。
6.根据权利要求2或4所述的一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，其特征在于：所述的传热载体为水时，
所述的供暖系统包括连通太阳能集热器（19）与U型换热管（1）的阀门B（12）和水泵A（13）、连通太阳能集热器（19）与散热器（17）的阀门A（11）和水泵B（14）、连通散热器（17）与U型换热管（1）的水泵B（14）、连接地埋汇流管（4）的进水管（6）和回水管（8）、设置在采暖建筑（18）内部的控制器（16）、与控制器（16）分别相连的集热器温度传感器（20）和蓄热池温度传感器（15）。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统，其特征在于：所述的传热载体为空气时，
所述的供暖系统包括连通太阳能集热器（19）与U型换热管（1）的气阀B（22）和管道泵（23）、连通太阳能集热器（19）与散热器（17）的气阀A（21）和管道泵B（24）、连通散热器（17）与U型换热管（1）的气阀C（25）和管道泵B（24）、连接U型换热管（1）的进气管（26）和排气管（27）、设置在采暖建筑（18）内部的控制器（16）、与控制器（16）分别相连的集热器温度传感器（20）和蓄热池温度传感器（15）、与排气管（27）连接的气阀D（30）和气阀E（28），所述的采暖建筑（18）内设置有空气滤清器（29），所述的空气滤清器（29）与气阀D（30）相连接。
CN201910412017.0A 2019-05-17 2019-05-17 一种太阳能跨季节土壤蓄能供暖系统 Active CN110043944B (zh)

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