CN110542339B - 一种被动式跨季节供能蓄能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动式跨季节供能蓄能系统，旨在提供一种采用被动式潜热热交换方式，能够实现同一系统蓄能和供能的一体化切换的系统。包括用于充注相变工质并埋于蓄能体中的密封容器、换热器、第一流体管和第二流体管，第一流体管的一端与换热器的第一工质接口连通，另一端穿过密封容器上端面且管口端面位于密封容器内上部；第二流体管一端与换热器的第二工质接口连通，另一端穿过密封容器上端面且管口下端面浸入相变工质内部；第二流体管上安装有吸液控制单元；吸液控制单元两侧的第二流体管内有吸液芯。本发明的系统采用了被动式潜热热交换方式，能够大幅降低系统的输送功耗，有效提升单位延米换热量，系统运行稳定。

Description

一种被动式跨季节供能蓄能系统

技术领域

本发明涉及跨季节蓄能技术领域，更具体的说，是涉及一种冬季供热的被动式系统、夏季供冷的被动式系统，以及被动式跨季节供能蓄能系统及其运行控制方法。

背景技术

跨季节蓄能技术中，跨季节埋管蓄能(BTES)因与热泵系统高度耦合从而具备独特应用优势和潜力。众所周知，BTES中包含大量的钻孔、填料、埋管换热器、循环流体、分集水器和水泵等组成部分。传统BTES主要是通过水泵驱动循环流体(水)流经埋管的方式向地下注入/提取热量，属于主动式显热热交换系统，除了需要消耗大量的水泵输送功耗外，其蓄热/取热效率也较低。因而，工程设计人员不得不通过增加井群数量以维持整个系统的运行性能，而这也导致了当前BTES工程造价的居高不下，严重影响了BTES的大规模推广应用。此外，过度打井和不合理的施工也将对地下土壤和水环境产生潜在的不可逆生态损伤。为了有效提升BTES换热效率、降低工程造价和对周边地下生态环境影响，当前技术人员主要采取了使用双U管或其它异型管替代单U管以提升埋管换热器单位延米换热量。虽然这一措施有助于减少井群数量和附属设备用量，但其它施工难题随之而来。例如，双U管/异型管在钻孔下管过程容易产生形变造成双U管/异型管之间相互贴合(俗称“短路”)，造成短路点以下的埋管部分甚至全部失效，使得整个BTES的实际可用容量严重偏离设计值。此外，填料回填过程也可能因钻孔情况不同和回填随机性操作而产生不均匀回填现象，造成不同位置钻孔的热扩散系数和换热效率的不同，不利于BTES蓄热/取热过程的精细化管理。因此，传统主动式BTES中存在的上述弊端已成为相关技术人员亟需解决的工程技术难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种采用被动式潜热热交换方式，能够实现同一系统蓄能和供能的一体化切换的被动式跨季节供能蓄能系统。

本发明的另一个目的是提供一种采用被动式潜热热交换方式的被动式供冷系统。

本发明的再一个目的是提供一种采用被动式潜热热交换方式的被动式供热系统。

本发明的再一个目的是提供一种采用被动式潜热热交换方式供能蓄能的运行控制方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种被动式跨季节供能蓄能系统，包括用于充注相变工质并埋于蓄能体中的密封容器、换热器、第一流体管和第二流体管，所述第一流体管的一端与所述换热器的第一工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端面且管口端面位于所述密封容器内上部；所述第二流体管一端与所述换热器的第二工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端面且管口下端面浸入相变工质内部；所述第二流体管上安装有吸液控制单元；所述吸液控制单元两侧的所述第二流体管内分别设置有吸液芯，所述吸液芯中心设置有流体流道；所述吸液控制单元用于切断或闭合所述吸液控制单元两侧吸液芯的连接；所述换热器的换热流体接口与供能系统或蓄能系统连接。

所述吸液芯内表面设置有多个肋状凸体，所述吸液控制单元包括管体，所述管体内设置有连接吸液芯，所述连接吸液芯的内表面设置有与所述吸液芯内表面的肋状凸体相对应的凸起，所述连接吸液芯与旋转驱动机构连接；旋转驱动机构驱动所述连接吸液芯转动使得连接吸液芯的凸起与吸液芯的肋状凸体相接或分离；或者，所述吸液控制单元包括设置于所述第二流体管上的旁通管和三通阀。

所述第二流体管由直管段和浸入相变工质内的弯管组成；所述第一流体管上设置有相变工质充注口。

所述旋转驱动机构包括安装于管体中部的空心阀座，所述空心阀座内部设置有相啮合的从动齿轮与主动齿轮，所述从动齿轮与所述连接吸液芯键连接，所述主动齿轮与驱动电机的输出轴连接。

一种被动式跨季节供能蓄能系统的运行控制方法，包括冬季运行控制方法和夏季运行控制方法；

所述冬季运行控制方法包括下述步骤：调节吸液控制单元中的连接吸液芯与第二流体管中的吸液芯的断开，不能连续产生毛细力作用；密封容器中的相变工质吸收周边蓄能体蓄存的热量相变蒸发成为汽态相变工质，随之在相变力的作用下聚集在密封容器的上盖处，经第一流体管进入换热器中释放热量相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下经第二流体管回流至密封容器中，完成相变工质的循环过程；释放至换热器中的热量经热源供水管路和热源回水管路带走供建筑冬季采暖使用；

所述夏季运行控制方法包括下述步骤：调节吸液控制单元中的连接吸液芯与第二流体管中的吸液芯相接，能连续产生毛细力作用；液态相变工质在毛细力作用下经弯管和第二流体管被吸至换热器内；被吸至换热器处的液态相变工质受热相变蒸发成为汽态相变工质，在相变作用下通过第一流体管进入密封容器内，并在密封容器中受到周围蓄冷体的冷却作用相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下回流至密封容器底部，完成相变工质的循环过程；热源供水管路中的循环工质经过冷却后经由热源回水管路被输送至建筑端供建筑夏季制冷使用。

一种被动式供热系统，包括用于充注相变工质的密封容器、换热器、取热管和回流管，所述取热管的一端与所述换热器的第一工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端面且管口端面位于所述密封容器内上部；所述回流管一端与所述换热器的第二工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端面且管口端面位于所述密封容器内部相变工质液面下部。

所述取热管上设置有相变工质充注口。

一种被动式供冷系统，包括用于充注相变工质的密封容器、换热器、取冷管和流体下降管，所述取冷管的一端与所述换热器的第二工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端且管口下端浸入相变工质内部，所述取冷管内设置有贯穿所述取冷管的吸液芯；所述流体下降管一端与所述换热器的第一工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端且管口端面位于所述密封容器内部。

所述取冷管由直管段和浸入相变工质内的弯管组成；所述流体下降管上设置有相变工质充注口。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的系统采用了被动式潜热热交换方式，能够大幅降低系统的输送功耗，有效提升单位延米换热量，并减少BTES系统所需钻井数量和对蓄能体周边地下空间的生态影响。而且，可有效避免传统埋管式蓄能井“短路”现象的产生。系统运行的稳定性大大提高。

2、本发明的系统地埋部分中的密封容器可以直接下沉至钻孔中，消除了传统BTES施工中填料回填步骤，因此可有效避免回填过程中不均匀回填的产生。

3、本发明的系统可以采用模块化设计、施工和拆解，只需预留好相应钻孔并在后期依次将地埋组件下沉至预留钻孔中即可完成大部分土建施工任务，可大幅降低施工复杂程度和所需施工周期，提升施工安装的模块化程度。

4、本发明的系统中的第二流体管由直管段与弯管段组成，可以防止蓄冷或者供热过程中密封容器内的蒸汽倒灌现象的产生，提升系统的运行稳定性。

5.本发明的被动式跨季节供能蓄能系统设有独特的吸液芯控制单元，通过吸液芯的阻断或连接，可以在同一系统中同时实现集热蓄热和集冷蓄冷双重功能的高度一体化集成。

附图说明

图1所示为本发明被动式跨季节供能蓄能系统的结构示意图；

图2所示为一种实施例的吸液控制单元的结构示意图；

图3所示为A-A的剖面图；

图4所示为另一种实施例的吸液控制单元的结构示意图；

图5所示为本发明被动式供热系统的结构示意图；

图6所示为本发明被动式供冷系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的被动式跨季节供能蓄能系统的结构示意图如图1所示于，包括用于充注相变工质8并埋于蓄能体中的密封容器3、换热器4、第一流体管9-3和第二流体管10-3，所述第一流体管9-3的一端与所述换热器4的第一工质接口连通，另一端穿过所述密封容器3上端且管口端面位于所述密封容器3内上部。所述第二流体管10-3一端与所述换热器4的第二工质接口连通，另一端穿过所述密封容器3上端且管口下端浸入相变工质8内部。所述第二流体管10-3上安装有吸液控制单元6。所述吸液控制单元6两侧的所述第二流体管内分别设置有吸液芯5。吸液芯5采用常规结构，所述吸液芯5中心设置有流体流道，其内壁上设置有多个肋状凸体和凹槽。所述吸液控制单元6用于切断或闭合所述吸液控制单元两侧吸液芯5的连接。根据实现功能的不同所述换热器4的换热流体接口与供能系统或蓄能系统连接。当换热器的换热流体接口与建筑物的供暖或供冷系统连接时，为建筑物供暖或供冷，当换热器的换热流体接口与蓄能装置连接时，在蓄能体中蓄热或蓄冷。

所述吸液控制单元的一种实施例的结构示意图如图2所示，所述吸液芯5内表面设置有多个肋状凸体，所述吸液控制单元包括管体6-1，所述管体6-1内设置有连接吸液芯6-2，所述连接吸液芯6-2的内表面设置有与所述吸液芯5内表面的肋状凸体相对应的凸起6-3，所述连接吸液芯6-2的剖面图如图3所示。所述连接吸液芯6-2与旋转驱动机构连接，旋转驱动机构驱动所述连接吸液芯6-2转动使得连接吸液芯6-2的凸起6-3与吸液芯5的肋状凸体相接或分离。所述旋转驱动机构可以采用推杆、扳手、旋转液压缸等多种结构。本实施例中，为了实现自动旋转，所述旋转驱动机构包括安装于管体6-1中部的空心阀座6-4，所述空心阀座6-4内部设置有相啮合的从动齿轮6-5与主动齿轮6-6，所述从动齿轮6-5与所述连接吸液芯6-2键连接，所述主动齿轮6-6与驱动电机6-7的输出轴连接。启动电机6-7驱使主动齿轮6-6转动，并通过从动齿轮6-5带动连接吸液芯6-2转动一定角度(例如转动30°)，使得连接吸液芯6-2的肋状凸起6-3与第二流体管10-3中安装的吸液芯5的凹槽对齐，由此阻断连接吸液芯6-2的肋状凸起6-3与吸液芯5肋状凸体的连接，不能连续产生毛细力的作用。启动电机6-7驱使主动齿轮6-6转动，并通过从动齿轮6-5带动连接吸液芯6-2再次转动一定角度(例如30°)，使得连接吸液芯6-2的肋状凸体6-3与第二流体管10-3内的吸液芯5的肋状凸起对齐，由此接通连接吸液芯6-2与吸液芯5的连接，产生持续的毛细力作用。

所述吸液控制单元的另一种实施例的结构示意图如图4所示，所述吸液控制单元包括设置于所述第二流体管10-3上的旁通管6-8和三通阀6-9。旁通管6-8中不安装吸液芯，旁通管6-8用于连通所述第二流体管10-3的上段和下段。具体连接方式为：旁通管6-8的一端与三通阀的B接口连接，旁通管6-8的另一端与所述三通阀6-9的A接口并联后与所述第二流体管10-3的上段连接，三通阀6-9的C接口与第二流体管10-3的下段连接。三通阀6-9的A接口上段及C接口下段的第二流体管10-3中安装有吸液芯5。当三通阀6-9的AC通道开启BC通道关闭时，第二流体管10-3上段与下段的吸液芯5即互相连通，对内筒体内的相变工质8能够产生毛细力作用。当三通阀的BC通道连通AC通道关闭时，通过旁通管6-8连接第二流体管10-3的上段与下段，第二流体管10-3上段与下段中的吸液芯5断开，不能产生毛细力作用。

所述第二流体管10-3由直管段和浸入相变工质8内的弯管7组成。为了便于充注相变工质8及密封容器3内抽真空，所述第一流体管9-3上设置有相变工质充注口12。第二流体管10-3通过固定支架11固定在密封容器3内。

本发明的被动式跨季节供能蓄能系统安装施工方式如下：首先，在蓄能体1上打预留钻孔15。在此基础上，将密封容器3的筒体部分下沉至蓄热体的预留钻孔15中，并固定安装弯管7和第二流体管10-3，随后通过焊接方式将密封容器3的上盖部分安装于密封容器3的筒体之上，形成密封容器3。将第一流体管9-3穿过上盖插入筒体内，并与上盖做好密封。随后在蓄能体1和上盖上方铺设蓄能体保温层2。在第二流体管10-3上安装吸液芯控制阀6，随后将第一流体管9-3和第二流体管10-3与换热器4连接。上述步骤完成后，通过相变工质充注口12进行抽真空并完成相变工质8的充注过程。

本发明的被动式跨季节供能蓄能系统分为冬季模式(蓄冷或取热)和夏季模式(蓄热或取冷)两种。

冬季(蓄冷或取热)模式：调节吸液控制单元中的连接吸液芯6-2与第二流体管10-3中的吸液芯5的连接断开，不能连续产生毛细力作用。首先，密封容器3中的相变工质8吸收周边蓄能体1蓄存的热量相变蒸发成为汽态相变工质，随之在相变力的作用下聚集在密封容器3的上盖处，经第一流体管9-3进入换热器4中释放热量相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下经第二流体管10-3回流至密封容器3中，完成相变工质8的循环过程。释放至换热器4中的热量经热源供水管路13和热源回水管路14带走供建筑冬季采暖使用。

夏季(蓄热或取冷)模式：调节吸液控制单元中的连接吸液芯6-2与第二流体管10-3中的吸液芯5相接，能连续产生毛细力作用。液态相变工质在毛细力作用下经弯管7和第二流体管10-3被吸至换热器4内；此时，由于热源供水管路13的换热介质温度较高，因此，被吸至换热器4处的液态相变工质受热相变蒸发成为汽态相变工质，在相变作用下通过第一流体管9-3进入密封容器3内，并在密封容器3中受到周围蓄冷体的冷却作用相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下回流至密封容器3底部，完成相变工质8的循环过程。热源供水管路13中的循环工质经过冷却后经由热源回水管路14被输送至建筑端供建筑夏季制冷使用。

本发明被动式供热系统的结构示意图如图5所示，包括用于充注相变工质的密封容器3、换热器4、取热管9-1和回流管10-1。密封容器可以由筒体和上盖组成。所述取热管9-1的一端与所述换热器4的第一工质接口连通，另一端穿过所述密封容器3上端且下管口端面位于所述密封容器3内上部。所述回流管10-1一端与所述换热器4的第二工质接口连通，另一端穿过所述密封容器3上端且下管口端面位于所述密封容器3内下部，所述回流管10-1的下管口端面最好是浸入相变工质8内。

为了便于充注相变工质8及密封容器3内抽真空，在所述取热管9-1上设置有相变工质充注口12。回流管10-1通过固定支架11固定在密封容器3内。

使用时，在蓄能体1中打预留钻孔15，将密封容器3下沉至预留孔钻15中。并在蓄能体1上安装保温层2。密封容器3中的相变工质8吸收周边蓄能体1蓄存的热量相变蒸发成为汽态相变工质，随之在相变力的作用下聚集在密封容器3的上部，并经取热管9-1进入换热器4中释放热量相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下经回流管10-1回流至密封容器3中，完成相变工质8的循环过程。相变工质释放至换热器4的热量经热源供水管路13和热源回水管路14带走供建筑冬季采暖使用。

本发明的被动式供冷系统的示意图如图6所示，包括用于充注相变工质的密封容器3、换热器4、取冷管10-2和流体下降管9-2，所述取冷管10-2的一端与所述换热器4的第二工质接口连通，另一端穿过所述密封容器3上端且管口下端浸入相变工质8内部，所述取冷管10-2内设置有贯穿所述取冷管的吸液芯5。所述流体下降管9-2一端与所述换热器4的第一工质接口连通，另一端穿过所述密封容器3上端且管口端面位于所述密封容器3内部。

其中，所述取冷管10-2由直管段和浸入相变工质8内的弯管7组成。为了便于充注相变工质8及密封容器3内抽真空，所述流体下降管9-2上设置有相变工质充注口12。取冷管10-2通过固定支架11固定在密封容器3内。

使用时，在蓄能体1中打预留钻孔15，将密封容器3下沉至预留钻孔15中。并在蓄能体1上安装保温层2。首先，密封容器3内的液态相变工质在毛细力作用下经取冷管10-2进入换热器4中，此时，由于热源供水管路13的换热介质温度较高，因此进入换热器4中的液态相变工质受热相变蒸发成为汽态相变工质，即在相变力的作用下通过流体下降管9-2进入密封容器3内，由于受到周围蓄冷体的冷却作用相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下回流至密封容器3底部，完成相变工质8的循环过程。热源供水管路13中循环工质经过冷却后经由热源回水管路14被输送至建筑端供建筑夏季制冷使用。

本发明的被动式跨季节供能蓄能系统采用了被动式潜热热交换方式，能够大幅降低系统的输送功耗并有效提升单位延米换热量，有效减少了所需钻井数量和对蓄能体周边地下空间的生态影响。而且，可有效避免传统埋管式蓄能井“短路”现象的产生，系统运行的稳定性大大提高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种被动式跨季节供能蓄能系统，其特征在于，包括用于充注相变工质并埋于蓄能体中的密封容器、换热器、第一流体管和第二流体管，所述第一流体管的一端与所述换热器的第一工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端面且管口端面位于所述密封容器内上部；所述第二流体管一端与所述换热器的第二工质接口连通，另一端穿过所述密封容器上端面且管口下端面浸入相变工质内部；所述第二流体管上安装有吸液控制单元；所述吸液控制单元两侧的所述第二流体管内分别设置有吸液芯，所述吸液芯中心设置有流体流道；所述吸液控制单元用于切断或闭合所述吸液控制单元两侧吸液芯的连接，在冬季模式下，切断所述吸液芯的连接，不能连续产生毛细力作用；在夏季模式下，闭合所述吸液芯的连接，能连续产生毛细力作用；所述换热器的换热流体接口与供能系统或蓄能系统连接；所述第二流体管通过固定支架固定在密封容器内。

2.根据权利要求1所述的被动式跨季节供能蓄能系统，其特征在于，所述吸液芯内表面设置有多个肋状凸体，所述吸液控制单元包括管体，所述管体内设置有连接吸液芯，所述连接吸液芯的内表面设置有与所述吸液芯内表面的肋状凸体相对应的凸起，所述连接吸液芯与旋转驱动机构连接；旋转驱动机构驱动所述连接吸液芯转动使得连接吸液芯的凸起与吸液芯的肋状凸体相接或分离；或者，所述吸液控制单元包括设置于所述第二流体管上的旁通管和三通阀。

3.根据权利要求2所述的被动式跨季节供能蓄能系统，其特征在于，所述第二流体管由直管段和浸入相变工质内的弯曲管段组成；所述第一流体管上设置有相变工质充注口。

4.根据权利要求3所述的被动式跨季节供能蓄能系统，其特征在于，所述旋转驱动机构包括安装于管体中部的空心阀座，所述空心阀座内部设置有相啮合的从动齿轮与主动齿轮，所述从动齿轮与所述连接吸液芯键连接，所述主动齿轮与驱动电机的输出轴连接。

5.一种权利要求1所述的被动式跨季节供能蓄能系统的运行控制方法，其特征在于，包括冬季运行控制方法和夏季运行控制方法；

所述冬季运行控制方法包括下述步骤：调节吸液控制单元中的连接吸液芯与第二流体管中的吸液芯的断开，不能连续产生毛细力作用；密封容器中的相变工质吸收周边蓄能体蓄存的热量相变蒸发成为汽态相变工质，随之在相变力的作用下聚集在密封容器的上盖处，经第一流体管进入换热器中释放热量相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下经第二流体管回流至密封容器中，完成相变工质的循环过程；释放至换热器中的热量经热源供水管路和热源回水管路带走供建筑冬季采暖使用；

所述夏季运行控制方法包括下述步骤：调节吸液控制单元中的连接吸液芯与第二流体管中的吸液芯相接，能连续产生毛细力作用；液态相变工质在毛细力作用下经弯管和第二流体管被吸至换热器内；被吸至换热器处的液态相变工质受热相变蒸发成为汽态相变工质，在相变作用下通过第一流体管进入密封容器内，并在密封容器中受到周围蓄冷体的冷却作用相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下回流至密封容器底部，完成相变工质的循环过程；热源供水管路中的循环工质经过冷却后经由热源回水管路被输送至建筑端供建筑夏季制冷使用。