CN115406280A - 一种地下空间储能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地下空间储能方法，将建筑物的余热存储在地下空间水体，当需要热能时，利用热泵提取热能，该方法使用换热系统，所述换热系统包括换热站、热泵，热泵系统A和热泵系统B，热泵系统A在换热站和建筑物之间转移热能；热泵系统B在所述换热站和所述地下空间储能水体之间热量转移；热泵系统B包括地下压缩泵组和换热站内压缩泵组通过承压管串联方式连接，热工质在内部循环流动；通过热工质的液化、气化，实现热能在地下空间水体和换热站之间的转移。地下空间起到了热能存储库的作用。地下空间距离地表数十米，对其利用不会过多占用土地资源；水体比土壤具有更大的热容，能储集更多的能量。
Description
技术领域
本发明属于能量存储技术领域，具体是一种地下空间储能的方法。
背景技术
地源热泵技术，是利用地下的土壤温度相对稳定的特性， 通过消耗相对高品质能，在冬天从低位热源中的提取热量，在夏天将热量转移到低位热源中，达到供暖或制冷的目的。
现阶段地源热泵技术存在以下问题：土壤热失衡、破坏土壤环境、受自然条件影响大、占地面积大。
①土壤热失衡问题:对于冬夏冷热负荷并不一致的区域,排入地下热量和吸收地下热量之差会增大, 导致热泵效率降低， 并且破坏地源的热量平衡。
②对于土壤埋管式热泵系统，土壤环境温度的剧烈变化会导致土壤微生物环境也出现剧烈变化。土壤换热器的埋置深度的大小也决定了系统对植物根系、土壤微生物、建筑物基础的影响程度。进一步破坏地下水环境。
③浅埋式地源热泵受气候的影响较大，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。
④大量的地埋管需要占用大量的土地资源，造成浪费。
我国幅员辽阔，很多地区发育溶洞。溶洞在以碳酸盐为主的可溶性岩石地区，由于地下水流对岩石的溶蚀作用和机械破坏作用，在岩体中形成的洞穴。我国境内碳酸盐岩类岩层纵深横广，溶洞现象普遍。在一些矿产采空后形成稳定地下空间，如盐矿、煤矿等。利用此类空间水体进行储能是值得开发的一种技术。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种地下空间储能方法，利用自然形成或人工废弃的地下空间（如地下灰岩溶洞、废弃矿井等），作为储能空间，地下空间内的水体作为储能介质，储集工厂废热、太阳能热和建筑物自身热，在需要时可以再通过热泵提取使用。
本发明的技术方案如下：本方案的应用前提条件：建筑物附近具有已知的地下空间，如溶洞、废弃矿井等。
结构内容及连接关系：本方案主要有3大系统：工厂废热循环系统、太阳能热循环系统、建筑物热泵系统。三大系统相互独立。工厂废热循环系统包括闭环循环管路、泵组、地下散热器。在泵组的作用下，工厂产生的热水，在闭环管路中循环至地下空间，在底部的散热器中，与外界水体发生热交换，温度降低，并在泵力作用下循环至地表工厂。太阳能热水循环系统，结构与工厂废热循环系统相似。由集热器产生的热水，在泵力作用下，在封闭管路中循环流动，将热能散发到地下空间水体中。在地下空间储能系统和建筑物之间建立换热站，以储水热池作为热能缓冲区，用于缓冲建筑热能和地下空间水体热能；热泵系统A用于在换热站和建筑物之间转移热能。热泵系统B用于换热站和地下空间储能水体之间热量转移。地下压缩泵组和地表换热站内压缩泵组通过承压管串联方式连接，热工质在内部循环流动。通过热工质的液化、气化，实现热能在地下空间水体和地表换热站热池之间的转移。在井下增压泵组安装温压传感器，根据温度压力变化情况，调整增压泵功率。
各系统在地层孔范围段内，使用隔热材料将管路与地层孔之间的孔隙填筑。
工作原理及过程：本方案主要是利用地下空间的水体作为储热物质进行热能的存储。将工厂废热、太阳能以及建筑物的余热存储在地下空间。当需要热能时，利用热泵提取热能。
工厂废热储集和太阳能储集，利用温差效应将高温水的热能转移到低温水体。散热器设计在地下空间底部，传导过程中，利用温差效应，形成水体的自然对流，提高热传导速率。
建筑物余热回收，利用热泵原理，热工质在加压液化过程中放热，在释压气化过程吸热。利用沟通热池与建筑物的热泵系统A，将建筑物的热能转移到热池，提升热池内水体温度。利用联通热池与地下空间的循环泵系统，将热池中的高温水排入地下空间，并抽取地下空间中冷水进入热池，以降低热池中水体温度，提高热泵系统A的排热效率。
提取地下空间热能过程。利用沟通地下空间与热池的循环泵系统抽取地下空间高温的水体到热池中，提高热池温度。这时利用沟通热池和建筑物之间的热泵，转移热池中热量至建筑物，从而实现建筑物供暖。
有益效果
1. 本发明的整套系统实现在热能富余情况下将工厂余热、太阳能热及建筑物余热储存在地下空间水体，在需求热能的时候，利用热泵将热能提取。地下空间起到了热能存储库的作用。
2. 地下空间距离地表数十米，对其利用不会过多占用土地资源；水体比土壤具有更大的热容，能储集更多的能量。
3. 地下空间水体在储热和取热过程中利用水体温度差，实现自动对流，加快热能传导，提高系统工作效率。
附图说明
图1是本发明的地下空间储能方案图。
其中，1是工厂，2是换热器，3水泵及过滤器，4是泵组，5是太阳能板，6是换热站，7是建筑物，8是循环管路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的解释。
一种地下空间储能方法，将建筑物的余热存储在地下空间，当需要热能时，利用热泵提取热能，该方法使用换热系统，所述换热系统包括换热站、热泵，热泵系统A在换热站和建筑物之间转移热能；水体循环系统B在换热站和地下空间进行水体转移，从而实现热能在换热站和地下空间水体间的转移；
所述余热存储具体是，将建筑物余热回收至换热站，提高换热站水体温度，在水泵力作用下升温后的热水运移至地下空间部分，提高地下空间水体温度，储集热能。并领用另一支水管抽取地下冷水，补充至换热站中，降低换热站热池内的水体温度。
所述提取热量具体是，利用水泵抽取地下空间中高温水体至换热站中，提高换热站热池中水体温度。利用连接热池和建筑物之间的水源热泵，将热池水体中的热能运移至建筑物，为建筑物供暖。热池中被降温的水体，在水泵的作用下运移至地下空间。
所述地下空间是溶洞或废弃矿井。
该方法还使用废热循环系统，所述废热循环系统包括闭环循环管路、泵组、地下散热器，在泵组的作用下，地表废热水，在闭环管路中循环至地下空间，在底部的散热器中，与地下空间的水体发生热交换，温度降低，并在泵力作用下循环至地表。
该方法还使用太阳能热循环系统，所述太阳能热水循环系统，由集热器产生的热水，在泵力作用下，在封闭管路中循环流动，通过地下换热器将热能散发到地下空间水体中。
所述换热站还包括热池，以储水作为热能缓冲。
在地下管路中，尤其是联通热池和地下空间水体的水泵下安装过滤器，降低水体中杂质。
所述热工质包括二氯一氟甲烷、五氟丙烷、一氯三氟丙烯、正丁烷、二氯四氟乙烷任何之一。
工程试验：试验过程中建立了一个小型系统，利用一个面积400m2深3m的水池作为缓存热池。回收一个建筑面积500m2楼房热量。采用100kw的空气源热泵为建筑物制冷（即储集建筑物热量），热量通过安置在热池中的散热片将热量排放至热池水体内。试验过程中，对热池做好隔热保护，防止外部环境影响。第一次试验，试验环境温度30℃，建筑物制冷设置温度26℃。热池中注满10℃水，100kw空气能热泵连续开机12小时，热池中水升温至11.1℃。第二次试验，试验环境温度30℃，建筑物制冷设置温度26℃。热池中注满15℃水，100kw空气能热泵连续开机12小时，热池中水升温至16℃。说明热池中水体温度高会降低热能吸收效率。可以推论出：通过循环水泵将热池中升温的水体与地下空间的低温水体进行交换，降低热池水体温度，有利于提高热能储集。
地下空间储能量计算：在地下空间水体量1×105m3，深度50m， 温度10℃，水的比热容4.2×103J/kg.k，水体每提升1℃，可以存储4.2×1013J， 即4.2×104GJ（1GJ=109J）。水体5℃的提升及储层能量21万GJ。每平米一个供暖季需要热量大约0.5G。10万m2的建筑群一个供暖季需要5万GJ。由此可见，一个地下50米深10万方的储水空间，水体温度在提升5℃的变化下，理想状态下存储40万平方米建筑群一个供暖季的热量。
Claims (9)
1.一种地下空间储能方法，其特征在于，将建筑物的余热存储在地下空间水体，当需要热能时，利用热泵提取热能，该方法使用换热系统，所述换热系统包括换热站、热泵，所述热泵包括热泵系统A和热泵系统B，所述热泵系统A在换热站和建筑物之间转移热能；所述热泵系统B在所述换热站和所述地下空间储能水体之间热量转移；所述热泵系统B包括地下压缩泵组和换热站内压缩泵组通过承压管串联方式连接，热工质在内部循环流动；通过热工质的液化、气化，实现热能在地下空间水体和换热站之间的转移。
2.根据权利要求1所述地下空间储能方法，其特征在于，所述余热存储具体是，将建筑物余热回收至换热站，被压缩液化的热工质在热池段释压气化，吸收热池的热能，升温后的热工质，携带热能，在泵力作用下运移至地下空间部分，在地下空间水体下，在压缩机组的作用下液化，将热量释放到水体中。
3.根据权利要求1所述地下空间储能方法，其特征在于，所述提取热量具体是，液化高压的热工质输送至地下空间水体周围的换热器内，逐步释压，吸收地下空间水体的热量；然后在地下增压泵组的作用下，运送到换热站，在地表压缩机组作用下，液化放热。
4.根据权利要求1所述地下空间储能方法，其特征在于，所述地下空间是溶洞或废弃矿井。
5.根据权利要求1所述地下空间储能方法，其特征在于，该方法还使用废热循环系统，所述废热循环系统包括闭环循环管路、泵组、地下散热器，在泵组的作用下，地表废热水，在闭环管路中循环至地下空间，在底部的散热器中，与地下空间的水体发生热交换，温度降低，并在泵力作用下循环至地表。
6.根据权利要求1或5所述地下空间储能方法，其特征在于，该方法还使用太阳能热循环系统，所述太阳能热水循环系统，由集热器产生的热水，在泵力作用下，在封闭管路中循环流动，通过地下换热器将热能散发到地下空间水体中。
7.根据权利要求1所述地下空间储能方法，其特征在于，所述换热站还包括热池，以储水作为热能缓冲。
8.根据权利要求1所述地下空间储能方法，其特征在于，在地下增压泵组安装温压传感器，根据温度压力变化情况，调整增压泵功率。
9.根据权利要求1所述地下空间储能方法，其特征在于，所述热工质包括二氯一氟甲烷、五氟丙烷、一氯三氟丙烯、正丁烷、二氯四氟乙烷任何之一。
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