一種太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統的製作方法
2023-05-30 10:29:46 2
專利名稱：一種太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱能利用，屬於可再生能源利用，特別是太陽能淺層地表熱能 互補的實現建築供暖、製冷。
背景技術：
低品位能源如何有效的利用，現有的技術需要在利用傳統能源，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 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。
對於建築物的溫度控制技術有很多種，現有技術主要採用消耗一種能源的 形式，來實現建築的溫度控制，主要的消耗電能的壓縮製冷技術，以及後期發 展的消耗其他傳統能源的如燃氣製冷技術，在其末端設備主要採用風機盤管和 散熱器，以及目前也在採用的利用各種管道為終端設備的供暖以及製冷。太陽 能採集技術的出現，也出現了各種吸收以及吸附式製冷技術，但是這些技術都 至少包含有一種製冷設備，需要消耗傳統的能源才能實現建築物的溫度控制。
現有依靠空調製冷以及鍋爐供暖的系統，採暖供回水溫度取95/70，空調 冷凍水取7/12，空調熱水取60/50，由於空調是強制對流換熱，所以它不需要 在末端過大的溫差，暖氣採用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於5度，人為規定了7/12度。因而在製冷 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。所以不考慮溼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，最極端時水走30/25這樣的工況也是可行的。如果採用 傳統的鍋爐供熱，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。現有系統風機盤管的末端的溫度差可以實現l 5 度的溫差製冷及供暖，但是由於熱源釆用鍋爐和空調之間的差距，造成了目前 普遍採用高溫差進行供暖，由於必須採用高溫的供暖因而出現了使用散熱器進
行冬季供暖，實際上，如果採用風機供暖，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，在冬季採用2 3度 的水即可以實現冬季的供暖，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。
隨著末端技術的發展，供暖和製冷需要的能源溫度與環境溫度的溫差越來 越小，如採用傳統的散熱器需要8 0 — 9 O度的熱源供暖，採用地板採暖技術 後，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，後期 出現的毛細管，其供暖溫度為3 0 — 4 0度，其製冷溫度可以採用10 — 20 度，而傳統的風機盤管技術需要3 — 1 O度的冷源，才可能保證建築物的製冷 效果。這種末端技術的出現，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，現有的垂直埋管的深度為6 0 — 1 0 0米，這種深度適合於現有 的熱泵技術，但是由於其溫度基本處於l 5 — 2 O度的範圍，無法直接用於供 暖。
新的末端設備的出現使得提供能源的方式也可以發生變化，由傳統的必須 消耗傳統的能源到現在可以實現利用可再生能源實現建築的供暖和製冷。但是 目前採用的太陽能吸收或吸附式製冷都需要制冷機組，這種設備目前價格高而 且轉換效能差，如對於低於l 0 O度的熱源釆用吸收或吸附式製冷技術，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。
發明內容
本發明的目的就是提供一種太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統， 不需要消耗傳統的能源，就可以實現將低品位熱源直接利用於建築供暖和製冷。
該系統將符合要求的低品位能源直接輸送到末端，實現低品位能源的直接利用， 進一步可以採用一個換熱器與低品位能源進行正確的換熱，達到系統設定的溫 度的要求，然後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，從而實現低品位熱能的直接利用。該系統採用與目標溫度5 — 1 5度 的溫差進行供暖和製冷，夏季冷源為1 1 一 2 1度，冬季熱源為2 1 — 4 1度， 實現對室內16 — 26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，實現建築的直接供暖和製冷。在供暖與製冷過程中，如果淺層地 表熱能不能提供複合要求的能源時，採用太陽能進行補充，在夏季採用太陽能 製冷作為補充，在冬季採用太陽能熱利用的熱能進行補充，在夏季主要採用淺 層地表熱能的為主要的能源，太陽能製冷為補充，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， 需要根據地質情況，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，仍適合於本發明，但是本發明的 重點是採用低品位的能源進行直接的供暖和製冷。
具體發明內容如下
一種太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，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，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，實現建築供暖和/或製冷， 在淺層地表的熱能不能滿足建築的要求時，採用太陽能熱能系統進行補充。
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 築的要求時，採用太陽能熱能系統進行補充，實現建築供暖和/或製冷。
對於土壤中的熱能，基本採用水平埋管換熱器和垂直埋管換熱器來實現熱
能的交換，在地表土壤中，深度l 5米以下為恆溫層，其深度為l 0 —4 0米， 在恆溫層以下是變溫層，每增加3 0度，溫度增加一度。因此為了能夠實現利 用土壤中的能源直接對建築提供製冷和供暖，對於夏季製冷，埋管的深度不高 於l 0 0米，其溫度處於8 — 2 0度的區間，可以直接的將熱能進行交換後為
建築提供製冷，可以採用垂直或水平埋管的方式，實現對地下熱能的交換。在 冬季供暖時基本要達到地下2 l度以上的溫度區域，通常需要的深度在3 0 0 一 1 5 0 0米範圍，可以優選在5 0 0 — 7 0 O米深度的範圍進行能源的釆集， 溫度處於4 0 — 5 0度的溫度區間內。這樣通過換熱之後，就可以直接的利用 地下熱能為建築提供供暖以及製冷。
當採用淺層地表熱能用於建築的製冷時，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，提供溫度不高於2 l度的熱能，當淺 層地表熱能提供的溫度高於1 6度時，啟動太陽能製冷系統，降低供冷流體的 溫度，將熱能能源利用管道末端設備為建築提供製冷。
當採用淺層地表熱能用於建築的供暖時，含有至少一個淺層地表熱能熱源， 其埋管的深度為2 0 0 — 1 5 0 0米，可提供溫度不低於2 1度的熱能能源， 當淺層地表熱能提供的溫度低於3 0度時，啟動太陽能熱利用系統的熱能，提 升能源系統的溫度，將熱能能源利用管道末端設備為建築提供供暖。
當採用淺層地表熱能用於建築的溫室栽培時含有至少一個淺層地表熱能能 源，提供溫度不低於l 0度的熱能，當能源溫度低於l 0度時，啟動太陽能熱 利用系統的熱能，提升能源系統的溫度，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，將該部分熱能利用管道末端設備為建築在冬季提供供暖，在夏 季提供製冷，此時需要提供兩個不同度換熱器， 一個為高溫的換熱器，實現溫
度不低於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，實現溫度不高於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冬季的供暖以及夏季的製冷。在淺層地表的熱 能不能滿足建築的要求時，採用太陽能熱能系統進行補充，實現建築供暖和/ 或製冷。
淺層地表熱能選擇處於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。 採用下列至少一種淺層地表熱能換熱器實現換熱-
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。
由於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，對於淺層地表熱能利用的埋管換熱系統，在製冷時埋管的深度不高於1 0 0米，在供暖時深度高於l 5 0米。
管道末端設備選自下列至少一種
A、 地曖管，為各種用於地板採暖的高分子管，現有直徑最小為1 6MM。
B、 毛細管；
C、 風機盤管。
現有地板採暖的管管間距為1 0 0 — 3 0 OMM，如果降低供暖溫度和同 時實現製冷，需要採用密布的方式，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。
在系統中還需要加入動力設備如泵來為系統提供動力，此外還需要控制器 件、儀表、閥門、蓄熱器件等設備來實現系統的能源的供應。
以可再生能源為主要能源的系統，採用與目標溫度5 — 1 5度的溫差進行 供暖和製冷，夏季冷源為1 1 — 2 1度，冬季熱源為2 1 — 4 1度，實現對室 內l 6 — 2 6度的溫度控制。在夏季製冷時，根據目前的國標，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建 築供暖標準的能源供應。
上述的供暖以及製冷溫度是根據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，同時由於淺層 地表熱能的資源在不同的區域也有不同的變化，因而需要根據地理位置和國家 政策對上述的各項溫度進行調整，只要能夠根據本發明的原理進行能源的供應， 都是可以實施的方案，都是本發明的保護的內容。
在本說明書中，所設定的太陽能補充溫度值僅是一個優選的溫度，由於太 陽能為一種資源，在一些區域豐富，在另外區域貧乏，因而所設定的數值應該 根據太陽能的資源情況進行調整，採用何溫度進行太陽能補充，可以根據情況 進行選擇，只要能夠實現能源的供應，都是可以選擇的數值。
圖中的數字標號的含義如下
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 :太陽能採集 系統，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示意圖
由太陽能與淺層地表熱能系統互補直接經過換熱系統利用終端實現的淺層 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示意圖
由一個高溫和一個低溫的淺層地表熱能利用系統，通過一個換熱器實現熱 能的交換，利用傳熱流體實現熱能的傳遞，利用末端設備為建築提供能源，由 太陽能熱利用系統提供能源的補充，實現製冷與供暖。
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的熱能互補利用示意圖
太陽能與地表水實現的熱能互補利用，通過一個換熱器進行換熱，實現互 補的直接建築製冷。
圖6 :太陽能與低溫地下水互補直接利用系統示意圖 太陽能與低溫地下水直接利用系統。
具體實施例方式
實施例一太陽能與淺層地表熱能互補直接利用系統
參見圖1:淺層地表系統採用井水，其溫度為l 5 — 2 l度，採用毛細管 為室內製冷設備，直接將井水輸送到室內毛細管處，實現室內2 1—2 6度溫 度的控制，當井水的溫度高於l 8時，啟動太陽能製冷系統，使其製冷的製冷 溫度低於l 5度，利用l 5度的溫度為建築提供製冷。
實施例二具有高溫和低溫直埋管換熱器系統
參見圖2:低溫熱源為處於地下3 0米處的冷源，採用普通P P R的"u " 型管，可以採集溫度為15 — 19的冷源，其熱功率為1 — 3 KW;其高溫的 熱源為1 5 0 MM的不鏽鋼管，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 參見圖3 :低溫熱源為處於地下5 0米處的冷源，採用普通P P R的"u" 型管，可以採集溫度為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的不鏽鋼管，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，實現建築的供暖和夏季的製冷。在夏季當經換熱器換熱的 傳熱流體水的溫度高於l 5時，啟動太陽能製冷系統，使其製冷的製冷溫度低 於l 5度，利用l 5度的溫度為建築提供製冷。在冬季當經換熱器換熱的傳熱 流體水的溫度低於2 5度時，啟動太陽能進行熱補充，實現建築供暖。
實施例四太陽能與淺層地表熱能互補的溫室栽培系統
參見圖4:溫室的溫度要求在冬季溫度不低於1 0度，採用地下深度l 0
一4 0米的地熱，可以直接進行熱能的提供，採用熱管傳熱方式，採用直徑為 3 9MM的碳鋼熱管，末端設備採用毛細管。當經換熱器換熱的傳熱流體水的 溫度低於l 0度，啟動太陽能供暖。
實施例五太陽能與地表水實現的熱能互補利用系統
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 度的冷水提供給風機末端，實現利用湖水進行製冷。當經換熱器換熱的傳熱流 體水的溫度高於l 5時，啟動太陽能製冷系統，使其製冷的製冷溫度低於l 5 度，利用l 5度的溫度為建築提供製冷。
實施例六太陽能與低溫地下水互補直接利用系統
參見圖6:利用溫度低於4 5度的地下水，將其可以實現對建築的直接供 暖，採用地暖管密布的方式，實現地下水的直接的利用。當經換熱器換熱的傳 熱流體水的溫度低於2 8度時，啟動太陽能進行熱補充，實現建築供暖。
權利要求
1、一種太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，由太陽能低溫熱利用系統、淺層地表熱能、地表熱能換熱器、空調末端設備組成，其特徵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，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，實現建築供暖和/或製冷，在淺層地表的熱能不能滿足建築的要求時，採用太陽能熱能系統進行補充。
2、 根據權利要求1所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，其特 徵是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 不能滿足建築的要求時，採用太陽能熱能系統進行補充，實現建築供暖和/或製冷。
3、 根據權利要求2所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，其特 徵是流體為液體、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、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系 統，其特徵是含有至少一個淺層地表熱能熱源，提供溫度不高於2 l度 的熱能，當淺層地表熱能提供的溫度高於1 6度時，啟動太陽能製冷系統， 降低供冷流體的溫度，將熱能能源利用管道末端設備為建築提供製冷。
5、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，其特徵是含有至少一個淺層地表熱能熱源，提供溫度不低於2 l度的熱能能源，當淺層地表熱能提供的溫度低於3 0度時，啟動太陽能熱利用系統的熱能，提升能源系統的溫度，將熱能能源利用管道末端設備為建 築提供供暖。
6、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系 統，其特徵是含有至少一個淺層地表熱能能源，提供溫度不低於l 0度的熱能，當能源溫度低於i o度時，啟動太陽能熱利用系統的熱能，提升能源系統的溫度，將該部分熱能利用管道末端設備為溫室栽培提供能源。
7、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系 統，其特徵是含有至少一個低溫淺層地表熱能以及至少一個高溫淺層地表熱能，將該部分熱能利用管道末端設備為建築在冬季提供供暖，在夏季 提供製冷，在淺層地表的熱能不能滿足建築的要求時，採用太陽能熱能系 統進行補充，實現建築供暖和/或製冷。
8、 根據權利要求l或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系 統，其特徵是淺層地表熱能選擇處於下列至少一種物質中的熱能A、 土壤；B、 地表水；C、 地下水。
9、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，其特徵是採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。
10、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，其特徵是對於淺層地表熱能選擇土壤或者地表水或者地下水之一的 熱能時，在利用淺層地表熱能時的埋管換熱系統，在製冷時埋管的深度不 高於l 0 0米，在供暖時深度高於l 5 0米。
11、 根據權利要求l或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系 統，其特徵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。
12、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，其特徵是管道末端設備採用地暖管時需要採用密閉的方式，其管件的間距為1 0 — 1 0 0 MM。
13、 根據權利要求1或2或3所述的太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系 統，其特徵是還設置有動力設備、控制器件、儀表、閥門、蓄熱器件。
全文摘要
本發明提供一種太陽能淺層地表熱能互補建築能源利用系統，不需要消耗傳統的能源，就可以實現將低品位熱源直接利用於建築供暖和製冷。該系統將符合要求的低品位能源直接輸送到末端，實現低品位能源的直接利用，進一步可以採用一個換熱器與低品位能源進行正確的換熱，達到系統設定的溫度的要求，然後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，從而實現低品位熱能的直接利用。
文檔編號F24J2/00GK101387459SQ20071004998
公開日2009年3月18日 申請日期2007年9月10日 優先權日2007年9月10日
發明者李建民 申請人:李建民