利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統技術方案

本實用新型專利技術公開了一種以巖土為蓄熱介質、在巖土中埋設地埋管作為換熱手段的季節性蓄熱系統。其特征在于：它包括巖土體，以及由若干地埋管所組成的地埋管換熱器，通過在巖土體中鉆孔的方式將地埋管換熱器置于巖土體中。與其他蓄熱方式相比，該蓄熱系統具有蓄熱量大、蓄熱周期長、熱損失小、單位蓄熱量的成本低和適應性強的特點。該蓄熱系統也可以與熱泵結合使用，可進一步擴大其蓄熱量和蓄熱溫差。在蓄熱工況的運行中，該系統可以部分取代傳統的冷卻塔，起到節約冷卻塔用水的作用。利用地埋管換熱的季節性蓄熱技術為錯季節地利用工業余熱、太陽能等低品位熱能提供了經濟合理的技術手段。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及的是一種在巖土中埋設地埋管作為地熱換熱器的季節性蓄熱系統及其傳熱模型，屬于能源工程、建筑環境與設備工程及相關傳熱領域。
技術介紹
當前，我國北方城鎮供熱中，燃煤或燃氣通過鍋爐直接燃燒制備熱水仍是主要的采暖熱源方式，占采暖建筑面積的65%以上，這實際是用高品位熱能換取低品位熱量，造成巨大的可用能損失。而我國4大高能耗產業(鋼鐵、有色、化工、建材)其能源熱利用效率僅在30% 60%，所消耗的能源的40% 70%都以低品位熱量的形式排掉，其中約一半通過冷卻塔蒸發散掉，這又構成我國工業耗水的主要原因。另外，太陽能也是一種可供利用的可再生能源，地球上的大部分能源都來自太陽，太陽不停的通過核聚變反應向宇宙釋放大量的能量，經大氣層的反射和吸收，能到達地球表面的約為I. 7X1013kW，是地球上現有發電功 率的幾萬倍。因此，盡可能挖掘現在被排放的和沒有被充分利用的低品位熱能，用它來解決冬季建筑采暖，這應該是未來城市建筑采暖熱源的主要發展方向。由于建筑采暖負荷集中在冬季，與工業余熱或太陽能提供的熱源在時間上不完全匹配，因此必須采用適當的蓄熱技術。季節性蓄熱技術就是在非用熱季節將多余的熱量儲存在蓄熱裝置內以備用熱季節取用的一種技術。對于要求的蓄熱量特別大的場合，現有可能的季節性蓄熱技術主要有一、以水為介質用蓄熱罐儲熱；二、利用地下水在含水層(滯水層)里儲熱。用蓄熱罐儲熱需要考慮蓄熱罐容積、結構、埋設深度，以及地下地質結構等一系列的因素，初投資很大。對于利用水井抽灌地下水在含水層里儲熱的方式來說，影響系統的參數有很多，比如土壤的致密程度，含水層內水壓大小，蓄水池周圍地下水的流動速度等等。其中需要考慮的最大的問題就是要有適當的滯水層，既要有較豐富的地下水，又不希望地下水流動；同時抽取的地下水能否順利地回灌也是一個關鍵的因素。因此以上方法的實用性和經濟性都很差。實施利用地埋管換熱的季節性蓄熱技術所需的初投資很大，因此必須有可靠和實用的傳熱分析方法，這是進行項目的可行性研究和設計的關鍵環節。地埋管換熱器用作季節性蓄熱設備的特點有I)地埋管換熱器用作季節性蓄熱設備，其蓄熱體是地下巖土，這種儲熱方式蓄熱體體積可以輕易做到大于106m3，相應的蓄熱量大于2*107MJ，實現大體積，大熱容量，這是其他蓄熱技術不易做到的。2)因為地下巖土是一個很大的蓄熱體，它能夠把吸收的熱量就地吸收，當取熱時通過地下埋管換熱器從埋管區域吸收熱量。由于蓄熱體的體積和熱容量大，這種蓄熱方式即使不采取保溫隔熱措施，其長期蓄熱的散熱損失率也會很小，蓄熱利用效率很高。3)工業余熱、太陽能等低品位熱能的利用對實現節能減排目標具有重要的意義。采用地埋管換熱器作為季節性蓄熱設備，蓄存工業余熱和太陽能雖然降低了蓄存熱能的品位(溫度)，但是保證了蓄存熱量的利用率，解決了長期、大量蓄熱引起的保溫困難和熱量損失問題，因此是工業余熱、太陽熱能高效利用途徑。4)在工業余熱利用中，由于余熱循環介質的溫度較高，因此采用地埋管換熱器作為季節性蓄熱設備，可以實現單獨的蓄熱與取熱。當然如果與熱泵聯合應用的話，將擴大蓄熱和取熱的溫度范圍，實現更多的蓄熱量和取熱量。5)在蓄熱季的運行中，地埋管換熱器可以部分取代傳統的冷卻塔，起到節約用水的作用。
技術實現思路
針對上述現有技術，本專利技術的目的就是提供一種以巖土為蓄熱介質、利用地埋管為換熱方式的大規模、長周期儲存低品位熱能的蓄熱系統，同時提出其傳熱分析模型。本專利技術提出把熱量儲存在地下巖土中的方式，是利用了地源熱泵系統中的地埋管換熱器技術，可以實現蓄熱量大的目的，是一種較為理想的季節性儲熱方式。不透水的巖石 層和粘土地層不利于地下水流動，這種地質條件對鉆孔蓄熱系統尤為有利。本專利技術的用作季節性蓄熱設備的地埋管換熱器有一些與地源熱泵供熱空調系統中的換熱器不同的特點，例如，本專利技術首次提出地埋管蓄熱系統采用地埋管換熱器串聯的多流程布置方式，增大了循環液的進出口溫差，滿足了蓄熱過程中地埋管換熱器需要取代工藝過程中冷卻塔的作用要求，實現了循環介質的深度冷卻。同時，建立了地埋管蓄熱系統的準穩態傳熱模型，為該技術的實際應用提供了理論依據。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案一種利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統，它包括大體量的巖土體，以及由若干地埋管所組成的地埋管換熱器，通過在巖土體中鉆孔的方式將地埋管換熱器置于巖土體中。地埋管換熱器通過地埋管與巖土換熱以實現蓄熱和取熱；同時又可通過管路周期性地在熱源和熱用戶之間切換，以實現把熱能儲存若干時間以后再供應熱用戶使用的功能。所述地埋管換熱器是通過水或其它循環液在封閉的地下埋管中流動，實現系統與大地之間的傳熱。地埋管換熱器由若干地埋管并聯或串聯組成，采用豎直埋管的形式在巖土體中鉆直徑為O. 1-0. 15m的鉆孔，在鉆孔中設置I組(2根)或2組(4根)U型管并用灌漿材料填實。鉆孔的深度通常為40-200m。U型管可采用耐熱高密度聚乙烯等塑料管材，以保證其耐腐蝕性和耐久性。在季節性蓄熱系統中，采用豎直的地埋管換熱器可以保證地下溫度場基本不受地上溫度變化的影響，減少散熱損失，保證蓄熱效果。所述利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統的地埋管換熱器可以分成若干個分系統，組成一個分系統的各U型管(地埋管)以并聯的方式聯接到各自的分水箱和集水箱，然后再并聯或串聯。分系統之間采用串聯連接時可以增大循環液的進出口溫差，以滿足特定的工藝要求。所述利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統還包括熱源系統和熱用戶系統，地埋管換熱器與熱源系統和熱用戶系統之間可以直聯，也可以通過換熱器間接聯接。系統連接管路上設置水泵，以提供傳熱介質循環的動力。所述利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統還包括補水系統，可以及時補充系統運行中的失水量，保證系統穩定運行。所述各系統中還設置排氣裝置、閥門、測試儀表和其他必需的附件，這對于所屬領域技術人員而言是常規的，容易實現的。本專利技術還提出了利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統的傳熱模型，即采用豎直地埋管換熱器蓄熱的準穩態模型。其數學描述如下模型中假設地埋管換熱器的鉆孔個數足夠多，以至于通過邊界的散熱損失可以忽略不計；這樣，每一個獨立的鉆孔區域的邊界都可以看成是絕熱的。在一個運行周期中，蓄熱與取熱保持平衡。此外，還假定在整個蓄熱期和整個取熱期內，負荷(熱流強度)是保持不變的，但兩者持續的時間和熱流強度可以不同。準穩態傳熱模型所需的已知條件有鉆孔及管群的幾何配置(地埋管換熱器的布置一般采用矩陣的形式，幾何配置變化主要指的是鉆孔間距的變化)、循環介質流量M。蓄熱運行的限制條件是蓄熱季終了時循環液的最高進出口溫度T' fx，T fx，取熱季終了時循環液的最低進出口溫度T' fq，T fq。對于一般的換熱器，若忽略換熱介質溫度變化引起的蓄熱量，其換熱量(速率)Q為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統，其特征在于：它包括巖土體，以及由若干地埋管所組成的地埋管換熱器，通過在巖土體中鉆孔的方式將地埋管換熱器置于巖土體中。

【技術特征摘要】
1.一種利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統，其特征在于它包括巖土體，以及由若干地埋管所組成的地埋管換熱器，通過在巖土體中鉆孔的方式將地埋管換熱器置于巖土體中。2.根據權利要求I所述的一種利用地埋管換熱的季節性蓄熱系統，其特征在于所述地埋管換熱器由若干地埋管并聯或串聯組成，采用豎直埋管的形式在巖土體中鉆直徑為O. 1-0. 15m的鉆孔，在鉆孔中設置I組或2組U型管并用灌漿材料填實，鉆孔的深度為40—200π ο3.根據權利要求2所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：方肇洪，趙強，張方方，
申請(專利權)人：山東中瑞新能源科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：