CN210267456U - 热网、地热跨季节储热、供热系统 - Google Patents

热网、地热跨季节储热、供热系统 Download PDF

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李仲博
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赵青
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Abstract

一种热网、地热跨季节储热、供热系统。本实用新型利用现有的热力管网和供热厂内、用户建筑物附近空间建设地热储热单元，在非供暖季利用城市热网系统将多余的低价格废热储存到地下；供暖季再利用热泵系统将储存在地下的热提取出来变成产品，实现盈利的同时，降低冬季对化石燃料的消耗，缓解城市热网负担和大气污染。本实用新型克服了季节供热需求不平衡的问题，适宜在居民区和公共空地大面积推广。本实用新型可与集中供热互相补充使用，既提高了系统可靠性，也降低了大网负荷，也可考虑在供热负荷高峰期使用，从而减少对供热系统冗余度的设计。

Description

热网、地热跨季节储热、供热系统
技术领域
本实用新型涉及集中供热技术领域，具体而言涉及一种热网、地热跨季节储热、供热系统。
背景技术
夏季城市周边热电联产会产生大量的热，用于城市生活热水服务。然而，由于夏季热电联产所产生的热供过于求，实际热价只有供热季价格的一半不到，而且多余的热直接由空冷塔排入大气，造成了大量的能源浪费和城市热岛效应。而冬季由于城市供热需求量巨大，又需要增加热源供给。
传统的地热技术往往需要满足冷热平衡，因此除了少量的集中制冷公建外，居民区即便有大量空地也是难以建设地热供热项目的。
现有的供热系统在夏季产能过剩造成能源浪费和城市热岛效应，而在冬季又需要消耗大量能源才能够满足城市供热需求。这种季节性的波动造成大量能源被浪费，不利于环境且经济效益很低。
此外，随着城市规模的不断发展和人口的不断增长，城市的运转需要更多的能源消耗来满足居民的供暖制冷需求。为了有效的节约能源、降低环境污染，进行集中供热、制冷是可持续发展的一项重要举措。对于北方城市而言，城市的集中供暖体系经过长时间的发展已经比较成熟，但集中制冷体系却由于各种原因难以大范围推动，此外集中制冷还会集中产生大量的废热，也会加剧城市的热岛效应。以北京为例，随着服务业、金融业和IT行业的发展，出现了大量的科技园、创业园和开发区等公建群，一定程度上具备了实施集中制冷改造的条件。但城市用地紧张，建设集中制冷站和冷水管网具有非常大的实施难度，如何可持续地发展城市集中制冷成为大型城市发展所面临的问题。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的不足，提供一种利用现有热网实现跨季节储热、供热的系统，减少夏季能源浪费并降低冬季供热的能源消耗。
首先，为实现上述目的，提出一种热网、地热跨季节储热、供热系统，包括：热网管线，其通过供热阀门向用户建筑物内供热；换热站，通过管道连接所述热网管线与热电厂，用于将热电厂输出的热能转移至所述热网管线；环境温度传感器，其设置于所述用户建筑物内的公共区域内，用于采集用户建筑物内环境温度T；热网管线温度传感器，其设置于所述热网管线内，用于采集所述热网管线内供水温度Theat；供热阀门，设置在所述热网管线向所述用户建筑物供热的路径上，用于开启所述热网管线以向所述用户建筑物内供热，或关闭所述热网管线以关闭供热；地埋管，集中设置于所述用户建筑物附近的地下，构成地热储热单元；所述地埋管与所述热网管线之间还设置有热泵，所述热泵设置有接入所述热网管线的状态和脱离所述热网管线的状态；地热储热单元温度传感器，其设置于所述地埋管内或设置于所述地热储热单元内，用于采集所述地热储热单元内的温度Tu；地埋管调节阀，设置在所述地埋管连接所述热网管线的路径上，其开度K可调节，以控制所述地埋管中中介水的流速或控制流向所述热泵的中介水的流速。
可选的，上述的热网、地热跨季节储热、供热系统中，所述环境温度传感器设置于所述用户建筑物内的大堂、楼道或者设备控制室内，其通过有线或无线数据网络连接所述供热阀门或地埋管调节阀，开启或关闭所述供热阀门或地埋管调节阀。
可选的，上述的热网、地热跨季节储热、供热系统中，所述地埋管集中设置为至少2层，每一层所述地埋管之间分别设置有所述地热储热单元温度传感器，以调节所述地埋管调节阀的开度K。
可选的，上述的热网、地热跨季节储热、供热系统中，所述每一层地埋管往复排列或者排列为“回”字形，每一层地埋管之间还设置有隔热材料。
可选的，上述的热网、地热跨季节储热、供热系统中，所述隔热材料为聚氨酯。
可选的，上述的热网、地热跨季节储热、供热系统中，所述地埋管的内部还设置为双层结构，所述双层结构之间由水平设置在所述地埋管管道内部的气液隔离层分开。所述气液隔离层设置有网孔或通孔。
有益效果
本实用新型，利用现有的热力管网和供热厂内、用户建筑物附近空间建设地热储热单元，在非供暖季利用城市热网系统将多余的低价格废热储存到地下；供暖季再利用热泵系统将储存在地下的热提取出来变成产品，实现盈利的同时，降低冬季对化石燃料的消耗，缓解城市热网负担和大气污染。本实用新型克服了季节供热需求不平衡的问题，可以在居民区和公共空地大面积推广：在夏季通过补充足够多的废热，可极大提高冬季热泵COP(能量与热量之间的转换比率，简称制热能效比，表示单位功率下的制热量)。本实用新型可与集中供热互相补充使用，既提高了系统可靠性，也降低了大网负荷，也可考虑在供热负荷高峰期使用，从而减少对供热系统冗余度的设计。
本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型所提供的热网、地热跨季节储热、供热系统在储热模式下的示意图；
图2是本实用新型所提供的热网、地热跨季节储热、供热系统在供暖模式下的示意图；
图3为本实用新型中地热储热单元的结构示意图；
图4为本实用新型中地埋管的内部结构示意图。
图中，1表示一层集中设置的地埋管结构；2表示地埋管；3为隔热层。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本实用新型中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外；而非对本实用新型的装置机构的特定限定。
本实用新型中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
本实用新型中所述的“前、后”的含义是沿供水的流向为前，沿回水的流向为后。
图1为根据本实用新型的一种热网、地热跨季节储热、供热系统，其包括：
热网管线，参考图2，其在供暖模式下通过打开的供热阀门向用户建筑物内供热；参考图1，其在储热模式下受供热阀门(图1中“×”)关断的控制不向所述用户建筑物内供热。所述的供热阀门，设置在所述热网管线向所述用户建筑物供热的路径上，用于控制所述热网管线是否向所述用户建筑物内供热；
换热站，通过管道连接所述热网管线与热电厂，用于将热电厂输出的热能转移至所述热网管线；
环境温度传感器，其设置于所述用户建筑物内的公共区域内，比如，设置于，所述用户建筑物内的大堂、楼道或者设备控制室内，采集用户建筑物内环境温度T。其通过有线或无线数据网络连接至控制单元向所述控制单元传输传输该环境温度T；
热网管线温度传感器，其设置于所述热网管线内，用于采集所述热网管线内供水温度Theat；
地埋管，集中设置于所述用户建筑物附近的地下，构成地热储热单元；所述地埋管与所述热网管线之间还设置有热泵，所述热泵设置有接入所述热网管线的状态和脱离所述热网管线的状态。具体而言，所述热泵设置为在供暖模式下将所述地埋管接入所述热网管线，所述热泵在储热模式下脱离所述热网管线不工作。所述热泵的接入或脱离状态可通过一个循环水支路实现，该支路与所述热泵并联，该支路在所述热泵的接入所述热网管线时通过阀门关闭，以使得所述热泵连接在所述与所述热网管线之间提取地埋管内的热量；该支路在所述热泵脱离所述热网管线时开启阀门，以将所述热网管线内的供水引入所述地埋管内实现地热储热单元的储热。
所述的地热储热单元，其结构参照图3所示，包括多层1地埋管。每一层地埋管2往复排列或者排列为“回”字形。每一层之间还设置有隔热材料，例如聚氨酯。所述多层结构的外侧同样可设置所述隔热材料以保持所述地热储热单元内的温度。所述多层结构的输入端设置在最下层，输出端设置在最上层。其中，参考图4，所述地埋管2的内部还设置为双层结构，所述双层结构由水平设置在所述地埋管2管道内部的气液隔离层分开。所述气液隔离层4设置有网孔或通孔。所述地埋管2内部温度不足时，管内蒸汽凝结并通过所述气液隔离层容纳于管体下部并集结于多层结构的下层。新输入的热能能够将管内下部凝结的水滴加热气化为蒸汽重新并入整个管道的热循环过程中向后端供热或在地热储热单元内储热。由于这样的设计，该地热储热单元可不设置冷凝水引流装置，避免了定期排放冷凝水的维护作业，更加便于系统维护。
所述的地热储热单元内，还设置有地热储热单元温度传感器。其设置于所述地埋管内或设置于所述地热储热单元内，尤其可设置于所述多层结构的层间隙中，用于采集所述地热储热单元内的温度Tu；
地埋管调节阀，设置在所述地埋管连接所述热网管线的路径上，其开度K可调节，以控制所述地埋管中中介水的流速或控制流向所述热泵的中介水的流速；
控制单元，其与所述环境温度传感器、所述热网管线温度传感器、所述供热阀门、所述地热储热单元温度传感器以及所述地埋管调节阀连接；所述控制单元被设置以执行以下的步骤控制所述系统在供暖模式和储热模式之间切换。
具体而言，上述系统：
首先通过所述环境温度传感器采集用户建筑物内环境温度T，所述控制单元还连接有无线通讯模块，并通过所述无线通讯模块获取当前热价为P元/GJ，计算分散取热代价
Figure BDA0001987883570000071
在所述分散取热代价E高于设定的供热阈值时将系统设置为供暖模式，在所述分散取热代价E低于设定的供热阈值时将系统设置为储热模式；其中，Tset为用户建筑物预设的环境温度调节目标；τ＞1为用户建筑物的制热系数；
然后根据储热模式或供热模式进行相应的控制。
在储热模式下：所述用户建筑物的供热阀门被关断，该用户建筑物所连接至的热网管线仅与该用户建筑物附近的地埋管连通，所述地埋管集中设置构成地热储热单元，所述地埋管上设置有地埋管调节阀，所述地埋管调节阀的开度K根据以及地埋管所处地热储热单元内的温度Tu调节以控制所述地埋管中中介水的流速，保持地埋管所处地热储热单元内的温度Tu恒定在预设的地下温度范围以上；
在供暖模式下：所述用户建筑物的供热阀门被开通，该用户建筑物所连接至的热网管线与该用户建筑物附近的地埋管之间接入热泵，所述热泵用于将所述地埋管内的热能转移至所述热网管线，所述热网管线用于向所述用户建筑物内供热；其中，所述地埋管上所设置的地埋管调节阀的开度K根据热网管线内供水温度Theat以及地埋管所处地热储热单元内的温度Tu调节以控制流向所述热泵的中介水的流速，所述中介水的流速保持所述热泵所转移的热能能够维持所述热网管线的供热在设定的供热温度范围内。
其中，所述地埋管上所设置的地埋管调节阀的开度K通过以下步骤控制：
步骤k1，按照设定的周期对所述热网管线内供水温度Theat进行采样，计算本次采样温度Theat(s)与基准供水温度之间的偏差为
Figure BDA0001987883570000081
Figure BDA0001987883570000082
计算上一次采样温度Theat(s-1)与基准供水温度之间的偏差为
Figure BDA0001987883570000083
计算上上次采样温度与基准供水温度之间的偏差为
Figure BDA0001987883570000084
其中，所述基准供水温度
Figure BDA0001987883570000085
为在所述管调节阀的开度K为标准开度K0状态下保持地埋管所处地热储热单元内的温度Tu恒定在预设的地下温度范围以上或保持所述热泵所转移的热能能够维持所述热网管线的温度在设定的供热温度范围内的热网管线内供水温度；
步骤k2，计算本次采样周期内的开度调节量ΔK(s)＝kp[ΔTheat(s)-ΔTheat(s-1)]+kiΔTheat(s)+kd[ΔTheat(s)-2ΔTheat(s-1)+ΔTheat(s-2)]；其中，kp为预设的开度调节量比例系数，ki为预设的开度调节量积分系数，kd为预设的开度调节量微分系数；
步骤k3，计算所述管调节阀的开度
Figure BDA0001987883570000086
Figure BDA0001987883570000087
其中，
Figure BDA0001987883570000088
为预设的第二比例系数，
Figure BDA0001987883570000089
为预设的第二积分系数，
Figure BDA00019878835700000810
为预设的第二积分系数。
其中，各传感器可按照设定的周期采样，在每小时内将其采样所获得的数据进行平均后输出至控制单元，以避免采样误差造成的影响，保持系统稳定。针对这种每小时的采样而带来的系统反应周期过长的问题，本实用新型还可在各敏感位置，例如各管路的弯折或连接处设置压力传感器，根据其采集的压力数据判断系统是否出现异常，在压力异常状况下报警以保护系统。
具体而言，所述步骤k1中，设定的所述周期可设置为1小时，每1小时内至少对所述热网管线内供水温度进行2次采样，本次采样温度Theat(s)为这个小时内所述热网管线内供水温度的平均值，上一次采样温度Theat(s-1)为前1个小时内所述热网管线内供水温度的平均值，上上次采样温度Theat(s-2)为前2个小时内所述热网管线内供水温度的平均值。
所述用户建筑物的制热系数τ根据所述用户建筑物内所安装的空调系统平均标称功耗以及所述用户建筑物内空间大小而确定，所述用户建筑物的制热系数τ与所述用户建筑物内所安装的空调系统平均标称功耗或所述用户建筑物内空间正相关。
由此，本实用新型能够：
(一)利用非供暖季闲置的区域热网管线所构成的供热管网作为中介水输送通道，从而无需新建冷水管网，可大幅度降低投资和设备管理维护费用。
(二)热网管线所构成的供热管网输送中温中介水，可以拉大温差，提高输送能力和输送半径，降低输送能耗。
(三)供热厂内建设热泵集成系统，在生产中介水的同时，可将废热回收至周边城市供热大网中，用于全市生活热水的使用。一方面可提高整个系统的经济性和效率，另一方面也有利于减少化石燃料的消耗，降低污染物和碳排放。
以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种热网、地热跨季节储热、供热系统，包括：
热网管线，其通过供热阀门向用户建筑物内供热；
换热站，通过管道连接所述热网管线与热电厂，用于将热电厂输出的热能转移至所述热网管线；
其特征在于，还包括：
环境温度传感器，其设置于所述用户建筑物内的公共区域内，用于采集用户建筑物内环境温度T；
热网管线温度传感器，其设置于所述热网管线内，用于采集所述热网管线内供水温度Theat；
供热阀门，设置在所述热网管线向所述用户建筑物供热的路径上，用于开启所述热网管线以向所述用户建筑物内供热，或关闭所述热网管线以关闭供热；
地埋管，集中设置于所述用户建筑物附近的地下，构成地热储热单元；所述地埋管与所述热网管线之间还设置有热泵，所述热泵设置有接入所述热网管线的状态和脱离所述热网管线的状态；
地热储热单元温度传感器，其设置于所述地埋管内或设置于所述地热储热单元内，用于采集所述地热储热单元内的温度Tu；
地埋管调节阀，设置在所述地埋管连接所述热网管线的路径上，其开度K可调节，以控制所述地埋管中中介水的流速或控制流向所述热泵的中介水的流速。
2.如权利要求1所述的热网、地热跨季节储热、供热系统，其特征在于，所述环境温度传感器设置于所述用户建筑物内的大堂、楼道或者设备控制室内，其通过有线或无线数据网络连接所述供热阀门或地埋管调节阀，开启或关闭所述供热阀门或地埋管调节阀。
3.如权利要求1所述的热网、地热跨季节储热、供热系统，其特征在于，所述地埋管集中设置为至少2层，每一层所述地埋管之间分别设置有所述地热储热单元温度传感器。
4.如权利要求3所述的热网、地热跨季节储热、供热系统，其特征在于，每一层所述地埋管往复排列或者排列为“回”字形，每一层地埋管之间还设置有隔热材料。
5.如权利要求4所述的热网、地热跨季节储热、供热系统，其特征在于，所述隔热材料为聚氨酯。
6.如权利要求4所述的热网、地热跨季节储热、供热系统，其特征在于，所述地埋管的内部还设置为双层结构，所述双层结构之间由水平设置在所述地埋管管道内部的气液隔离层分开，所述气液隔离层设置有网孔或通孔。
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