一种降低热损的跨季节固液联合储热方法与流程

1.本发明属于地下储热利用技术领域，特别涉及固液联合储热的跨季节热损问题。


背景技术：

2.对比其他的储热介质，水具有较大的比热容，且换热强度易于控制，因此水体储热一直是地下储热技术的主要形式。该技术普遍采用地面直接开挖储热水池，水池内铺设防水层，顶部设置浮顶结构用于保温隔热，依靠水的浮力支撑水池顶部结构，但是这种结构承重能力小，上层无法再种植植被或建设任何的建筑物或构筑物，因此这种浮顶式储热水池的占地不能被有效利用，引起土地使用成本增高，这为在城镇周边推广该技术带来很大难度。为克服水体储热技术在这方面的不足，可在其内部添加砾石以增强支撑作用，使得水池占地可被利用，从而降低用地成本。为此，本发明提出以水体储热为主，砾石储热为辅的固液联合储热技术。
3.长久以来，较大的热损失一直是制约跨季节储热技术推广应用的关键问题。对于这种固液两相储热介质，与固体边界存在对流换热作用，尤其是高温储热工程，在跨季节长期储热过程中同样存在热损较大的问题。因此，降低固液联合储热系统的跨季节热损问题显得尤为重要。首先，可以选择隔热效果更好的保温材料或增加保温层厚度，有利于减少热损，而该方法除了会增加成本外，保温层在地下高压、高温、高湿环境下，易出现老化衰减问题，且一旦出现破损，高温水体就会流失，热损问题依旧得不到解决；其次，可以减小储热温度，降低储热体与地下环境温差，从而减少热损，但低品位的能量在应用时会受到限制，也不利于该项技术的推广。
4.相比之下，在满足储热需求的条件下，通过改进固液联合储热体结构和储热/取热模式，从改变跨季节保温过程传热方式角度来降低系统运行热损，将会避免采取上述措施带来的弊端，有助于储热系统运行效率的提高以及该项技术的推广。


技术实现要素：

5.在本发明的目的是提供一种能够降低热损的跨季节地下固液联合储热方法。该方法以水和砾石作为储热体，在储热阶段，水作为储热介质也作为传热介质，热量依次储存于水箱和砾石中，固液储热同步进行；在保温阶段，固液分离，储热体散热方式主要以砾石和储热边界的导热为主，与固液对流换热相比，可有效降低热损；在取热阶段，通过循环依次将水体和砾石中储存的热量释放至热用户。
6.实现上述目的的技术方案是：该跨季节固液联合储热系统包括储热水箱、下位水管、上位水管、储热砾石、注水井、抽水井、隔水保温层、试温砾石、热源、取热换热器、控制器、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、水箱温度传感器、砾石温度传感器、水箱设定液位传感器、水箱下限液位传感器、水箱压力传感器、砾石层液位传感器、储热供水温度传感器、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门。所述储热水箱为圆柱形，置于储热砾石层内，
所述下位水管和上位水管分别置于储热水箱下部和上部，所述储热砾石为60～200mm粒径的卵石层，便于水在其孔隙流通，其孔隙容积应控制小于储热水箱容积的1/2，同时将其布置为可承重结构，将上覆压力传递到地下，所述试温砾石选用最大粒径卵石，置于抽水井的储热砾石层中部，所述注水井和抽水井置于储热砾石层内，对称分布在储热水箱两侧，所述隔水保温层置于储热砾石与原位土壤之间，所述热源可为工业余热换热器，所述取热换热器连接储热系统与热用户，所述控制器连接各传感器、各阀门以及各循环泵，所述第一循环泵连接下位水管和注水井，所述第二循环泵连接上位水管和抽水井，所述第三循环泵连接水源，所述水箱温度传感器置于储热水箱下部，保证水位较低时也可测温，所述砾石温度传感器置于试温砾石的内部中心位置，所述水箱设定液位传感器置于水箱内设定标准水位处，所述水箱下限液位传感器置于水箱下部，不低于下位水管端部高度，所述水箱压力传感器置于水箱内部顶端，所述砾石层液位传感器置于抽水井内上部，所述储热供水温度传感器置于第二循环泵出口位置，所述第一阀门～第十二阀门为常闭电磁阀。
7.本发明的有益效果是：在储热阶段，先进行水箱储热再进行砾石储热，保证了水箱的核心储热地位，同时也增大了进出热源的温差而有利于提高储热效率；在保温阶段，使固液分离，储热体边界散热方式以导热为主，通过散失一部分砾石的热量来保证水箱储热的核心高温热量；在取热阶段，先提取水箱核心热量再提取砾石可用热量，以使高品位储热得以优先利用。
附图说明
8.图1为本发明系统原理示意图。
9.图2为本发明系统工作流程示意图。
具体实施方式
10.下面结合附图对本发明作进一步详细说明：如图1所示，该地下固液联合储热系统包括储热水箱1、下位水管2、上位水管3、储热砾石4、注水井5、抽水井6、隔水保温层7、试温砾石8、热源9、取热换热器10、控制器11、第一循环泵p1、第二循环泵p2、第三循环泵p3、水箱温度传感器t1、砾石温度传感器t2、水箱设定液位传感器t3、水箱下限液位传感器t4、水箱压力传感器t5、砾石层液位传感器t6、储热出水温度传感器t7、第一阀门v1、第二阀门v2、第三阀门v3、第四阀门v4、第五阀门v5、第六阀门v6、第七阀门v7、第八阀门v8、第九阀门v9、第十阀门v10、第十一阀门v11、第十二阀门v12。其特征在于储热水箱1以水为介质存储热量，所述下位水管2和上位水管3向储热水箱1内供水或抽水，以实现储热或取热，所述储热砾石4与储热水箱1构成储热体，并承受上部荷载，所述注水井5和抽水井6均配有透水罩，向砾石层内供水和抽水，以实现储热或取热，所述隔水保温层7阻隔热量和水分从储热砾石4传递到原位土壤中，所述试温砾石8用于反映抽水井区域储热砾石层的温度，所述热源9向储热体供给热量，所述取热换热器10从储热水箱1中吸热，向热用户放热，所述控制器11通过接受各传感器信号控制各阀门以及循环泵的通断，所述第一循环泵p1和第二循环泵p2为储热和取热过程提供循环动力，所述第三循环泵p3为系统提供补水，所述水箱温度传感器t1用于监测储热水箱内水温，所述砾石温度传感器t2用于监测抽水井区域储热砾石层的温度，所述水箱设定液位传感器t3用于监测水箱
水位是否达到标准设定值，所述水箱下限液位传感器t4用于监测水箱是否缺水，所述水箱压力传感器t5用于监测水箱内压力，所述砾石层液位传感器t6用于监测储热砾石层内水位是否达到预设值，所述储热出水温度传感器t7用于检测储热系统出水温度，所述第一阀门v1～第十二阀门v12通过配合用于实现系统储热、取热、补水、泄压等功能。
11.本发明工作原理：如图2所示，系统工作流程依次为储热模式、保温模式、取热模式，同时具备补水功能和泄压功能辅助系统工作，结合图1和图2说明本发明各个模式和功能的工作原理。
12.储热模式：通过循环水的流动，该模式将热源的热量存储至水箱和砾石层中，循环水流经设备路径为：1
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→3→
1。具体实施方式：初始状态下，储热水箱1内充满水，所有循环泵和阀门均处于关闭状态，控制器11向第一阀门v1和第一循环泵p1发出开启命令，水箱中的水由下位水管2吸入第一循环泵p1，经过第一阀门v1进入注水井5，透过储热砾石4的孔隙进入抽水井6，当抽水井6内水位达到工作预设值时，控制器11接砾石层液位传感器t6信号，向第二阀门v2、第三阀门v3、第七阀门v7和第二循环泵p2发出开启指令，水由抽水井6经过第二阀门v2、第二循环泵p2、第七阀门v7进入热源9，吸热后水温提高，再经过第三阀门v3，通过上位水管3返回储热水箱1，反复循环后，热量不断由热源9储存至储热水箱1和储热砾石4中。
13.保温模式：在储热模式下，储热体温度达到设定值时，系统即进入保温模式。该模式首先将砾石孔隙水转移至水箱，循环水流经设备路径为：4
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1。具体实施方式：当储热水箱1和储热砾石4的温度均达到设定温度时，控制器11接水箱温度传感器t1和砾石温度传感器t2信号，向第一循环泵p1和第一阀门v1发出关闭命令，这样，注水井5将不再有水注入，储热砾石4中的水从抽水井6中抽出，经过第二阀门v2、第二循环泵p2、第七阀门v7、热源9、第三阀门v3，通过上位水管3进入储热水箱1，直至储热砾石4中的水完全进入储热水箱1，此时控制器11接第二循环泵p2无流量通过信号，向第二循环泵p2和第二阀门v2发出关闭指令。系统在完成将砾石孔隙水转移至水箱后，再判定是否需要补水。如果此时储热水箱1中的水位低于标准设定值，控制器11接水箱设定液位传感器t3信号，系统开启补水功能。
14.补水停止后，控制器11向所有阀门发出关闭指令，同时检测水箱温度，如果水温低于设定温度，则对水箱进行独立储热，循环水流经设备路径为：1
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v3
→3→
1。具体实施方式：当水箱温度传感器t1测试值低于设定值，控制器11向第一循环泵p1、第三阀门v3和第八阀门v8发出开启指令，水由下位水管2经过第一循环泵p1、第八阀门v8、热源9、第三阀门v3，由上位水管3返回储热水箱1，反复循环，实现水箱独立储热，直至水温达到设定值，控制器11接水箱温度传感器t1信号，向各阀门和循环泵发出关闭指令，停止系统储热。
15.此后系统进入保温阶段，砾石间隙中没有液态水，大大减小了水箱表面的对流换热，保证了储热水箱的核心能量。
16.取热模式：当热用户有用热需求时，系统即进入取热模式。该模式首先利用水箱内的存储热能，循环水流经设备路径为：3
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3。具体实施方式：控制器11首先向第二循环泵p2、第四阀门v4、第五阀门v5、第九阀门v9、第十阀门v10发出开启指令，储热水箱1内的水由上位水管3抽出，经过第四阀门v4、第二循环泵p2、第九阀
门v9，进入取热换热器10完成放热，之后经过第十阀门v10、第五阀门v5，由下位水管2返回储热水箱1，反复循环，不断将水箱内热能释放给热用户。
17.当储热水箱的出水温度不满足热用户取热需求时，则可以再提取砾石层的存储热能。如果储热出水温度传感器t7温度低于取热设定值时，控制器11接t7信号，读取砾石温度传感器t2的温度值，如果t2≤t7，则控制器11关闭所有循环泵和阀门，系统停止取热模式；如果t2＞t7，则系统从储热砾石中取热，循环水流经设备路径为：6
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6。具体实施方式：控制器11向第五阀门v5发出关闭指令，向第一循环泵p1和第一阀门v1发出开启指令，此时下位水管2从储热水箱1中抽水，经过第一循环泵p1，与流经第十阀门v10的来流汇合，经过第一阀门v1进入注水井5，循环水流经储热砾石4吸收热量，汇集至抽水井6使其水位不断提高，当水位达到设定位置时，控制器11接砾石层液位传感器t6信号，向第四阀门v4和第十阀门v10发出关闭指令，同时向第二阀门v2、第三阀门v3和第六阀门v6发出开启指令，此时抽水井6内的水被吸入第二循环泵p2，被送入取热换热器10进行放热，之后经由第六阀门v6、第三阀门v3和上位水管3进入储热水箱1，水箱内循环水再由下位水管2被吸入第一循环泵p1，经过第一阀门v1进入注水井5，再进入储热砾石4中吸热后返回抽水井6，反复循环，不断将砾石层内热能释放给热用户。直到储热出水温度传感器t7温度低于取热设定值时，控制器11关闭所有循环泵和阀门，系统停止取热模式。
18.补水功能：对于长期服役的储热系统而言，隔水保温层7不可避免会出现破损、老化开裂等问题，在砾石层中流动的水会产生一定的泄露、蒸发而流失，当水箱中水位低于设定值时，系统需开启补水功能。该功能将水源的水引入系统中，补水流经设备路径为：水源
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1。具体实施方式：在储热（或保温）模式下，当储热水箱1中的水位低于设定下限值（或标准设定值）时，控制器11接水箱下限液位传感器t4（水箱设定液位传感器t3）信号，向第十一阀门v11和第三循环泵p3发出开启指令，水从第三循环泵p3流经第十一阀门v11，再由第七阀门v7、热源9、第三阀门v3，最终通过上位水管3流入储热水箱1，实现系统补水，直到储热水箱1中的水位高于设定下限值（或标准设定值），控制器11向第十一阀门v11和第三循环泵p3发出关闭指令，停止补水。
19.泄压功能：在储热或保温模式下，储热水箱1内的压力如果超过限定值，控制器11接水箱压力传感器t5信号，向第十二阀门v12发出开启命令，排出蒸汽以减小储热水箱1内压力，当压力低于限定值时，控制器11向第十二阀门v12发出关闭命令，结束泄压功能。