专利名称：利用地埋管换热的季节性蓄热系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种在岩土中埋设地埋管作为地热换热器的季节性蓄热系统及其传热模型，属于能源工程、建筑环境与设备工程及相关传热领域。
背景技术：
当前，我国北方城镇供热中，燃煤或燃气通过锅炉直接燃烧制备热水仍是主要的采暖热源方式，占采暖建筑面积的65%以上，这实际是用高品位热能换取低品位热量，造成巨大的可用能损失。而我国4大高能耗产业(钢铁、有色、化工、建材)其能源热利用效率仅在30% 60%，所消耗的能源的40% 70%都以低品位热量的形式排掉，其中约一半通过冷却塔蒸发散掉，这又构成我国工业耗水的主要原因。另外，太阳能也是一种可供利用的可再生能源，地球上的大部分能源都来自太阳，太阳不停的通过核聚变反应向宇宙释放大量的能量，经大气层的反射和吸收，能到达地球表面的约为I. 7X1013kW，是地球上现有发电功 率的几万倍。因此，尽可能挖掘现在被排放的和没有被充分利用的低品位热能，用它来解决冬季建筑采暖，这应该是未来城市建筑采暖热源的主要发展方向。由于建筑采暖负荷集中在冬季，与工业余热或太阳能提供的热源在时间上不完全匹配，因此必须采用适当的蓄热技术。季节性蓄热技术就是在非用热季节将多余的热量储存在蓄热装置内以备用热季节取用的一种技术。对于要求的蓄热量特别大的场合，现有可能的季节性蓄热技术主要有一、以水为介质用蓄热罐储热；二、利用地下水在含水层(滞水层)里储热。用蓄热罐储热需要考虑蓄热罐容积、结构、埋设深度，以及地下地质结构等一系列的因素，初投资很大。对于利用水井抽灌地下水在含水层里储热的方式来说，影响系统的参数有很多，比如土壤的致密程度，含水层内水压大小，蓄水池周围地下水的流动速度等等。其中需要考虑的最大的问题就是要有适当的滞水层，既要有较丰富的地下水，又不希望地下水流动；同时抽取的地下水能否顺利地回灌也是一个关键的因素。因此以上方法的实用性和经济性都很差。实施利用地埋管换热的季节性蓄热技术所需的初投资很大，因此必须有可靠和实用的传热分析方法，这是进行项目的可行性研究和设计的关键环节。地埋管换热器用作季节性蓄热设备的特点有I)地埋管换热器用作季节性蓄热设备，其蓄热体是地下岩土，这种储热方式蓄热体体积可以轻易做到大于106m3，相应的蓄热量大于2*107MJ，实现大体积，大热容量，这是其他蓄热技术不易做到的。2)因为地下岩土是一个很大的蓄热体，它能够把吸收的热量就地吸收，当取热时通过地下埋管换热器从埋管区域吸收热量。由于蓄热体的体积和热容量大，这种蓄热方式即使不采取保温隔热措施，其长期蓄热的散热损失率也会很小，蓄热利用效率很高。3)工业余热、太阳能等低品位热能的利用对实现节能减排目标具有重要的意义。采用地埋管换热器作为季节性蓄热设备，蓄存工业余热和太阳能虽然降低了蓄存热能的品位(温度)，但是保证了蓄存热量的利用率，解决了长期、大量蓄热引起的保温困难和热量损失问题，因此是工业余热、太阳热能高效利用途径。4)在工业余热利用中，由于余热循环介质的温度较高，因此采用地埋管换热器作为季节性蓄热设备，可以实现单独的蓄热与取热。当然如果与热泵联合应用的话，将扩大蓄热和取热的温度范围，实现更多的蓄热量和取热量。5)在蓄热季的运行中，地埋管换热器可以部分取代传统的冷却塔，起到节约用水的作用。
发明内容针对上述现有技术，本发明的目的就是提供一种以岩土为蓄热介质、利用地埋管为换热方式的大规模、长周期储存低品位热能的蓄热系统，同时提出其传热分析模型。本发明提出把热量储存在地下岩土中的方式，是利用了地源热泵系统中的地埋管换热器技术，可以实现蓄热量大的目的，是一种较为理想的季节性储热方式。不透水的岩石 层和粘土地层不利于地下水流动，这种地质条件对钻孔蓄热系统尤为有利。本发明的用作季节性蓄热设备的地埋管换热器有一些与地源热泵供热空调系统中的换热器不同的特点，例如，本发明首次提出地埋管蓄热系统采用地埋管换热器串联的多流程布置方式，增大了循环液的进出口温差，满足了蓄热过程中地埋管换热器需要取代工艺过程中冷却塔的作用要求，实现了循环介质的深度冷却。同时，建立了地埋管蓄热系统的准稳态传热模型，为该技术的实际应用提供了理论依据。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种利用地埋管换热的季节性蓄热系统，它包括大体量的岩土体，以及由若干地埋管所组成的地埋管换热器，通过在岩土体中钻孔的方式将地埋管换热器置于岩土体中。地埋管换热器通过地埋管与岩土换热以实现蓄热和取热；同时又可通过管路周期性地在热源和热用户之间切换，以实现把热能储存若干时间以后再供应热用户使用的功能。所述地埋管换热器是通过水或其它循环液在封闭的地下埋管中流动，实现系统与大地之间的传热。地埋管换热器由若干地埋管并联或串联组成，采用竖直埋管的形式在岩土体中钻直径为O. 1-0. 15m的钻孔，在钻孔中设置I组(2根)或2组(4根)U型管并用灌浆材料填实。钻孔的深度通常为40-200m。U型管可采用耐热高密度聚乙烯等塑料管材，以保证其耐腐蚀性和耐久性。在季节性蓄热系统中，采用竖直的地埋管换热器可以保证地下温度场基本不受地上温度变化的影响，减少散热损失，保证蓄热效果。所述利用地埋管换热的季节性蓄热系统的地埋管换热器可以分成若干个分系统，组成一个分系统的各U型管(地埋管)以并联的方式联接到各自的分水箱和集水箱，然后再并联或串联。分系统之间采用串联连接时可以增大循环液的进出口温差，以满足特定的工艺要求。所述利用地埋管换热的季节性蓄热系统还包括热源系统和热用户系统，地埋管换热器与热源系统和热用户系统之间可以直联，也可以通过换热器间接联接。系统连接管路上设置水泵，以提供传热介质循环的动力。所述利用地埋管换热的季节性蓄热系统还包括补水系统，可以及时补充系统运行中的失水量，保证系统稳定运行。所述各系统中还设置排气装置、阀门、测试仪表和其他必需的附件，这对于所属领域技术人员而言是常规的，容易实现的。本发明还提出了利用地埋管换热的季节性蓄热系统的传热模型，即采用竖直地埋管换热器蓄热的准稳态模型。其数学描述如下模型中假设地埋管换热器的钻孔个数足够多，以至于通过边界的散热损失可以忽略不计；这样，每一个独立的钻孔区域的边界都可以看成是绝热的。在一个运行周期中，蓄热与取热保持平衡。此外，还假定在整个蓄热期和整个取热期内，负荷(热流强度)是保持不变的，但两者持续的时间和热流强度可以不同。准稳态传热模型所需的已知条件有钻孔及管群的几何配置(地埋管换热器的布置一般采用矩阵的形式，几何配置变化主要指的是钻孔间距的变化)、循环介质流量M。蓄热运行的限制条件是蓄热季终了时循环液的最高进出口温度T' fx，T" fx，取热季终了时循环液的最低进出口温度T' fq，T" fq。对于一般的换热器，若忽略换热介质温度变化引起的蓄热量，其换热量(速率)Q为
权利要求1.一种利用地埋管换热的季节性蓄热系统，其特征在于它包括岩土体，以及由若干地埋管所组成的地埋管换热器，通过在岩土体中钻孔的方式将地埋管换热器置于岩土体中。
2.根据权利要求I所述的一种利用地埋管换热的季节性蓄热系统，其特征在于所述地埋管换热器由若干地埋管并联或串联组成，采用竖直埋管的形式在岩土体中钻直径为O. 1-0. 15m的钻孔，在钻孔中设置I组或2组U型管并用灌浆材料填实，钻孔的深度为40—200π ο
3.根据权利要求2所述的一种利用地埋管换热的季节性蓄热系统，其特征在于所述地埋管换热器可以分成若干个分系统，组成一个分系统的各U型管以并联的方式联接到各自的分水箱和集水箱，然后再并联或串联。
4.根据权利要求I或2或3所述的一种利用地埋管换热的季节性蓄热系统，其特征在于还包括热源系统和热用户系统，地埋管换热器与热源系统和热用户系统之间直联，或通过换热器间接联接。
5.根据权利要求I或2或3所述的一种利用地埋管换热的季节性蓄热系统，其特征在于还包括补水系统。
专利摘要本实用新型公开了一种以岩土为蓄热介质、在岩土中埋设地埋管作为换热手段的季节性蓄热系统。其特征在于它包括岩土体，以及由若干地埋管所组成的地埋管换热器，通过在岩土体中钻孔的方式将地埋管换热器置于岩土体中。与其他蓄热方式相比，该蓄热系统具有蓄热量大、蓄热周期长、热损失小、单位蓄热量的成本低和适应性强的特点。该蓄热系统也可以与热泵结合使用，可进一步扩大其蓄热量和蓄热温差。在蓄热工况的运行中，该系统可以部分取代传统的冷却塔，起到节约冷却塔用水的作用。利用地埋管换热的季节性蓄热技术为错季节地利用工业余热、太阳能等低品位热能提供了经济合理的技术手段。
文档编号F28D20/00GK202614052SQ20122028371
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月16日 优先权日2012年6月16日
发明者方肇洪, 赵强, 张方方 申请人:山东中瑞新能源科技有限公司