CN210833182U - 被动式集能蓄能供能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种被动式集能蓄能供能系统，旨在提供一种采用被动式潜热热交换方式，提高传热效率，降低运行能耗，提高系统运行稳定性的系统。包括换热器、地埋装置、第一流体管和第二流体管。地埋装置包括外筒体和内筒体，内筒体可转动的安装于外筒体内部，内筒体与外筒体之间有润滑导热介质。第一流体管一端与换热器的第一工质接口连接，另一端穿过内筒体上端进入内筒体内部；第二流体管一端与换热器的第二工质接口连接，另一端穿过内筒体上端进入内筒体内部，且管口下端浸入相变工质内部；第二流体管上有吸液控制单元；吸液控制单元两侧的第二流体管内有吸液芯。该系统降低了输送功耗，减少了所需钻井数量，提高了传热效率。

Description

被动式集能蓄能供能系统

技术领域

本实用新型涉及跨季节储能技术领域，更具体的说，是涉及一种地埋被动式集能蓄能供能系统。

背景技术

目前，跨季节埋管蓄能系统(BTES)由大量的钻孔、填料、埋管换热器、循环流体、分集水器和水泵等组成部分。从BTES运行周期来看，首先其需在蓄能季依靠水泵驱动循环流体(水)流经冷/热源收集装置(即实现集能功能)并再次流经地下蓄能体以注入所收集的冷/热能(即实现蓄能功能)，然后在用能季利用同样换热手段从地下蓄能体中提取蓄能季所收集的冷/热能，并最终供给建筑使用(即实现供能功能)。因此，BTES本质上属于主动式显热热交换系统，不但在集能、蓄能和供能阶段消耗大量的水泵输送功耗，而且整个系统的集能、蓄能和供能效率也较低。集能方面：以集能板作为冷/热源为例，由于源端集能效率与其安装角度、环境温度、风速以及天空辐射角度等因素有关，而集能板通常又为固定式安装，因此集能板在夏/冬季的集热/冷效率会因环境因素的实时变化而无法始终保持最优。对此，研究人员虽提出相关集能板可随外界因素变化而进行调整的方案(“追优”)，但系统设计复杂、模块化程度低，同时也由于工程造价高、维护困难，因而难以大规模推广。蓄能和供能方面：因BTES的蓄能和供能过程仍属于显热热交换，因此在实际工程中不得不通过增加井群数量以维持整个系统的运行性能，这也进一步导致了BTES系统工程造价的居高不下并严重影响了其推广应用。此外，过度的打井和不合理的施工也通常会对地下土壤和水环境产生不可逆生态损伤。为了提升蓄能和供能效率、降低工程造价和对周边地下生态环境影响，目前技术人员主要采用双U管或其它异型管替代单U管以提升单位延米换热量。这一措施虽有助于减少井群数量和附属设备用量，但其它问题随之而来。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/取热过程的精细化管理。因此，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。

实用新型内容

本实用新型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，提高传热效率，降低运行能耗，提高系统运行稳定性的被动式集能蓄能供能系统。

为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：

一种被动式集能蓄能供能系统，包括换热器、地埋装置、第一流体管和第二流体管；所述地埋装置包括外筒体和用于充注相变工质的封闭的内筒体，所述内筒体可转动的安装于所述外筒体内部，所述内筒体与外筒体之间密封设置有润滑导热介质；所述第一流体管一端与所述换热器的第一工质接口连接，另一端穿过所述内筒体上端进入所述内筒体内部，且管口端面位于所述内筒体内上部；所述第二流体管一端与所述换热器的第二工质接口连接，另一端穿过所述内筒体上端进入所述内筒体内部，且管口下端浸入相变工质内部；所述第二流体管上设置有吸液控制单元；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所述吸液芯的连接；所述内筒体通过旋转驱动机构驱动。

还包括多功能气象站、控制器和驱动执行器；所述换热器为平板式太阳能集热器；所述驱动执行器用于驱动所述换热器转动；所述控制器分别与所述多功能气象站的信号输出端和驱动执行器的控制端连接，所述控制器通过所述多功能气象站收集的气象信息控制所述驱动执行器动作，带动所述换热器转动至目标位置。

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。

所述外筒体与内筒体的可转动设置方式为：所述内筒体与外筒体之间安装有转动轴承，所述内筒体底部与所述外筒体之间安装有顶针。

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。

所述外筒体上端面与所述换热器之间的第一流体管与第二流体管外部安装有连接于所述换热器和内筒体之间的保护套筒。

所述外筒体的外部设置有蓄能体，所述蓄能体上部设置有保温层。

位于所述内筒体内部的所述第二流体管通过支架固定。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的被动式集能蓄能供能系统采用了被动式潜热热交换方式，大幅降低BTES系统的输送功耗，有效提升单位延米换热量，并可有效减少BTES系统所需钻井数量和对蓄能体周边地下空间的不可逆生态影响。同时，由于本实用新型的系统采用了外筒体与可转动内筒体及润滑导热介质相结合组成地埋结构的方式，通过润滑导热介质可以大大提高传热效率，从而提升了系统的换热量，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、本实用新型的系统中通过内筒体的转动可以提高强化内筒体内部相变工质的传热功能，同时，也强化了内筒体和外筒体之间润滑导热介质的传热，提高了传热效率。

3、本实用新型的系统地埋部分中的外筒体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。

4、本实用新型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，大幅降低了施工复杂程度和所需施工周期，提升了施工安装的模块化程度。

5、本实用新型的系统可依据不同季节和不同气象参数实时计算调整位置，实现集能效率最大化，并在同一系统中实现跨季节集能、蓄能和供能等不同功能的一体化高度集成。

6、本实用新型的系统中的第二流体管由直管段与弯曲管段段组成，防止蓄冷或者供热过程中内筒体蒸汽倒灌现象的产生，提升系统的运行稳定性。

7、本实用新型的系统中通过多功能气象站、控制器和驱动执行器组成的追优设计结构简单，成本低。

附图说明

图1所示为本实用新型被动式集能蓄能供能系统的原理图；

图2所示为图1的A-A剖面图；

图3所示为吸液控制单元的一种实施例的结构示意图；

图4所示为图3的B-B剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型的被动式集能蓄能供能系统的结构示意图如图1所示，包括换热器1、地埋装置、第一流体管2和第二流体管3。所述地埋装置包括外筒体4和用于充注相变工质的封闭的内筒体5，所述内筒体5可转动的安装于所述外筒体4内部，所述内筒体5与外筒体4之间密封设置有润滑导热介质6。所述第一流体管2一端与所述换热器1的第一工质接口连接，另一端穿过所述内筒体5上端进入所述内筒体5内部，且管口端面位于所述内筒体5内上部。所述第二流体管3一端与所述换热器1的第二工质接口连接，另一端穿过所述内筒体5上端进入所述内筒体5内部，且管口下端浸入相变工质7内部。所述第二流体管3上设置有吸液控制单元，所述吸液控制单元两侧的所述第二流体管3内分别设置有吸液芯8。所述吸液芯8可以采用现有技术中的结构，所述吸液芯8中心设置有流体流道，内壁设置有沟槽。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。为了提高传热效率，所述内筒体5通过旋转驱动机构驱动。旋转驱动机构可以直接驱动内筒体5，也可以通过与所述内筒体5连接的部件间接驱动内筒体。旋转驱动机构采用现有技术的方案。旋转驱动机构驱动内筒体5转动，内筒体5内的相变工质及内筒体与外筒体之间的润滑传热介质被扰动，提高了传热效率。

为了实现换热器1的“追优”效果，本实用新型的被动式集能蓄能供能系统还包括多功能气象站9、控制器10和驱动执行器11。所述换热器1为平板式太阳能集热器，夏季集热，冬季表面覆盖进行集冷。所述驱动执行器11用于驱动所述换热器1转动。所述控制器10分别与所述多功能气象站9的信号输出端和驱动执行器11的控制端连接，所述控制器10通过所述多功能气象站9收集的气象信息控制所述驱动执行器11动作，带动所述换热器1转动至目标位置。

本实用新型中的所述吸液控制单元可以采用多种结构。本实施例中吸液控制单元可以采用下述两种设置方式：

第一种吸液控制单元的结构示意图如图2所示，具体结构为：所述吸液控制单元包括设置于所述第二流体管3上的旁通管12和三通阀13，旁通管12中不安装吸液芯，旁通管12用于连通所述第二流体管3的上段和下段。具体连接方式为：旁通管12的一端与三通阀的B接口连接，旁通管12的另一端与所述三通阀13的A接口并联后与所述第二流体管的上段连接，三通阀13的C接口与第二流体管3的下段连接。三通阀13的A接口上段及C接口下段的第二流体管中安装有吸液芯。当三通阀13的AC通道开启BC通道关闭时，第二流体管3上段与下段的吸液芯8即互相连通，对内筒体5内的相变工质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12连接第二流体管3的上段与下段，第二流体管3上段与下段中的吸液芯8断开，不能产生毛细力作用。

第二种吸液控制单元的结构示意图如图3所示，具体结构为：所述吸液芯8内表面设置有多个肋状凸体，所述吸液控制单元包括管体A-1，所述管体A-1内设置有连接吸液芯A-2，所述连接吸液芯A-2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A-3，所述连接吸液芯A-2的剖面图如图4所示。所述连接吸液芯A-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A-2转动使得连接吸液芯A-2的凸起与吸液芯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A-1中部的空心阀座A-4，所述空心阀座A-4内部设置有相啮合的从动齿轮A-5与主动齿轮A-6，所述从动齿轮A-5与所述连接吸液芯A-2键连接，所述主动齿轮A-6与驱动电机A-7的输出轴连接。启动驱动电机A-7驱使主动齿轮A-6转动，并通过从动齿轮A-5带动连接吸液芯A-2转动一定角度(例如转动30°)，使得连接吸液芯A-2的肋状凸起A-3与第二流体管3中安装的吸液芯8的凹槽对齐，由此阻断连接吸液芯A-2的肋状凸起与吸液芯8肋状凸体的连接，不能连续产生毛细力的作用。启动驱动电机A-7驱使主动齿轮A-6转动，并通过从动齿轮A-5带动连接吸液芯A-2再次转动一定角度(例如30°)，使得连接吸液芯A-2的肋状凸体A-3与第二流体管3内的吸液芯8的肋状凸起对齐，由此接通二者连接吸液芯A-2与吸液芯8的连接，产生持续的毛细力作用。

外筒体4与内筒体5可以采用多种可转动设置方式。本实施例中，所述外筒体4与内筒体5的可转动设置方式为：所述内筒体5与外筒体4之间安装有转动轴承14，所述内筒体5底部与所述外筒体4之间安装有顶针15。当内筒体受到力的作用时，在顶针与周围的轴承的支撑作用下在外筒体4内部产生转动。

本实施例中，所述第二流体管3由直管段3-1和浸入相变工质内的弯曲管段3-2组成，所述第二流体管中的吸液芯延伸至弯曲管段3-2。

本实施例中，所述外筒体4上端面与所述换热器1之间的第一流体管2与第二流体管3外部安装有连接于所述换热器和内筒体之间的保护套筒16，起到保护套筒内管道、控制机构及其它电气线路的作用；同时，起到支撑换热器的作用，并能够传递驱动动作。

使用时，在蓄能体17中钻孔，将所述外筒体4置于蓄能体17的钻孔中，所述蓄能体17上部设置有保温层18。

为了便于充注相变工质和对内筒体5内部抽真空，所述第一流体管2上设置有工质注入口19。使用前，先通过工质冲入口19抽真空，再注入相变工质。

位于所述内筒体5内部的所述第二流体管3通过支架20固定。

本实用新型的被动式集能蓄能供能系统可以用于夏季集热蓄热和冬季供热模式，或者用于冬季集冷蓄冷和夏季供冷模式。

夏季集热蓄热和冬季供热模式：夏季集热蓄热时，首先开启三通阀13的AC通道并关闭BC通道，第二流体管3中的吸液芯8即互相连通；此时，液态相变工质在毛细力作用下经弯曲管段3-2和直管段3-1进入换热器1中，吸收来自太阳辐射和环境的热能从而相变蒸发成为汽态相变工质，随后汽态相变工质在相变力驱动下经第一流体管2进入地埋蓄能井的内筒体5内，在内筒体5壁面的冷却作用下冷凝成为液态相变工质，最终滴落至内筒体5底部，完成相变工质7的循环过程；同时，释放至内筒体5壁面的热量在润滑导热介质6的传递下逐渐扩散至周边蓄能体17中，最终完成夏季集热和蓄热过程。冬季供热时，将换热器1的循环流体接口与供热系统连接。首先开启三通阀13的BC通道并关闭AC通道，第二流体管3内的吸液芯8即互相断开无法产生连续毛细力。此时，在蓄能体17中夏季所蓄积热量的不断加热作用下，地埋蓄能井内筒体5底部的液态相变工质吸热相变蒸发成为汽态相变工质聚集在内筒体5上部，并在相变力驱动作用下经第一流体管2进入换热器1中；由于流体工质进口处温度较低，汽态相变工质随之受到冷却并向低温流体工质放热冷凝成为液态相变工质；在重力作用下，液态相变工质最终经第二流体管3上段、旁通管12、第二流体管3下段和弯曲管段3-2回流至地埋蓄能井的内筒体5底部完成相变工质7的循环过程。在换热器1中，从流体工质进口流入换热器1的流体工质与相变工质进行热交换，温度升高后的流体工质从换热器的流体工质出口处流出并被输送至用能侧，最终完成冬季供热过程。

冬季集冷蓄冷和夏季供冷模式：冬季集冷蓄冷时，将换热器1的循环流体接口与供冷系统连接。首先开启三通阀13的BC通道并关闭AC通道，第二流体管3内的吸液芯8即互相断开而无法产生连续毛细力。此时，由于蓄能体17的地温要明显高于室外环境温度，因此在蓄能体17的不断加热作用下，地埋蓄能井内的内筒体5底部的液态相变工质不断吸热相变蒸发成为汽态相变工质，在相变力驱动作用下经第一流体管2进入换热器1，吸收来自环境的冷能从而相变冷凝成为液态相变工质，并在重力作用下经地第二流体管3上段、旁通管12、第二流体管下段和弯曲管段3-2进入地埋蓄能井内的内筒体5底部，最终完成相变工质7的循环过程；同时，由于相变工质7持续不断的将蓄能体17中的热量向环境散失，因此环境冷能逐渐扩散至周边蓄能体17中，最终完成冬季集冷和蓄冷过程。夏季供冷时，首先开启三通阀13的AC通道并关闭BC通道，第二流体管3内的吸液芯8即互相连通；液态相变工质在毛细力作用下经弯曲管段3-2和第二流体管3进入换热器1；此时，由于流体工质进口处温度较高，液态相变工质随之从高温流体吸热并相变蒸发成为汽态相变工质；在相变力作用下，汽态相变工质最终经第一流体管2进入地埋蓄能井内的内筒体5中，并在内筒体5壁面的冷却作用下冷凝成为液态相变工质，最终滴落至地埋蓄能井内的内筒体5底部，完成相变工质7的循环过程。同时，受到冷却的流体工质从流体工质出口流出并被输送至用能侧，完成夏季供冷过程。

在上述两种运行模式下，为了实现换热器1的追优效果，由多功能气象站9、控制器10和驱动执行器11组成追优设计结构，当太阳能辐射角度、环境温度、风速等因素发生变化时，多功能气象站将相关信息发送给控制器，控制器根据变化情况，通过驱动执行器带动化换热器1转动至目标位置，使得夏季的集热效率和冬季集冷效率随着环境因素的实时变化而变化，始终保持最优。

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

Claims (9)

1.一种被动式集能蓄能供能系统，其特征在于，包括换热器、地埋装置、第一流体管和第二流体管；所述地埋装置包括外筒体和用于充注相变工质的封闭的内筒体，所述内筒体可转动的安装于所述外筒体内部，所述内筒体与外筒体之间密封设置有润滑导热介质；所述第一流体管一端与所述换热器的第一工质接口连接，另一端穿过所述内筒体上端进入所述内筒体内部，且管口端面位于所述内筒体内上部；所述第二流体管一端与所述换热器的第二工质接口连接，另一端穿过所述内筒体上端进入所述内筒体内部，且管口下端浸入相变工质内部；所述第二流体管上设置有吸液控制单元；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所述吸液芯的连接；所述内筒体通过旋转驱动机构驱动。

2.根据权利要求1所述的被动式集能蓄能供能系统，其特征在于，还包括多功能气象站、控制器和驱动执行器；所述换热器为平板式太阳能集热器；所述驱动执行器用于驱动所述换热器转动；所述控制器分别与所述多功能气象站的信号输出端和驱动执行器的控制端连接，所述控制器通过所述多功能气象站收集的气象信息控制所述驱动执行器动作，带动所述换热器转动至目标位置。

3.根据权利要求1或2所述的被动式集能蓄能供能系统，其特征在于，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。

4.根据权利要求1或2所述的被动式集能蓄能供能系统，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。

5.根据权利要求1或2所述的被动式集能蓄能供能系统，其特征在于，所述外筒体与内筒体的可转动设置方式为：所述内筒体与外筒体之间安装有转动轴承，所述内筒体底部与所述外筒体之间安装有顶针。

6.根据权利要求1或2所述的被动式集能蓄能供能系统，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。

7.根据权利要求1或2所述的被动式集能蓄能供能系统，其特征在于，所述外筒体上端面与所述换热器之间的第一流体管与第二流体管外部安装有连接于所述换热器和内筒体之间的保护套筒。

8.根据权利要求1或2所述的被动式集能蓄能供能系统，其特征在于，所述外筒体的外部设置有蓄能体，所述蓄能体上部设置有保温层。

9.根据权利要求1或2所述的被动式集能蓄能供能系统，其特征在于，位于所述内筒体内部的所述第二流体管通过支架固定。

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