CN202630200U - 太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库 - Google Patents

太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，在大地表面以下地壳内还埋置有保温壳，保温壳设置于在大地表面上掘出的基坑内且位于地表冻土层之下，在保温壳内设置着由其包裹封起的实心蓄热体，在基坑内除保温壳所占空间外的剩余空间内设置有将保温壳埋置的充填料，在实心蓄热体内埋置有换热器和由换热工质输入管道与换热工质输出管道构成的换热工质输送管道，由换热器构成的地埋换热机组其最初端换热工质进液口连接换热工质输入管道一端的出液管口，地埋换热机组其最末端换热工质出液口连接换热工质输出管道一端的进液管口，换热工质输入管道另一端的进液管口与换热工质输出管道另一端的出液管口均设置于保温壳之外。本实用新型能有效跨季储热，将较热季节的太阳热能储存起来，用于建筑物采暖季采暖，建造成本较低。

Description

太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库
技术领域
本实用新型涉及太阳能热存储技术领域，特别是太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库。
背景技术
主动式太阳能建筑供暖系统是利用集热器、蓄热器、管道、风机及泵等设备来收集、储存和输配太阳热能的，调控系统中各部分继而能达到需要的室温，在国内外，已出现相对成熟的太阳能供暖产品，如空气集热器式、集热屋面式、窗户集热板式及水箱储热供暖式等形式。现有太阳能热储存方式存在的技术问题如下：
①空气集热器式系统储热方式的弊端—所谓空气集热器式系统是指在建筑的向阳面设置太阳能空气集热器，用风机给空气施压，使空气穿过碎石蓄热层内，其中一部分热量加热碎石，另一部分热量则送入建筑物室内用于采暖，由于碎石储热层属于一种敞开式热力学储热系统，其向外散热量较大，储热时间很短(如几个小时到几十个小时)，储热温度也较低，因此，这种系统只能在较为温暖的地区采暖使用，为了保证室内稳定采暖，一般还需要配备辅助热源，实际应用的空气集热器式太阳能主动采暖系统很少，在寒冷地区，尤其是在严寒地区，几乎无法正常供暖。②集热屋面式系统储热方式的不足—所谓集热屋面式太阳能房是把太阳能集热器放在坡屋面、用混凝土地板作为蓄热体的系统，例如日本的OM阳光体系住宅，在冬季，室外空气被屋面下的通气槽引入，积蓄在屋檐下，被安装在屋顶上的玻璃集热板，上升到屋顶最高处，通过通气管和空气处理器进入垂直风道转入地下室，加热室内水泥地板，同时热空气从地板通风口流入室内，由于室内水泥地板的容积有限且没有专门的保温措施，其热损失很大，是一种短期储热供暖方式，因此，这种系统及储热方式不适用于寒冷地区建筑供暖使用。③窗户集热板式系统储热方式的弊端—所谓窗户集热板式是由玻璃盒子单元、百叶集热板、蓄热单元、风扇和风管等组合而成的系统，玻璃夹层中的集热板把光能转化成热能，加热空气，空气受到风扇的驱动力，沿风管流向建筑内部的蓄热单元，该系统的蓄热单元一般用卵石等蓄热材料水平布置在地下，也可以垂直布置在建筑中心位置，这种蓄热方式也属于短期储热方式，最多可节约10%的供热能耗，适用于较温暖及太阳辐射强度高的小型建筑物辅助供暖。④太阳能水箱储热供暖方式的不足—利用水箱储热是目前较为普遍的太阳能供暖方式，这种方式也有技术缺陷：第一、在大气环境中的水箱储热的热损失量很大，目前，国内外所开发的太阳能供暖系统使用水箱作为储热装置，用水作为蓄热材料来储热，水箱放置在楼顶或室外地面上，处于大气环境中,由于水箱内的水蓄热温度较高(如50℃～60℃)，而冬季室外环境温度较低(如在严寒地区，最低可达-30℃左右)，即使对水箱采区了保温措施，在较大温差作用下，水箱储存的热量损失仍然很大，能够有效供暖使用的太阳热能很少；第二、水箱只能短期储热，而不能长期储热，在采暖季，当水箱蓄热温度达到预定值(如50℃～60℃)，环境温度偏低，因处于大气环境中的水箱热损失很大，在较短的时间内，水箱内蓄热温度会大幅降低，以致于无法达到供暖的温度(如35℃～40℃)，尤其在连续阴天雨雪天气，太阳能水箱储热供暖系统将彻底失去为建筑物供暖的能力；第三，水箱体积小，储热量少，建筑物冬季采暖热量需求是很大的，如节能建筑热负荷(即规定室外温度下，每小时每平方米建筑物采暖所需热量)约130MJ～150MJ/m2的供热量，设计日每平方米建筑物需要约2340MJ～2700MJ/m2的供热量，在最冷月，每平方米建筑物则需要约70200MJ～81000MJ/m2的供热量，对于一个1万m2或几万m2的建筑物(群)来说，建造很大体积的水箱储热供暖是不现实的。⑤地下水池储热供暖方式的技术问题—地下储热水池类似于地下修建的消防水池，其技术问题为：一是在地下修建水池储热，技术难度大，造价高；由于水容易汽化，水汽化将携带很多热量(即相变潜热)，修建在地下的水池需要密封防止气体泄漏，但密封的水池内气压将不断增高，气压增高更容易泄漏，为了较长时间储存热量，必须严格密封，另外，修建在地下的密闭水池必须具有一定的抗压承能力，以承担永久荷载、活动荷载及偶然荷载，因此，采取在地下修建水池储热的方法，技术难度大，造价高；二是在国外，大型水箱被放置在山洞里用于太阳能储热，但它只能在极个别的地方使用，局限性很大，不通用，无法普及。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，大幅度减少储热装置处于大气环境中热损量，能有效跨季储热，将较热季节的太阳热能储存起来，用于建筑物冬季采暖，使蓄热温度与集热温度、供热温度相匹配，既能承担一定的永久荷载、活动荷载及偶然荷载，又简单易行，建造成本较低，储热量大，能够满足大规模建筑冬季采暖需求。
本实用新型的目的是这样实现的：一种太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，在大地表面以下地壳内还埋置有保温壳，保温壳设置于在大地表面上掘出的基坑内且位于地表冻土层之下，在保温壳内设置着由其包裹封起的实心蓄热体，在基坑内除保温壳所占空间外的剩余空间内设置有将保温壳埋置的充填料，在实心蓄热体内埋置有换热器和由换热工质输入管道与换热工质输出管道构成的换热工质输送管道，由换热器构成的地埋换热机组其最初端换热工质进液口连接换热工质输入管道一端的出液管口，地埋换热机组其最末端换热工质出液口连接换热工质输出管道一端的进液管口，换热工质输入管道另一端的进液管口与换热工质输出管道另一端的出液管口均设置于保温壳之外。
本实用新型的研发思路为：当储热装置(如水箱等)放置在屋面或地面上，由于气温变化大，尤其是在严寒地区，夏季气温可达30℃以上，而冬季气温可到-30℃以下，所以储热损失量较大，与大气环境气温变化相比，大地土壤环境温度变化幅度很小(如寒冷地区和严寒地区冻土层以下几米年温度变化仅有3℃～6℃)，在十几米以下土壤温度几乎没有变化，而且冬季土壤温度较高，将太阳热储存装置修建在地下，利用大地环境具有的温度优势，可以解决大气环境下储热损失量大的问题，“夏储冬用”的跨季储热技术方案：①近似于定容绝热系统—本实用新型是一种封闭的热力学系统，近似于定容绝热过程，即容积V保持不变及与外界没有热交换热力学过程，当不断向本实用新型内释放热量，其蓄热量可表示为：Qh=U2－U1=mCv(Th2-Th1)，Qh—向本实用新型内输入的热量，U2、U1—本实用新型终态内能和初始内能，M—蓄热材料的质量，Cv—蓄热材料的定容比热容，Th2、Th1—本实用新型的终态温度和初始温度。②良好的保温围护结构—本实用新型使用热导率很低的保温材料，其具有保温、防水、防渗及抗压的技术指标，它的传热系数是很低的，通过使用专门的建造技术，对不同墙面采取不同的厚度，可使本实用新型达到较高的保温效果。③利用周围土壤保温—土壤的热导率较低，尤其是干旱地区，地下几米甚至几十米土壤湿度都很小，在缺乏水分的情况下，大大降低了由于温差导致水分携带热量迁移的热损失，因此，本实用新型周围的土壤也能够起到一定的保温作用。④本实用新型其实心蓄热体以固体蓄热材料为主，以固体-液体相变材料为辅，由于没有液体-气体的相变，避免了因气体泄露所造成的大量热损失。⑤在非采暖季加大得热量，抵消热损失，太阳能集热器所收集的热量将源源不断输送到本实用新型中，输入到本实用新型中的热量称为“得热量”，储热时间很长(如严寒地区约储存4320小时)，即使本实用新型建造在地下且对其采取了严格的保温措施，总会有一定量的热量散失到本实用新型外面土壤中，为了弥补热量损失，通过配置与热损失相应的采光面积，加大本实用新型的得热量，以抵消热损失，确保储存足够的热量供暖使用。
本实用新型其蓄热温度与集热温度、供热温度相匹配，本实用新型是太阳能地埋跨季储热供暖系统重要组成部分，也是实现集热温度(Ts)、蓄热温度(Tk)和供热水温(Tg)的温度梯度状态的重要一环，集热温度(Ts)温度是指集热器将所接收的太阳辐射转化为热能时，可以达到的温度；蓄热温度(Tk)是指集热器将收集的太阳热能输入到本实用新型中，蓄热材料可以达到的温度；供热水温(Tg)是指采用建筑物所需的供热温度，热力学第二定律指出高温会自然向低温传递，若形成[集热温度(Ts)＞蓄热温度(Tk)＞供热水温(Tg)]的温度梯度状态且热量从集热器传给本实用新型，本实用新型传给建筑物，则本实用新型不但能够为建筑物供热，也可以大幅度节能，若对地面蓄热库的科学合理设计、安排，则形成[蓄热温度(Tk)＜集热温度(Ts)及蓄热温度(Tk)＞供热水温(Tg)]的温度梯度状态，在这种温度梯度状态下，形成了一个科学合理的传热过程，能够大幅度降低机械能的消耗。
本实用新型所采取的抗压承重及降低造价的措施为：一是以具有很强抗压承重能力的固体蓄热材料为骨干且将固体-液体相变材料用抗压容器封装，因此其蓄热材料具有很强的抗压承重能力；二是使用保温砌块(保温砖)材料，其本身就具有较强的抗压承重能力且具有防水、防渗和防震性能，用保温砌块材料建造本实用新型的保温围护结构，具有较强的抗压承重能力；三是本实用新型采用专门的建造技术，根据本实用新型地上的永久荷载、可变荷载和偶然荷载的具体情况，进行结构设计，并采取科学适用的施工规范进行建造本实用新型，以确保其有足够的抗压承重能力；四是实心蓄热体(固体蓄热材料)采取就地取材，适当配置一定量的潜热蓄热材料，以降低成本；五是本实用新型采取适当的高度及埋设深度，采用传统建筑施工机械进行施工，以降低施工造价。
本实用新型能满足大规模建筑冬季采暖使用，由于本实用新型具有较强的抗压承重能力，能够承担较大的永久荷载、活动荷载及偶然荷载，一般被修建在建筑物的院内道路、停车场和草坪等的冻土层下，不占用地面场地，建造在地下的本实用新型能够充分利用地下空间，也能够将确保本实用新型具有足够的蓄热容积储存热量，一般情况下，按照日照间距规范建造的多层建筑物或建筑物群，都具备建造本实用新型的条件，因此，本实用新型能够满足大规模建筑物的冬季采暖需求。
综上所述，本实用新型能大幅度减少储热装置处于大气环境中热损量，能有效跨季储热，将较热季节的太阳热能储存起来，用于建筑物采暖季采暖，使蓄热温度与集热温度、供热温度相匹配，既能承担一定的永久荷载、活动荷载及偶然荷载，又简单易行，建造成本较低，储热量大。
附图说明
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的安放结构示意图；
图2为本实用新型的俯视局部剖视结构示意图(沿竖直方向观察)；
图3为本实用新型的平视局部剖视结构示意图(沿水平方向观察)。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作详细说明，但本实用新型的技术结构不受下述有限数量实施例的限制。
一种太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，如图1所示，在大地表面1以下地壳内还埋置有保温壳5，保温壳5设置于在大地表面1上掘出的基坑4内且位于地表冻土层3之下，如图3所示，在保温壳5内设置着由其包裹封起的实心蓄热体8(实心蓄热体8由高比热容的蓄热材料构成，蓄热系数越高越好)，在基坑4内除保温壳5所占空间外的剩余空间内设置有将保温壳5埋置的充填料2，在实心蓄热体8内埋置(预埋)有换热器9和由换热工质输入管道与换热工质输出管道构成的换热工质输送管道10，由换热器9构成的地埋换热机组其最初端换热工质进液口连接换热工质输入管道一端的出液管口，地埋换热机组其最末端换热工质出液口连接换热工质输出管道一端的进液管口，换热工质输入管道另一端的进液管口与换热工质输出管道另一端的出液管口均设置于保温壳5之外，便于与设置在地上户外的太阳能换热机组的进、出口分别通过换热工质输送管道配合连通。换热器9为热管换热器。
如图1所示，基坑4呈倒四棱锥形；如图1至图3所示，保温壳5为由保温砖6砌筑构成的保温围护层构成，保温围护层呈方形盒体状，实心蓄热体8相应呈方体状。
如图2所示，在保温壳5外壳壁周围设置有将保温壳5支撑、固定的支撑柱7，支撑柱7被埋置于填充料2内，即在保温壳5外壳壁与基坑4内周壁的间隙内设置有充填料2及埋置于充填料2内且将保温壳5支撑、固定的支撑柱7。
充填料2为从基坑4掘出的土料。
本实用新型的建造方法：
1、基坑挖掘
建造本实用新型，首先要挖掘基坑，基坑挖掘方式与建筑基础坑挖掘方式相同，即使用挖掘机挖土、装载机装卸、汽车运土等，为了防止塌方，对基坑需适当放坡，在地下水较浅的地方，需要采取降水措施。
2、底面和墙面保温围护结构建造
对基坑底面进行素土夯实作业，现浇混凝土垫层及构造柱等，在水泥垫层上进行底面保温围护结构的铺装及保温围护结构墙体的砌筑(粘接)，进行必要的防水处理与墙体保护。
3、充填蓄热材料
配置固体显热蓄热材料，向本实用新型保温壳中填充，在适当部位安放潜热蓄热材料(如模块式、灌装式等)。
4、铺设地埋热管(蓄热式换热器)
按照设计要求，分层铺设地埋热管(换热器)，并进行必要的固定。
5、管道连接
将集热系统放热管道和供热系统取热管道对应连接本实用新型的换热工质输入、输出管道，按照规范要求，对地面管道系统进行分层水压试验。
6、顶面保温围护结构建造
蓄热材料、地埋热管及管道铺装完毕后，进行必要的沉降，以加强抗压承重能力，在蓄热材料上现场浇混凝土垫层，在垫层上铺设顶面保温围护结构，在顶面保温围护结构上现浇较厚的混凝土垫层，以保护本实用新型内的实心蓄热体。
7、回填土
首先对本实用新型四周进行回填，并采取必要的沉降夯实措施，在埋蓄热库四周回填后，再对本实用新型整体进行回填。
8、场地恢复
本实用新型回填完毕后，平整地面，并按照要求进行场地恢复等工作。

Claims (5)

1.一种太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，其特征在于：在大地表面(1)以下地壳内还埋置有保温壳(5)，保温壳(5)设置于在大地表面(1)上掘出的基坑(4)内且位于地表冻土层(3)之下，在保温壳(5)内设置着由其包裹封起的实心蓄热体(8)，在基坑(4)内除保温壳(5)所占空间外的剩余空间内设置有将保温壳(5)埋置的充填料(2)，在实心蓄热体(8)内埋置有换热器(9)和由换热工质输入管道与换热工质输出管道构成的换热工质输送管道(10)，由换热器(9)构成的地埋换热机组其最初端换热工质进液口连接换热工质输入管道一端的出液管口，地埋换热机组其最末端换热工质出液口连接换热工质输出管道一端的进液管口，换热工质输入管道另一端的进液管口与换热工质输出管道另一端的出液管口均设置于保温壳(5)之外。
2.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，其特征是：换热器(9)为热管换热器。
3.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，其特征是：基坑(4)呈倒四棱锥形；保温壳(5)为由保温砖(6)砌筑构成的保温围护层构成，保温围护层呈方形盒体状，实心蓄热体(8)相应呈方体状。
4.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，其特征是：在保温壳(5)外壳壁周围设置有将保温壳(5)支撑、固定的支撑柱(7)，支撑柱(7)被埋置于填充料(2)内。
5.根据权利要求1所述的太阳能地埋跨季储热供暖系统专用地埋蓄热库，其特征是：充填料(2)为从基坑(4)掘出的土料。
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