專利名稱：利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種在巖土中埋設(shè)地埋管作為地?zé)釗Q熱器的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)及其傳熱模型，屬于能源工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程及相關(guān)傳熱領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，我國(guó)北方城鎮(zhèn)供熱中，燃煤或燃?xì)馔ㄟ^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(shí)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(guó)4大高能耗產(chǎn)業(yè)(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(fā)散掉，這又構(gòu)成我國(guó)工業(yè)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(yīng)向宇宙釋放大量的能量，經(jīng)大氣層的反射和吸收，能到達(dá)地球表面的約為I. 7X1013kW，是地球上現(xiàn)有發(fā)電功率的幾萬倍。因此，盡可能挖掘現(xiàn)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(yīng)該是未來城市建筑采暖熱源的主要發(fā)展方向。由于建筑采暖負(fù)荷集中在冬季，與工業(yè)余熱或太陽能提供的熱源在時(shí)間上不完全匹配，因此必須采用適當(dāng)?shù)男顭峒夹g(shù)。季節(jié)性蓄熱技術(shù)就是在非用熱季節(jié)將多余的熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱裝置內(nèi)以備用熱季節(jié)取用的一種技術(shù)。對(duì)于要求的蓄熱量特別大的場(chǎng)合，現(xiàn)有可能的季節(jié)性蓄熱技術(shù)主要有一、以水為介質(zhì)用蓄熱罐儲(chǔ)熱；二、利用地下水在含水層(滯水層)里儲(chǔ)熱。用蓄熱罐儲(chǔ)熱需要考慮蓄熱罐容積、結(jié)構(gòu)、埋設(shè)深度，以及地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)等一系列的因素，初投資很大。對(duì)于利用水井抽灌地下水在含水層里儲(chǔ)熱的方式來說，影響系統(tǒng)的參數(shù)有很多，比如土壤的致密程度，含水層內(nèi)水壓大小，蓄水池周圍地下水的流動(dòng)速度等等。其中需要考慮的最大的問題就是要有適當(dāng)?shù)臏畬樱纫休^豐富的地下水，又不希望地下水流動(dòng)；同時(shí)抽取的地下水能否順利地回灌也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。因此以上方法的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性都很差。實(shí)施利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱技術(shù)所需的初投資很大，因此必須有可靠和實(shí)用的傳熱分析方法，這是進(jìn)行項(xiàng)目的可行性研究和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地埋管換熱器用作季節(jié)性蓄熱設(shè)備的特點(diǎn)有I)地埋管換熱器用作季節(jié)性蓄熱設(shè)備，其蓄熱體是地下巖土，這種儲(chǔ)熱方式蓄熱體體積可以輕易做到大于106m3，相應(yīng)的蓄熱量大于2*107MJ，實(shí)現(xiàn)大體積，大熱容量，這是其他蓄熱技術(shù)不易做到的。2)因?yàn)榈叵聨r土是一個(gè)很大的蓄熱體，它能夠把吸收的熱量就地吸收，當(dāng)取熱時(shí)通過地下埋管換熱器從埋管區(qū)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(zhǎng)期蓄熱的散熱損失率也會(huì)很小，蓄熱利用效率很高。3)工業(yè)余熱、太陽能等低品位熱能的利用對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要的意義。采用地埋管換熱器作為季節(jié)性蓄熱設(shè)備，蓄存工業(yè)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(zhǎng)期、大量蓄熱引起的保溫困難和熱量損失問題，因此是工業(yè)余熱、太陽熱能高效利用途徑。4)在工業(yè)余熱利用中，由于余熱循環(huán)介質(zhì)的溫度較高，因此采用地埋管換熱器作為季節(jié)性蓄熱設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的蓄熱與取熱。當(dāng)然如果與熱泵聯(lián)合應(yīng)用的話，將擴(kuò)大蓄熱和取熱的溫度范圍，實(shí)現(xiàn)更多的蓄熱量和取熱量。5)在蓄熱季的運(yùn)行中，地埋管換熱器可以部分取代傳統(tǒng)的冷卻塔，起到節(jié)約用水的作用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的就是提供一種以巖土為蓄熱介質(zhì)、利用地埋管為換熱方式的大規(guī)模、長(zhǎng)周期儲(chǔ)存低品位熱能的蓄熱系統(tǒng)，同時(shí)提出其傳熱分析模型。本發(fā)明提出把熱量?jī)?chǔ)存在地下巖土中的方式，是利用了地源熱泵系統(tǒng)中的地埋管換熱器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)蓄熱量大的目的，是一種較為理想的季節(jié)性儲(chǔ)熱方式。不透水的巖石層和粘土地層不利于地下水流動(dòng)，這種地質(zhì)條件對(duì)鉆孔蓄熱系統(tǒng)尤為有利。本發(fā)明的用作季節(jié)性蓄熱設(shè)備的地埋管換熱器有一些與地源熱泵供熱空調(diào)系統(tǒng)中的換熱器不同的特點(diǎn)，例如，本發(fā)明首次提出地埋管蓄熱系統(tǒng)采用地埋管換熱器串聯(lián)的多流程布置方式，增大了循環(huán)液的進(jìn)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(shí)現(xiàn)了循環(huán)介質(zhì)的深度冷卻。同時(shí)，建立了地埋管蓄熱系統(tǒng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱模型，為該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)，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(shí)現(xiàn)蓄熱和取熱；同時(shí)又可通過管路周期性地在熱 源和熱用戶之間切換，以實(shí)現(xiàn)把熱能儲(chǔ)存若干時(shí)間以后再供應(yīng)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(huán)液在封閉的地下埋管中流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與大地之間的傳熱。地埋管換熱器由若干地埋管并聯(lián)或串聯(lián)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(shè)置I組(2根)或2組(4根)U型管并用灌漿材料填實(shí)。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(jié)性蓄熱系統(tǒng)中，采用豎直的地埋管換熱器可以保證地下溫度場(chǎng)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(jié)性蓄熱系統(tǒng)的地埋管換熱器可以分成若干個(gè)分系統(tǒng)，組成一個(gè)分系統(tǒng)的各U型管(地埋管)以并聯(lián)的方式聯(lián)接到各自的分水箱和集水箱，然后再并聯(lián)或串聯(lián)。分系統(tǒng)之間采用串聯(lián)連接時(shí)可以增大循環(huán)液的進(jìn)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(jié)性蓄熱系統(tǒng)還包括熱源系統(tǒng)和熱用戶系統(tǒng)，地埋管換熱器與熱源系統(tǒng)和熱用戶系統(tǒng)之間可以直聯(lián)，也可以通過換熱器間接聯(lián)接。系統(tǒng)連接管路上設(shè)置水泵，以提供傳熱介質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力。所述利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)還包括補(bǔ)水系統(tǒng)，可以及時(shí)補(bǔ)充系統(tǒng)運(yùn)行中的失水量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。所述各系統(tǒng)中還設(shè)置排氣裝置、閥門、測(cè)試儀表和其他必需的附件，這對(duì)于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員而言是常規(guī)的，容易實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明還提出了利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)的傳熱模型，即采用豎直地埋管換熱器蓄熱的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。其數(shù)學(xué)描述如下模型中假設(shè)地埋管換熱器的鉆孔個(gè)數(shù)足夠多，以至于通過邊界的散熱損失可以忽略不計(jì)；這樣，每一個(gè)獨(dú)立的鉆孔區(qū)域的邊界都可以看成是絕熱的。在一個(gè)運(yùn)行周期中，蓄熱與取熱保持平衡。此外，還假定在整個(gè)蓄熱期和整個(gè)取熱期內(nèi)，負(fù)荷(熱流強(qiáng)度)是保持不變的，但兩者持續(xù)的時(shí)間和熱流強(qiáng)度可以不同。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)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(huán)介質(zhì)流量M。蓄熱運(yùn)行的限制條件是蓄熱季終了時(shí)循環(huán)液的最高進(jìn)出口溫度T' fx，T" fx，取熱季終了時(shí)循環(huán)液的最低進(jìn)出口溫度T' fq，T" fq。對(duì)于一般的換熱器，若忽略換熱介質(zhì)溫度變化引起的蓄熱量，其換熱量(速率)Q為
權(quán)利要求
1.一種利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求I所述的一種利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)，其特征在于所述地埋管換熱器由若干地埋管并聯(lián)或串聯(lián)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(shè)置I組或2組U型管并用灌漿材料填實(shí)，鉆孔的深度為40—200π ο
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)，其特征在于所述地埋管換熱器可以分成若干個(gè)分系統(tǒng)，組成一個(gè)分系統(tǒng)的各U型管以并聯(lián)的方式聯(lián)接到各自的分水箱和集水箱，然后再并聯(lián)或串聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的一種利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)，其特征在于還包括熱源系統(tǒng)和熱用戶系統(tǒng)，地埋管換熱器與熱源系統(tǒng)和熱用戶系統(tǒng)之間直聯(lián)，或通過換熱器間接聯(lián)接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的一種利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)，其特征在于還包括補(bǔ)水系統(tǒng)。
6.一種利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)的傳熱模型，其特征在于 模型中假設(shè)地埋管換熱器的鉆孔個(gè)數(shù)足夠多，以至于通過邊界的散熱損失可以忽略不計(jì)；這樣，每一個(gè)獨(dú)立的鉆孔區(qū)域的邊界都可以看成是絕熱的，在一個(gè)運(yùn)行周期中，蓄熱與取熱保持平衡；此外，還假定在整個(gè)蓄熱期和整個(gè)取熱期內(nèi)，負(fù)荷是保持不變的，但兩者持續(xù)的時(shí)間和熱流強(qiáng)度可以不同； 傳熱模型所需的已知條件有鉆孔及管群的幾何配置、循環(huán)介質(zhì)流量M ;蓄熱運(yùn)行的限制條件是蓄熱季終了時(shí)循環(huán)液的最高進(jìn)出口溫度T' fx，T" fx，取熱季終了時(shí)循環(huán)液的最低進(jìn)出口溫度T' fq，T" fq;對(duì)于換熱器，忽略換熱介質(zhì)溫度變化引起的蓄熱量，其換熱量Q為 Q = Mc (t' f-t" f)(I) 其中，四個(gè)基本參數(shù)換熱量Q (W),循環(huán)液質(zhì)量流量M (kg/s),循環(huán)液進(jìn)口溫度t/ f(°C)，循環(huán)液出口溫度t" f(°C)，四個(gè)參數(shù)中只要已知三個(gè)，就可以確定第四個(gè)，參數(shù)c J/ (kg · )為循環(huán)液的質(zhì)量比熱容；確定換熱介質(zhì)的進(jìn)出口溫度以后，就可以確定其算術(shù)平均溫度〖f( °Q ).
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以巖土為蓄熱介質(zhì)、在巖土中埋設(shè)地埋管作為換熱手段的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)及其傳熱模型。與其他蓄熱方式相比，該蓄熱系統(tǒng)具有蓄熱量大、蓄熱周期長(zhǎng)、熱損失小、單位蓄熱量的成本低和適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。該蓄熱系統(tǒng)也可以與熱泵結(jié)合使用，可進(jìn)一步擴(kuò)大其蓄熱量和蓄熱溫差。在蓄熱工況的運(yùn)行中，該系統(tǒng)可以部分取代傳統(tǒng)的冷卻塔，起到節(jié)約冷卻塔用水的作用。利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱技術(shù)為錯(cuò)季節(jié)地利用工業(yè)余熱、太陽能等低品位熱能提供了經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)手段。本發(fā)明還提出了利用地埋管換熱的季節(jié)性蓄熱系統(tǒng)的傳熱分析的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱模型，為其設(shè)計(jì)計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)F28D20/00GK102692150SQ20121019877
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月16日
發(fā)明者張方方, 方肇洪, 趙強(qiáng) 申請(qǐng)人:山東中瑞新能源科技有限公司