專利名稱：一種太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及熱能利用，屬于可再生能源利用，特別是太陽能淺層地表 熱能互補的實現(xiàn)建筑供暖、制冷。
背景技術：
低品位能源如何有效的利用，現(xiàn)有的技術需要在利用傳統(tǒng)能源，將低品位 能源進行提升，再將低品位能源加以利用，但是這種利用方式都需要消耗傳統(tǒng) 能源，如各種地源和水源熱泵技術，需要電能進一步的補充，將其加以利用。對于建筑物的溫度控制技術有很多種，現(xiàn)有技術主要釆用消耗 -種能源的 形式，來實現(xiàn)建筑的溫度控制，主要的消耗電能的壓縮制冷技術，以及后期發(fā) 展的消耗其他傳統(tǒng)能源的如燃氣制冷技術，在其末端設備主要采用風機盤管和 散熱器，以及目前也在采用的利用各種管道為終端設備的供暖以及制冷。太陽 能采集技術的出現(xiàn)，也出現(xiàn)了各種吸收以及吸附式制冷技術，但是這些技術都 至少包含有一種制冷設備，需要消耗傳統(tǒng)的能源才能實現(xiàn)建筑物的溫度控制。現(xiàn)有依靠空調制冷以及鍋爐供暖的系統(tǒng)，采暖供回水溫度取95/70，空調 冷凍水取7/12，空調熱水取60/50，由于空調是強制對流換熱，所以它不需要 在末端過大的溫差，暖氣采用95/70，原因是末端沒有強制對流，冷凍水必須 設定在機器露點以下，這就要求冷凍水一般要控制在12度之下。但是，水在0 度以下要結冰，所以設定低溫不能低于5度，人為規(guī)定了7/12度。因而在制冷 時僅有5度的溫差。在夏季工框下，室內空氣溫度25度，則水和空氣的溫差為 15度左右。而冬季空氣溫度18度，水走60/50工況，水和空氣的溫差為37度 左右。所以不考慮濕工況可以認為冬季的風盤換熱能力幾乎是夏季的兩倍。因 此，從風盤角度出發(fā)，最極端時水走30/25這樣的工況也是可行的。如果采用 傳統(tǒng)的鍋爐供熱，本身鍋爐的燃燒溫度在500-1500度左右，視不同的燃料而不 同。如果用近千度的煙氣來加熱40度左右的熱水，換熱效率太低，鍋爐的能力 大大浪費，這是不經濟的，因此通常按照60/50這樣的工況進行設計。這是熱 水鍋爐的最低極限了，多數(shù)情況下還做不到，還要加換熱器。同時這樣的溫度 也可以防止水管和設備結垢?，F(xiàn)有系統(tǒng)風機盤管的末端的溫度差可以實現(xiàn)l 5 度的溫差制冷及供暖，但是由于熱源采用鍋爐和空調之間的差距，造成了目前 普遍采用高溫差進行供暖，由于必須采用高溫的供暖因而出現(xiàn)了使用散熱器進行冬季供暖，實際上，如果采用風機供暖，其換熱能力在l 5度溫差是可以進 行供暖的，這樣如果按照國標的要求室內溫度達到l 8度，在冬季采用2 3度 的水即對以實現(xiàn)冬季的供暖，因而為利用可再生能源進行直接的供暖提供了技 術的可能性。隨著末端技術的發(fā)展，供暖和制冷需要的能源溫度與環(huán)境溫度的溫差越來 越小，如采用傳統(tǒng)的散熱器需要8 Q — 9 Q度的熱源供暖，采用地板采暖技術 后，熱源的溫度可以降低到4 0 — 6 0度，這使得太陽能供暖成為可能，后期 出現(xiàn)的毛細管，其供暖溫度為3 0 — 4 0度，其制冷溫度可以采用10 — 20 度，而傳統(tǒng)的風機盤管技術需要3— 1 O度的冷源，才可能保證建筑物的制冷 效果。這種末端技術的出現(xiàn)，使得直接利用低品位熱能成為可能。在淺層地表 熱能利用上，現(xiàn)有的垂直埋管的深度為6 0 — 1 0 0米，這種深度適合于現(xiàn)有 的熱泵技術，但是由于其溫度基本處于1 5 — 2 0度的范圍，無法直接用于供 暖。新的末端設備的出現(xiàn)使得提供能源的方式也可以發(fā)生變化，由傳統(tǒng)的必須 消耗傳統(tǒng)的能源到現(xiàn)在可以實現(xiàn)利用可再生能源實現(xiàn)建筑的供暖和制冷。但是 目前采用的太陽能吸收或吸附式制冷都需要制冷機組，這種設備目前價格高而 且轉換效能差，如對于低于l 0 O度的熱源采用吸收或吸附式制冷技術，其C 0 P值為0 . 4 — 0 . 8 ，這樣也浪費的大量的熱能，使得技術無法普遍推廣使 用。發(fā)明內容本實用新型的目的就是提供一種太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用系 統(tǒng)，不需要消耗傳統(tǒng)的能源，就可以實現(xiàn)將低品位熱源直接利用于建筑供暖和 制冷。該系統(tǒng)將符合要求的低品位能源直接輸送到末端，實現(xiàn)低品位能源的直接利用， 進一步可以采用一個換熱器與低品位能源進行正確的換熱，達到系統(tǒng)設定的溫 度的要求，然后利用一種傳熱流體將熱能輸送到末端設備，末端設備將熱能進 行釋放，從而實現(xiàn)低品位熱能的直接利用。該系統(tǒng)采用與目標溫度5 — 1 5度 的溫差進行供暖和制冷，夏季冷源為1 1 一 2 1度，冬季熱源為2 1 — 4 1度， 實現(xiàn)對室內1 6 — 2 6度的溫度控制。這樣可以直接利用溫度為0 — 4 5度的 低品位熱源，實現(xiàn)建筑的直接供暖和制冷。在供暖與制冷過程中，如果淺層地 表熱能不能提供復合要求的能源時，采用太陽能進行補充，在夏季采用太陽能 制冷作為補充，在冬季采用太陽能熱利用的熱能進行補充，在夏季主要采用淺層地表熱能的為主要的能源，太陽能制冷為補充，在冬季以淺層地表熱能為主， 太陽能為補充，或以太陽能為主要能源淺層地表熱能為補充，但具體如何進行， 需要根'據(jù)地M情況，埋管費用，太陽能熱利用成本綜合考慮。當然更高溫度的 熱源以及更低溫度的冷源更加可以直接利用，仍適合于本實用新型，但是本實 用新型的重點是采用低品位的能源進行直接的供暖和制冷。具體發(fā)明內容如下一種太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，含有至少一個淺層地表 熱能能源和至少一個管道末端設備，以及至少一組太陽能利用系統(tǒng)，直接將淺 層地表熱能換熱器交換的熱能輸送到末端設備上，實現(xiàn)建筑供暖和/或制冷， 在淺層地表的熱能不能滿足建筑的要求時，采用太陽能熱能系統(tǒng)進行補充，所 述淺層地表熱能能源通過淺層地表熱能換熱器直接與所述管道末端設備相連， 同時太陽能熱能低溫系統(tǒng)與所述空調末端設備相連。還含有至少一個淺層地表熱能換熱器和至少一種流體，熱流體直接將淺層 地表熱能換熱器交換的熱能輸送到末端設備上，在淺層地表的熱能不能滿足建 筑的要求時，采用太陽能熱能系統(tǒng)進行補充，實現(xiàn)建筑供暖和/或制冷。對于土壤中的熱能，基本采用水平埋管換熱器和垂直埋管換熱器來實現(xiàn)熱 能的交換，在地表土壤中，深度l 5米以下為恒溫層，其深度為l 0 — 4 0米， 在恒溫層以下是變溫層，每增加3 0度，溫度增加一度。因此為了能夠實現(xiàn)利 用土壤中的能源直接對建筑提供制冷和供暖，對于夏季制冷，埋管的深度不高 于l 0 0米，其溫度處于8 —2 0度的區(qū)間，可以直接的將熱能進行交換后為 建筑提供制冷，可以采用垂直或水平埋管的方式，實現(xiàn)對地下熱能的交換。在 冬季供暖時基本要達到地下2 l度以上的溫度區(qū)域，通常需要的深度在3 0 0 —1 5 0 0米范圍，可以優(yōu)選在5 0 0 — 7 0 0米深度的范圍進行能源的采集， 溫度處于4 0 — 5 0度的溫度區(qū)間內。這樣通過換熱之后，就可以直接的利用 地下熱能為建筑提供供暖以及制冷。當采用淺層地表熱能用于建筑的制冷時，含有至少一個淺層地表熱能熱源， 其埋管換熱的深度一般為1 — 1 0 0米，提供溫度不高于2 l度的熱能，當淺 層地表熱能提供的溫度高于1 6度時，啟動太陽能制冷系統(tǒng)，降低供冷流體的 溫度，將熱能能源利用管道末端設備為建筑提供制冷。當采用淺層地表熱能用于建筑的供暖時，含有至少一個淺層地舉熱能熱源， 其埋管的深度為2 0 0 — 1 5 0 0米，可提供溫度不低于2 1度的熱能能源， 當淺層地表熱能提供的溫度低于3 0度時，啟動太陽能熱利用系統(tǒng)的熱能，提 升能源系統(tǒng)的溫度，將熱能能源利用管道末端設備為建筑提供供暖。當采用淺層地表熱能用于建筑的溫室栽培時含有至少一個淺層地表熱能能源，提供溫度不低于i o度的熱能，當能源溫度低于i o度時，啟動太陽能熱利用系統(tǒng)的熱能，提升能源系統(tǒng)的溫度，將該部分熱能利用管道末端設備為溫 室栽培提供能源。含有至少一個低溫淺層地表熱能熱源換熱器以及至少一個高溫淺層地表熱 能熱源換熱器，所述低溫淺層地表熱能熱源換熱器直接與所述管道末端設備相 連，所述高溫淺層地表熱能熱源換熱器直接與所述管道末端設備相連。將該部 分熱能利用管道末端設備為建筑在冬季提供供暖，在夏季提供制冷，此時需要提供兩個不同度換熱器， 一個為高溫的換熱器，實現(xiàn)溫度不低于2 l度的熱能 交換，其埋管的深度為2 0 0 — 1 5 0 0米， 一個為低溫換熱器，實現(xiàn)溫度不 高于2 l度的熱能交換，其埋管換熱的深度一般為1 一1 0 0米，兩個換熱器 分別實現(xiàn)冬季的供暖以及夏季的制冷。在淺層地表的熱能不能滿足建筑的要求 時，采用太陽能熱能系統(tǒng)進行補充，實現(xiàn)建筑供暖和/或制冷。淺層地表熱能選擇處于下列至少一種物質中的熱能A、 土壤任何土壤；B、 地表水指江河湖海中的水；C、 地下水地表以下的地下熱水。 采用下列至少一種淺層地表熱能換熱器實現(xiàn)換熱A、水平埋管換熱器;B、垂直埋管換熱器;C、板式換熱器；D、管殼換熱器；E、熱管換熱器；F、管翅換熱器；G、,套管換熱器。由于地表以下土壤的溫度的差別，為了使地表以下的熱能可以被直接的 利用，對于淺層地表熱能利用的埋管換熱系統(tǒng)，在制冷時埋管的深度不高于10 0米，在供暖時深度高于1 5 0米。 管道末端設備選自下列至少一種A、地暖管，為各種用于地板采暖的高分子管，現(xiàn)有直徑.最小為1 6MM。B、 毛細管；C、 風機盤管。現(xiàn)有地板采暖的管管間距為1 0 0 — 3 0 0 MM，如果降低供暖溫度和同 時實現(xiàn)制冷，需要采用密布的方式，其管件的間距為l 0 — 1 0 OMM。如果 僅是將其進行供暖。傳熱流體為液體、氣體、液體氣體混合物、氣體固體混合物、液體固體混 合物、液體固體氣體混合物、超臨界流體中的一種。在系統(tǒng)中還需要加入動力設備如泵來為系統(tǒng)提供動力，此外還需要控制器 件、儀表、閥門、蓄熱器件等設備來實現(xiàn)系統(tǒng)的能源的供應。以可再生能源為主要能源的系統(tǒng)，采用與目標溫度5 —1 5度的溫差進行 供暖和制冷，夏季冷源為1 1 一 2 1度，冬季熱源為2 1 - 4 1度，實現(xiàn)對室 內l 6 — 2 6度的溫度控制。在夏季制冷時，根據(jù)目前的國標，如果使室內溫 度最低2 6度，需要最低2 l度的冷源，在冬季如果使室內達到l 6度，需要 最低2 l度的熱源，只需提供2 l度的熱源，就可以保證在冬季和夏季實現(xiàn)建 筑供暖標準的能源供應。上述的供暖以及制冷溫度是根據(jù)中國目前的國家標準設定的溫度，但是在 不同的國家以及在同一個國家不同的時期，國家標準也在改變，同時由于淺層 地表熱能的資源在不同的區(qū)域也有不同的變化，因而需要根據(jù)地理位置和國家 政策對上述的各項溫度進行調整，只要能夠根據(jù)本發(fā)明的原理進行能源的供應， 都是可以實施的方案，都是本發(fā)明的保護的內容。在本說明書中，所設定的太陽能補充溫度值僅是一個優(yōu)選的溫度，由于太 陽能為一種資源，在一些區(qū)域豐富，在另外區(qū)域貧乏，因而所設定的數(shù)值應該 根據(jù)太陽能的資源情況進行調整，采用何溫度進行太陽能補充，可以根據(jù)情況 進行選擇，只要能夠實現(xiàn)能源的供應，都是可以選擇的數(shù)值。


圖中的數(shù)字標號的含義如下1:換熱器，2:末端設備，3:傳熱流體，4:高溫直埋管，5:低溫直埋管， 6:毛細管，7:蓄熱器，8 :湖，9 :淺層地表熱能熱源，1 0 :太陽能采集 系統(tǒng)，1 1 :低品位熱源。圖1:太陽能與淺層地表熱能互補直接利用系統(tǒng)示意圖由太陽能與淺層地表熱能系統(tǒng)互補直接經過換熱系統(tǒng)利用終端實現(xiàn)的淺層地表熱能的利用。圖2:具有高溫和低溫直埋管換熱器示意圖由一個高溫的換熱器統(tǒng)和一個低溫換熱器構成的淺層地表熱能換熱利用。 圖3:太陽能與具有高溫和低溫直埋管低品位能源互補利用系統(tǒng)示意圖由一個高溫和一個低溫的淺層地表熱能利用系統(tǒng)，通過一個換熱器實現(xiàn)熱 能的交換，利用傳熱流體實現(xiàn)熱能的傳遞，利用末端設備為建筑提供能源，由 太陽能熱利用系統(tǒng)提供能源的補充，實現(xiàn)制冷與供暖。圖4:太陽能與淺層地表熱能互補的溫室栽培系統(tǒng)示意圖太陽能與淺層地表熱能互補為溫室栽培提供能源。圖5 :太陽能與地表水實現(xiàn)的熱能互補利用示意圖太陽能與地表水實現(xiàn)的熱能互補利用，通過一個換熱器進行換熱，實現(xiàn)互 補的直接建筑制冷。圖6 :太陽能與低溫地下水互補直接利用系統(tǒng)示意圖 太陽能與低溫地下水直接利用系統(tǒng)。
具體實施方式
-實施例一太陽能與淺層地表熱能互補直接利用系統(tǒng)參見圖1:淺層地表系統(tǒng)采用井水，其溫度為l 5 — 2 l度，采用毛細管 為室內制冷設備，直接將井水輸送到室內毛細管處，實現(xiàn)室內2 l—2 6度溫 度的控制，當井水的溫度高于l 8時，啟動太陽能制冷系統(tǒng)，使其制冷的制冷 溫度低于l 5度，利用l 5度的溫度為建筑提供制冷。實施例二具有高溫和低溫直埋管換熱器系統(tǒng)參見圖2:低溫熱源為處于地下3 0米處的冷源，采用普通P P R的"u " 型管，可以采集溫度為15 — 19的冷源，其熱功率為1 一 3 KW;其高溫的 熱源為1 5 0 MM的不銹鋼管，深度為3 0 0米，溫度為2 5 — 3 0度的熱水。實施例三太陽能與具有高溫和低溫直埋管低品位能源互補利用系統(tǒng) 參見圖3 :低溫熱源為處于地下5 0米處的冷源，采用普通P P R的"u " 型管，可以采集溫度為15 — 19的冷源，其熱功率為2.5 — 5 KW;其高溫 的熱源為3 0 0 MM的不銹鋼管，深度為4 0 0米，溫度為2 5 — 3 0度的熱 水。將其不同溫度的能源通過一個換熱器進行換熱，通過傳熱流體將熱能輸送 到末端的地暖管中，實現(xiàn)建筑的供暖和夏季的制冷。在夏季當經換熱器換熱的 傳熱流體水的溫度高于l 5時，啟動太陽能制冷系統(tǒng)，使其制冷的制冷溫度低于l 5度，利用l 5度的溫度為建筑提供制冷。在冬季當經換熱器換熱的傳熱 流體水的溫度低于2 5度時，啟動太陽能進行熱補充，實現(xiàn)建筑供暖。實施例四太陽能與淺層地表熱能互補的溫室栽培系統(tǒng)參見圖4:溫室的溫度要求在冬季溫度不低于1 0度，采用地下深度l 0一4 O米的地熱，可以直接進行熱能的提供，采用熱管傳熱方式，采用直徑為 3 9MM的碳鋼熱管，末端設備采用毛細管。當經換熱器換熱的傳熱流體水的 溫度低于l 0度，啟動太陽能供暖。實施例五太陽能與地表水實現(xiàn)的熱能互補利用系統(tǒng)參見圖5 :選擇湖水溫度為1 5 — 2 0度，通過一個湖水換熱器，將1 8 度的冷7jC提供給風機末端，實現(xiàn)利用湖水進行制冷。當經換熱器換熱的傳熱流 體水的溫度高于l 5時，啟動太陽能制冷系統(tǒng)，使其制冷的制冷溫度低于l 5 度，利用l 5度的溫度為建筑提供制冷。實施例六太陽能與低溫地下水互補直接利用系統(tǒng)參見圖6:利用溫度低于4 5度的地下水，將其可以實現(xiàn)對建筑的直接供 暖，采用地暖管密布的方式，實現(xiàn)地下水的直接的利用。當經換熱器換熱的傳 熱流體水的溫度低于2 8度時，啟動太陽能進行熱補充，實現(xiàn)建筑供暖。
權利要求1、一種太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，由太陽能低溫熱利用系統(tǒng)、淺層地表熱能、地表熱能換熱器、空調末端設備組成，其特征是含有至少一個淺層地表熱能能源和至少一個管道末端設備，以及至少一組太陽能利用系統(tǒng)，所述淺層地表熱能能源通過淺層地表熱能換熱器直接與所述管道末端設備相連，同時太陽能熱能低溫系統(tǒng)與所述空調末端設備相連。
2、 根據(jù)權利要求1所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，其特 征是還含有至少一個淺層地表熱能換熱器和至少一種傳熱流體，淺層地 表熱能換熱器直接與管道末端設備相連，同時傳熱流體直接將淺層地表熱 能換熱器交換的熱能輸送到管道末端設備上。
3、 根據(jù)權利要求2所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，其特 征是傳熱流體為液體、氣體、液體氣體混合物、氣體固體混合物、液體 固體混合物、液體固體氣體混合物、超臨界流體中的一種。
4、 根據(jù)權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，其特征是含有至少一個低溫淺層地表熱能熱源換熱器以及至少一個 高溫淺層地表熱能熱源換熱器，所述低溫淺層地表熱能熱源換熱器直接與 所述管道末端設備相連，所述高溫淺層地表熱能熱源換熱器直接與所述管 道末端設備相連。
5、 根據(jù)權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，其特征是淺層地表熱能選擇處于下列至少一種物質中的熱能B、 地表水；C、 地下水。
6、 根據(jù)權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，其特征是采用下列至少一種淺層地表熱能換熱器A、 水平埋管換熱器；B、 垂直埋管換熱器；C、 板式換熱器；D、 管殼換熱器；E、 熱管換熱器；F、 管翅換熱器；G、 套管換熱器。
7、 根據(jù)權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，其特征是管道末端設備選自下列至少一種A、 地暖管；B、 毛細管；C、 風機盤管。
8、 根據(jù)權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝置，其特征是管道末端設備采用地暖管時需要采用密閉的方式，其管件的間距為1 0 — 1 0 0 MM。
9、 根據(jù)權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用裝 置，其特征是還設置有動力設備、控制器件、儀表、閥門、蓄熱器件。
專利摘要本實用新型提供一種太陽能淺層地表熱能互補建筑能源利用系統(tǒng)，不需要消耗傳統(tǒng)的能源，就可以實現(xiàn)將低品位熱源直接利用于建筑供暖和制冷。該系統(tǒng)將符合要求的低品位能源直接輸送到末端，實現(xiàn)低品位能源的直接利用，進一步可以采用一個換熱器與低品位能源進行正確的換熱，達到系統(tǒng)設定的溫度的要求，然后利用一種傳熱流體將熱能輸送到末端設備，末端設備將熱能進行釋放，從而實現(xiàn)低品位熱能的直接利用。
文檔編號F24J2/00GK201104051SQ20072008100
公開日2008年8月20日 申請日期2007年9月10日 優(yōu)先權日2007年9月10日
發(fā)明者李建民 申請人:李建民