技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于建筑節(jié)能、可再生能源利用和余熱利用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于極地的節(jié)能型基地建設(shè)。

背景技術(shù)：
：

南極，是地球上至今未被開發(fā)、未被污染的潔凈大陸，那里蘊藏著無數(shù)的科學(xué)之謎和信息。在全球變化、特別是全球氣候變化研究中，起著不可替代的關(guān)鍵作用。南極蘊藏著較北極更為豐富的資源和能源，有世界上最大的鐵山和煤田、豐富的海洋生物(特別是南極磷蝦)和油氣資源、地球上72％以上的天然淡水資源。

南極獨特的地理與氣候特征--平均海拔最高、風(fēng)速最大、降水量極少且極端低溫，形成了嚴酷純潔而又極為敏感、脆弱和極易受到破壞的自然與生態(tài)環(huán)境。為了保護地球最后一片凈土，世界上多個國家聯(lián)合制定了關(guān)于南極環(huán)境保護的條約，對極地的礦物使用、廢氣廢水排放等制定了嚴格的規(guī)定。

根據(jù)《南極礦產(chǎn)資源活動管理公約》的規(guī)定，各國在南極可開發(fā)時能夠享受的資源份額將由其對南極科考事業(yè)的貢獻程度來決定。雖然該公約最終流產(chǎn)，但其提出的此項規(guī)則已演化為不成文的慣例。

南極科考奉行的“潛規(guī)則”是，誰首先對一個區(qū)域進行考察，誰就擁有在這個區(qū)域建站的優(yōu)先權(quán)；相應(yīng)的國際慣例是，哪國在某地建站，周圍的科研活動就以哪國為主。

有鑒于此，各國紛紛下大力氣投入南極事業(yè)，建立科學(xué)考察站，爭相承擔(dān)重大科研項目。時至今日，極地科學(xué)考察已成為一個國家綜合國力和高科技水平的體現(xiàn)，在政治、科學(xué)、經(jīng)濟、外交、軍事等方面都有著深遠和重大的意義。

僅僅中國在極地建立了幾個分布不同地區(qū)的科考站，其人員日常生活和科考需要電力等能源支持。但是南極氣候條件惡劣，太陽能資源差，且有極晝極夜現(xiàn)象，現(xiàn)在南極用電用能多采用運輸過來的柴油作為原料，成本高昂且產(chǎn)生排放污染，不利于極地的大規(guī)模生產(chǎn)活動。

后勤保障物資運輸是南極各個考察站正常運行的根本保障，相比世界其他地區(qū)，南極考察站的后勤運輸和物資補給非常困難，同時會不時遭遇危險狀況，例如2011年，中國南極考察用直升機失事，2014年俄羅斯南極科考船被困，經(jīng)過艱難搶救中國科考船救出所有乘客。

南極洲是世界最冷的地區(qū)。在國際地球物理年期間，科學(xué)家在海岸地區(qū)測得的最冷月的平均溫度是-18℃，而在南極點同月的平均溫度是-62℃。1983年7月31日，蘇聯(lián)學(xué)者在東方站記錄到-89.2℃的低溫，是世界記錄到的最低自然溫度。一般室內(nèi)溫度要求在0℃以上，在冬天南極科考站室內(nèi)外溫差將會達到40℃-80℃甚至更高，有很大的能量利用空間。因此，極地的基地建設(shè)問題亟待解決。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于極地的節(jié)能型基地建設(shè)，本發(fā)明提出的方法考慮到極地特殊的環(huán)境天氣，多種途徑充分利用當(dāng)?shù)啬茉椿蛘哂酂?，減少極地生產(chǎn)生活的外來能源依賴程度，減少當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染，為極地的科考和全球可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

本發(fā)明的目的在于提供一種適用于極地的節(jié)能型基地建設(shè)，在基地外部設(shè)置有可拆卸的保溫結(jié)構(gòu)，保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置有工質(zhì)，在基地內(nèi)部和基地外部分別設(shè)置有室內(nèi)換熱器和室外換熱器，基地內(nèi)部的凍土層厚度以下設(shè)置有地下?lián)Q熱器，所述的地下?lián)Q熱器管道內(nèi)設(shè)置有低溫防凍液體，所述的地下?lián)Q熱器一端與室外換熱器通過管道連通，另一端與室內(nèi)換熱器通過管道連通，所述的地下?lián)Q熱器與室外換熱器之間設(shè)置有工質(zhì)泵，所述的室外換熱器與膨脹發(fā)電機連接，所述的室內(nèi)換熱器與膨脹發(fā)電機連接。保溫結(jié)構(gòu)為可拆卸的外殼結(jié)構(gòu)，在夏季拆掉外殼，將固體相變工質(zhì)拖拽到海邊的容器進行換熱成液體后，在秋季用桶或者泵將液體重新注入保溫結(jié)構(gòu)中。

在基地外部設(shè)置保溫容器，保溫容器內(nèi)設(shè)置有工質(zhì)，夏季時，工質(zhì)從保溫容器中取出，將工質(zhì)運輸?shù)胶＿叧淙氲椒胖迷诤Ｋ械娜萜鲀?nèi)，與海水換熱升溫，到冬季時工質(zhì)放回保溫容器中，這時工質(zhì)作為熱源，大氣作為冷源進行溫差發(fā)電或供暖，提供基地的用能，提供生產(chǎn)生活能耗；在基地或者基地外部冬季凍土層厚度以下埋設(shè)換熱器，所述的換熱器內(nèi)管道內(nèi)設(shè)置有防凍液，所述的換熱器使用地?zé)嶙鳛闊岫耍髿庾鳛槔涠藢嵭袦夭畎l(fā)電；在基底建設(shè)中，還可以直接采集熱能進行建筑保溫供暖代替發(fā)電應(yīng)用，通過多層環(huán)繞的方式，減少基地建筑與基地外部的換熱溫差，減少基地建筑的供暖需求。

同時在基地內(nèi)部、外部和凍土層厚度以下埋設(shè)換熱器，采用特殊的低溫防凍液體和管道(極地溫度過低，需要根據(jù)基地所處位置采用特殊材料，因為極地冬季溫度遠遠低于我國北方的最冷溫度)，通過換熱使用地?zé)嶙鳛闊岫?，大氣作為冷端實行溫差發(fā)電，供應(yīng)生產(chǎn)生活能耗。從凍土層下面吸熱的低溫防凍液體首先用工質(zhì)泵從凍土層下面換熱器中將熱防凍液體抽送到室內(nèi)換熱器進行供暖，然后進入膨脹發(fā)電機做功發(fā)電后進入室外換熱器，送到室外換熱器且室外換熱器耦合有半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，降溫后的低溫防凍液體最后由工質(zhì)泵加壓后送入地下?lián)Q熱器換熱，進行循環(huán)。

本發(fā)明基于能源電力當(dāng)?shù)禺a(chǎn)當(dāng)?shù)赜迷瓌t，利用極地的夏冬季節(jié)的氣溫變化，采用季節(jié)性大規(guī)模蓄能方式、余熱和地?zé)崂玫确绞降木C合性利用，進一步通過溫差發(fā)電方式解決當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活用電用能需要。同時通過蓄能箱體的圍護設(shè)置實現(xiàn)科考站保溫，進一步降低生產(chǎn)生活能耗。通過這些措施，減少南極科考站對燃料的外來依賴度，為更大范圍、更長時間、更好的在南極進行科考和生活提供幫助。

根據(jù)實際基地距離大海的遠近，工質(zhì)的輸送可以采用管路輸送或者軌道、道路輸送至大海邊，實現(xiàn)低溫工質(zhì)與海水換熱升溫。如果采用相變工質(zhì)，基地周圍保溫容器為可拆卸式，然后在夏季將整個箱體運輸至海水中，換熱成為液體后運輸回基地，重新安裝保溫結(jié)構(gòu)，冬季通過溫差發(fā)電提供能耗。

優(yōu)選，所述的工質(zhì)為相變工質(zhì)，所述的相變工質(zhì)為石蠟或水。在本發(fā)明中，相變工質(zhì)可以選擇冰點溫度為0℃或者稍低一點溫度的物質(zhì)。

溫差發(fā)電方式可以為半導(dǎo)體溫差發(fā)電、有機工質(zhì)發(fā)電或者其他溫差發(fā)電方式。具體的溫差發(fā)電方式可以根據(jù)實際需要來確定，只要能滿足本發(fā)明提出的溫差發(fā)電即可。

優(yōu)選，所述的保溫結(jié)構(gòu)由若干個設(shè)置有相變工質(zhì)的保溫容器組成。保溫容器以模塊化方式進行排列，便于實際的基地建設(shè)的操作。

優(yōu)選，所述的地下?lián)Q熱器內(nèi)的低溫防凍液體選自液氮、液氧和二氧化碳中的一種。低溫防凍液體的冰點低于當(dāng)?shù)刈畹蜏囟?，以保證地下?lián)Q熱器的正常使用，使基地的能源建設(shè)達到節(jié)能。

優(yōu)選，所述的保溫結(jié)構(gòu)外部設(shè)置有利用環(huán)境和工質(zhì)溫差進行發(fā)電的第一半導(dǎo)體發(fā)電裝置。

優(yōu)選，所述的室外換熱器與第二半導(dǎo)體發(fā)電裝置連接。

本發(fā)明的有益效果是：

1、極地大陸夏季海洋融化，海洋中溫度高于0℃，冬季環(huán)境溫度急劇下降，最高可以達到-80℃以下，且風(fēng)大無太陽，處于極夜籠罩；在夏季極晝季節(jié)，可以采用太陽光伏發(fā)電方式供應(yīng)本地能源需要，冬季則不能采用此種方式進行能源供給，為了供給在冬季外界低溫情況下的人員生產(chǎn)生活和生物培育的能源需求(電力、熱量和光學(xué)需求)，本發(fā)明通過蓄能和溫差利用的方式，對地?zé)崮?、余熱、海洋能進行利用，增強本地能源利用的使用率。

2、本發(fā)明多種途徑充分利用當(dāng)?shù)啬茉椿蛘哂酂幔瑴p少極地生產(chǎn)生活的外來能源依賴程度，減少當(dāng)?shù)丨h(huán)境污染，為極地的科考和全球可持續(xù)發(fā)展貢獻力量；同時充分利用當(dāng)?shù)啬茉?，可以保證在外來能源本身或者輸送途徑遇到故障時的基地人員以及生產(chǎn)的安全運行。

3、本發(fā)明通過南北極地區(qū)的地?zé)崮?、海洋能以及余熱等方面的耦合利用，實現(xiàn)基地節(jié)能。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明實施例1基地建設(shè)的蓄能利用方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1基地建設(shè)的室內(nèi)余熱發(fā)電示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例1基地建設(shè)的地?zé)岚l(fā)電供暖一體利用示意圖；

附圖標記說明：1、保溫容器；2、相變工質(zhì)；3、基地圍護；4、基地；5、半導(dǎo)體發(fā)電片；6、熱管換熱器、7、工質(zhì)泵；8、室內(nèi)換熱器；9、冰雪層；10、凍土層；11、地下?lián)Q熱器；12、室外換熱器；13、膨脹發(fā)電機。

具體實施方式：

以下實施例是對本發(fā)明的進一步說明，而不是對本發(fā)明的限制。

除特別說明，本發(fā)明中提到的設(shè)備和材料均為市售。

實施例1：

如圖1～3所示，基地4的外部設(shè)置有基地圍護3，基地圍護3外部設(shè)置有可拆卸的保溫結(jié)構(gòu)，保溫結(jié)構(gòu)由若干個保溫容器1組成，在此實施例中保溫容器1為20個，保溫容器1的數(shù)量根據(jù)基地的面積和實際需要的熱量來決定。各個保溫容器1以模塊化方式進行排列，保溫容器1內(nèi)的工質(zhì)為相變工質(zhì)2，相變工質(zhì)可以選擇冰點溫度為0℃或者稍低一點溫度的物質(zhì)，只要能實現(xiàn)保溫效果即可，在本實施例中相變工質(zhì)2為水。保溫容器1放置在基地圍護3周圍，可以有效降低基地4的固有散熱，同時可以利用與周圍環(huán)境溫差進行發(fā)電。在夏季拆掉外殼，將固體相變工質(zhì)拖拽到海邊的容器進行換熱成液體后，在秋季用桶或者泵將液體重新注入保溫結(jié)構(gòu)中。在冬季來臨前，將升溫后的保溫容器1(相變工質(zhì)運輸?shù)胶＿厱r為固體，運回時為液體)重新運輸回基地并進行定位和保溫，將相變工質(zhì)2作為熱源，大氣作為冷源進行溫差發(fā)電或供暖，提供基地的用能，提供生產(chǎn)生活能耗，溫差發(fā)電是通過半導(dǎo)體發(fā)電板等進行發(fā)電。該建設(shè)方式是將夏季海洋熱能存儲轉(zhuǎn)移到基地，在冬季進行應(yīng)用，實現(xiàn)跨季節(jié)移動蓄能利用。

本實施例中也可以將保溫容器1固定在基地4，夏季打開保溫結(jié)構(gòu)將相變工質(zhì)2運輸?shù)胶＿呂諢崃可郎?，冬季前運回基地重新注入保溫容器1內(nèi)(如果為相變工質(zhì)，則運輸?shù)胶＿叺臑楣腆w，運回的為液體)。

還可以在保溫容器1中設(shè)置換熱器，冬季直接通過間接換熱方式對基地內(nèi)部供暖。保溫結(jié)構(gòu)外部也可以設(shè)置有利用環(huán)境和工質(zhì)溫差進行發(fā)電的第一半導(dǎo)體發(fā)電裝置。

除了采用季節(jié)性蓄能利用進行節(jié)能，同時采用地?zé)岱绞饺陮Ξ?dāng)?shù)啬茉催M行應(yīng)用，在南極凍土層較厚，考慮到冬季嚴酷環(huán)境下生產(chǎn)生活受限，人員活動量小，所需能耗量可能不大，且其所需要溫度不需要太高，可以直接從地下引入凍土層10下面引入地?zé)?，并直接在室?nèi)換熱。

在基地4內(nèi)部和基地4外部分別設(shè)置有室內(nèi)換熱器8和室外換熱器12，基地4內(nèi)部的凍土層10厚度以下設(shè)置有地下?lián)Q熱器11，地下?lián)Q熱器11管道內(nèi)設(shè)置有低溫防凍液體，地下?lián)Q熱器11一端與室外換熱器12通過管道連通，另一端與室內(nèi)換熱器8通過管道連通，地下?lián)Q熱器11與室外換熱器12之間設(shè)置有工質(zhì)泵7，室外換熱器12與膨脹發(fā)電機13連接，室內(nèi)換熱器8與膨脹發(fā)電機13連接。地下?lián)Q熱器12設(shè)置于基地凍土層10以下，冰雪層9位于凍土層10上部。室外換熱器12與第二半導(dǎo)體發(fā)電裝置連接。低溫防凍液體選自液氮、液氧和二氧化碳中的一種，在本實施例中低溫防凍液體為液氮。

從凍土層10下面吸熱的低溫防凍液體首先進入到室內(nèi)換熱器8進行供暖，然后進入膨脹發(fā)電機13做功發(fā)電后進入室外換熱器12，降溫后的低溫防凍液體最后由工質(zhì)泵7加壓后送入地下?lián)Q熱器11換熱，進行循環(huán)。另外一種供暖發(fā)電聯(lián)合循環(huán)方式為用工質(zhì)泵7將凍土層10下面的地下?lián)Q熱器11中吸熱的低溫防凍液體抽送到室內(nèi)換熱器8后進供暖，然后進入到與環(huán)境空氣組成半導(dǎo)體溫差發(fā)電的室外換熱器12進行換熱后再次進入地下?lián)Q熱器11組成一個循環(huán)。

也可以不經(jīng)過室內(nèi)換熱直接與室外環(huán)境空氣組成半導(dǎo)體溫差發(fā)電，這種方式需要的地?zé)釡囟炔恍韬芨撸?jīng)過管道散熱后采用低溫防凍液作為工質(zhì)。地?zé)崂玫牧硗庖环N方式是在基地保溫圍護靠近室外側(cè)添加一些循環(huán)管道，從地下吸熱的循環(huán)工質(zhì)流過管道，加熱周邊維護，減少室內(nèi)散熱溫差，降低室內(nèi)散熱量。

在極地建立的科考基地分布廣泛，有的在近海，有的遠離海洋，其冬季的周邊環(huán)境溫度等天氣狀況也有很大差別。因此對以上幾種當(dāng)?shù)啬茉蠢猛緩娇梢赃M行選擇性、側(cè)重性應(yīng)用，從而減少對外來能源的依賴。如果在瀕臨海邊地區(qū)，可以通過管道和泵對海水進行直接循環(huán)熱利用，類似地?zé)崂猛緩健?/p>

在基地室內(nèi)底部小空間具有熱管換熱器6或者其他類型換熱器，連接到半導(dǎo)體發(fā)電片5，冷端與室外環(huán)境連接，通過室內(nèi)外溫差產(chǎn)生電力?；蛘卟徊捎脫Q熱器，因為室內(nèi)外溫差足夠大，直接在墻體中埋設(shè)半導(dǎo)體發(fā)電片進行溫差發(fā)電。這種方式通過減少小部分室內(nèi)熱量生產(chǎn)電力以供應(yīng)低限度生活用電。

通過對當(dāng)?shù)啬茉吹某浞掷茫瑢崿F(xiàn)基地節(jié)能減排的同時可以提供在外部能源意外缺乏時的基地能源安全保障。

以上對本發(fā)明提供的適用于極地的節(jié)能型基地建設(shè)進行了詳細的介紹，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的技術(shù)方案及其核心思想，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。