一種地下儲能—地源熱泵聯合建築供能系統的製作方法
2023-06-20 20:40:11
專利名稱：一種地下儲能—地源熱泵聯合建築供能系統的製作方法
技術領域：
本發明具體一種為別墅建築提供冷、熱能的跨季節儲、供能系統。
背景技術：
當前，在能源供應緊張且溫室效應日趨嚴重的情況下，發展可再生能源利用技術迫在眉睫。尤其是在建築用能領域，新能源的利用更是得到廣泛關注，比如太陽能、風能、地熱能的利用。在可再生能源利用方面，目前應用最多的當屬淺層地熱能利用方面的地源熱泵技術。該技術是一種利用地下土壤作為熱泵低位熱源，通過輸入少量的高品位能源(如電能)，實現熱量從低溫位向高溫位轉移的熱泵系統。同時，地下儲能可有效利用自然界的冷、熱源，將其進行跨季節儲存來滿足時令季節的用能需求。當下，地下蓄能和土壤源熱 泵集成系統的研究對提高不可再生能源的利用效率、加大可再生能源(例如地熱能和太陽能)利用程度、減低空調冷熱源排放C02引起的溫室效應都起到了積極的作用，對緩解我國電力供應緊張的局面及解決能源與環境的問題產生著重要影響。目前常用的有地源熱泵技術及和太陽能利用相結合的太陽能-熱泵技術。但相應的儲冷技術發展和應用較少，並且在儲能方面上，儲能效率低也成為遏制儲能技術發展運用的瓶頸。但事實上，降低建築環境營造系統的能源消耗大致從兩個方面來實現第一，儘可能在滿足用戶基本需要的前提下，降低建築內環境參數與諸多能利用的自然環境間的差；第二，如何通過能量的儲存與轉化進一步利用自然界環境狀態在時間上的變化來營造適宜的生活環境。因此，構建一種儲能與地源熱泵聯合的建築供能系統，通過充分進行跨季節的自然能量存儲，來滿足冬夏季的用能需求是十分有意義的。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是提供一種系統，主要以土壤為對象，依靠冬冷夏儲、夏熱冬用的地下儲能技術，結合太陽能集熱、地表水儲冷和空調機組輔助的作用，通過合理調配達到滿足建築供冷、熱的需求。該系統可在很大程度上減少電耗，利用自然資源滿足用能需求，創造舒適的生活環境。提出的新的地下儲能設想，與現有的地源熱泵系統相比，可充分利用自然資源，較大程度上減少地源側冷、熱量損失，提高機組性能係數。並且系統各部分調節靈活，獨立性強，針對別墅建築有較好的適用性。本發明所解決的高效率利用自然能源滿足建築供能問題，提供一種地下儲能一地源熱泵聯合建築供能系統。該系統包括三個子系統儲冷供冷系統、儲熱供熱系統和空調機房系統。所述儲冷供冷系統I包括風盤、儲冷埋管管群、儲冰池、冷區循環水泵、直供冷端進口閥、直供冷端出口閥、儲冰池進口閥、儲冰池出口閥、儲冷區進口閥、儲冷區出口閥、地表水進口閥、地表水出口閥和連接管路；所述儲冷埋管管群流出端順次與儲冷區出口閥、冷區循環水泵、地表水進口閥、地表水、地表水出口閥和儲冷埋管管群流入端通過管路相連接；所述儲冰池流出端順次與儲冰池出口閥、冷區循環水泵、直供冷端進口閥、風盤流入端、風盤流出端、直供冷端出口閥、儲冰池進口閥和儲冰池流入端通過管路相連接；所述儲冰池內冰源通過在最冷季機械取冰的方式，將冰塊堆置池中實現；所述儲冷埋管管群流出端順次與儲冷區出口閥、冷區循環水泵、直供冷端進口閥、風盤流入端、風盤流出端、直供冷端出口閥、儲冷區進口閥和儲冷埋管管群流入端通過管路相連接。所述儲熱供熱系統II包括地板採暖、儲熱埋管管群、太陽能集熱器、儲蠟池、熱區循環水泵、直供熱端進口閥、直供熱端出口閥、儲蠟池進口閥、儲蠟池出口閥、儲熱區進口閥、儲熱區出口閥、集熱進口閥、集熱出口閥和連接管路；所述儲熱埋管管群流出端順次與集熱進口閥、太陽能集熱器、集熱出口閥、熱區循環水泵、儲熱區進口閥和儲熱埋管管群流入端通過管路相連接；所述儲熱埋管管群流出端同時順次與儲熱區出口閥、直供熱端進口閥、地板採暖流入端、地板採暖流出端、直供熱端出口閥、熱區循環水泵、儲熱區進口閥和儲熱埋管管群流入端通過管路相連接。所述儲蠟池流出端順次與儲蠟池出口閥、直供熱端進口閥、地板採暖流入端、地板採暖流出端、直供熱端出口閥、熱區循環水泵、儲蠟池進口閥和儲蠟池流入端通過管路相連接；所述儲蠟池流出端同時順次與儲蠟池出口閥、儲熱區出口閥、集熱進口閥、太陽能集熱器、集熱出口閥、熱區循環水泵、儲蠟池進口閥和儲蠟池流入端 通過管路相連接。所述空調機房系統III包括熱泵機組、地源側循環水泵、末端側循環水泵、地源側排熱進口閥、地源側排熱出口閥、末端供冷進口閥、末端供冷出口閥、地源側取熱進口閥、地源側取熱出口閥、末端供熱進口閥、末端供熱出口閥；所述熱泵機組用戶側出流端順次與末端側循環水泵、末端供冷進口閥、風盤流入端、風盤流出端、末端供冷出口閥和熱泵機組用戶側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組地源側出流端順次與地源側循環水泵、地源側排熱出口閥、儲冷區出口閥、儲冷埋管管群流入端、儲冷埋管管群流出端、地源側排熱進口閥和熱泵機組地源側入流端管路相連接，構成封閉循環。所述熱泵機組用戶側出流端順次與末端側循環水泵、末端供熱進口閥、地板採暖流入端、地板採暖流出端、末端供熱出口閥和熱泵機組用戶側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組地源側出流端順次與地源側循環水泵、地源側取熱出口閥、儲熱區進口閥、儲熱埋管管群流入端、儲熱埋管管群流出端、儲熱區出口閥、地源側取熱進口閥和熱泵機組地源側入流端管路相連接，構成封閉循環。所述的儲冰池或儲蠟池採用磚塊水泥砌起，池子體積、埋管深度根據用戶負荷來確定，池體頂部距地面I米以上，並覆蓋以保溫材料。所述的儲冷埋管管群在儲冰池外側呈環狀布置，埋管管群頂部距地面I米以上，並覆蓋以保溫材料。所述的儲熱埋管管群在儲蠟池外側呈環狀布置，埋管管群頂部距地面I米以上，並覆蓋以保溫材料。所述的儲冰池周圍有適宜的地表水源或人工砌成地表儲水池。所述供冷系統的一部分負荷由儲冰池和儲冷埋管管群分別提供，另一部分負荷由地源熱泵供冷系統提供；所述供熱系統的一部分負荷由儲蠟池和儲熱埋管管群分別提供，另一部分負荷由地源熱泵供熱系統提供。本發明的有益效果為I)該系統包括雙末端(風盤、地板採暖)、單獨冷、熱源(儲冷埋管管群、儲熱埋管管群)，可避免冬夏季負荷差異引起的地溫場不平衡問題。2)充分利用季節性的自然冷量和熱量，其來源廣泛，數量可觀。3)埋管管群在儲能池外側呈環狀布置，可較大程度上降低能量損失，提高儲能效率。4)系統獨立調配，控制切換靈活，供能方式多樣，且和儲能模式轉換方便。5)冬季儲熱區的平均溫度高於正常土壤表面，可用於建築周圍的路面融雪和栽培樹木草皮，實現綠色景觀的目的。
圖I為本發明地下儲能-地源熱泵聯合建築供能系統的組成結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施方式及其附圖進一步敘述本發明本發明設計的地下儲能-地源熱泵聯合建築供能系統(參見圖I)。該系統包括三個子系統儲冷供冷系統I、儲熱供熱系統II和空調機房系統III。所述儲冷供冷系統I包括風盤I、儲冷埋管管群9、儲冰池4、冷區循環水泵51、直供冷端進口閥32、直供冷端出口閥31、儲冰池進口閥33、儲冰池出口閥34、儲冷區進口閥35、儲冷區出口閥37、地表水進口閥38、地表水出口閥36和連接管路；所述儲冷埋管管群9流出端順次與儲冷區出口閥37、冷區循環水泵51、地表水進口閥38、地表水、地表水出口閥36和儲冷埋管管群9流入端通過管路相連接；所述儲冰池4流出端順次與儲冰池出口閥34、冷區循環水泵51、直供冷端進口閥32、風盤I流入端、風盤I流出端、直供冷端出口閥31、儲冰池進口閥33和儲冰池4流入端通過管路相連接；所述儲冰池內冰源通過在最冷季機械取冰的方式，將冰塊堆置池中實現；所述儲冷埋管管群9流出端順次與儲冷區出口閥37、冷區循環水泵51、直供冷端進口閥32、風盤I流入端、風盤I流出端、直供冷端出口閥31、儲冷區進口閥35和儲冷埋管管群9流入端通過管路相連接。所述儲熱供熱系統II包括地板採暖2、儲熱埋管管群8、太陽能集熱器6、儲蠟池
5、熱區循環水泵54、直供熱端進口閥92、直供熱端出口閥91、儲蠟池進口閥94、儲蠟池出口閥95、儲熱區進口閥98、儲熱區出口閥96、集熱進口閥97、集熱出口閥93和連接管路；所述儲熱埋管管群8流出端順次與集熱進口閥97、太陽能集熱器6、集熱出口閥93、熱區循環水泵54、儲熱區進口閥98和儲熱埋管管群8流入端通過管路相連接；所述儲熱埋管管群8流出端同時順次與儲熱區出口閥96、直供熱端進口閥92、地板採暖2流入端、地板採暖2流出端、直供熱端出口閥91、熱區循環水泵54、儲熱區進口閥98和儲熱埋管管群8流入端通過管路相連接；所述儲蠟池5流出端順次與儲蠟池出口閥95、直供熱端進口閥92、地板採暖2流入端、地板採暖2流出端、直供熱端出口閥91、熱區循環水泵54、儲蠟池進口閥94和儲蠟 池5流入端通過管路相連接；所述儲蠟池5流出端同時順次與儲蠟池出口閥95、儲熱區出口閥96、集熱進口閥97、太陽能集熱器6、集熱出口閥93、熱區循環水泵54、儲蠟池進口閥94和儲蠟池5流入端通過管路相連接；所述包括儲熱區出口閥96的連接方式中，其兩端的連接管路在不同的連接方式中具有不同的流向。所述空調機房系統III包括熱泵機組3、地源側循環水泵53、末端側循環水泵52、地源側排熱進口閥63、地源側排熱出口閥64、末端供冷進口閥61、末端供冷出口閥62、地源側取熱進口閥65、地源側取熱出口閥66、末端供熱進口閥68、末端供熱出口閥67 ;所述熱泵機組3用戶側出流端順次與末端側循環水泵52、末端供冷進口閥61、風盤I流入端、風盤I流出端、末端供冷出口閥62和熱泵機組3用戶側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組3地源側出流端順次與地源側循環水泵53、地源側排熱出口閥64、儲冷區出口閥37、儲冷埋管管群9流入端、儲冷埋管管群9流出端、地源側排熱進口閥63和熱泵機組3地源側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組3用戶側出流端順次與末端側循環水泵52、末端供熱進口閥68、地板採暖2流入端、地板採暖2流出端、末端供熱出口閥67和熱泵機組3用戶側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組3地源側出流端順次與地源側循環水泵53、地源側取熱出口閥66、儲熱區進口閥98、儲熱埋管管群8流入端、儲熱埋管管群8流出端、儲熱區出口閥96、地源側取熱進口閥65和熱泵機組3地源側入流端管路相連接，構成封閉循環。所述供冷系統的一部分負荷由儲冰池4和儲冷埋管管群9分別提供，另一部分負荷由地源熱泵供冷系統提供；所述供熱系統的一部分負荷由儲蠟池5和儲熱埋管管群8分 別提供，另一部分負荷由地源熱泵供熱系統提供。I.儲能模式本發明儲能系統利用池體配合埋管管群進行儲熱和儲冷。池體可以採用磚塊水泥砌起。池子體積、埋管深度根據用戶負荷來確定，池體和埋管管群頂部距地面I米以上(含I米)，並覆蓋以保溫材料7。建築周圍有適宜的地表水源或人工砌成地表儲水池。冬季通過冷區循環水泵將附近低溫地表水循環通過儲冷埋管管群，使得冷量儲 存在管群周圍的土壤中。同時挑選寒冷天時，切割地表水面冰層堆存在儲冰池4中，具體視池子體積而定。完成後表面蓋好，覆以稻草、秸杆、土層等加以保溫。儲冰池周圍的儲冷埋管管群一方面起到儲存冷量的作用，同時也較大程度上降低池體周邊溫度，使得儲冰池內冷量損失減小。具體方式為通過開啟儲冷區出口閥37、地表水進口閥38、地表水出口閥36和冷區循環水泵51將地表水體和儲冷埋管管群9連接，實現冬季儲冷；採用機械取冰方式，取地表水體上冰層或其他冰塊來源，置存於儲冰池4中。夏季利用太陽能集熱器6，配合儲蠟池5和儲熱埋管管群8，進行夏季儲熱。夏季太陽輻射很強，熱量充足，儘量收集熱品質較高的熱水進行埋管存儲，考慮水作為儲熱介質，儲存量較小，另外過度季節熱損較大，可考慮採用相變材料比如(石蠟等)作為儲熱介質。具體方式為通過集熱出口閥93、集熱進口閥97、儲熱區進口閥98和熱區循環水泵54的開啟，將太陽能集熱系統6、儲熱埋管管群8連接，實現地埋管儲熱。同時開啟儲蠟池進口閥94、儲蠟池出口閥95、儲熱區出口閥96可實現儲蠟池5和儲熱埋管管群8同時儲熱。關閉儲熱區進口閥98，則僅實現儲蠟池5儲熱。2.供能模式在夏季，首先利用儲冰池4獲得的冷量，採取直供方式來滿足用戶供冷需求，隨著氣溫的逐漸增高及用能消耗，冰體融化後，水溫變高不能達到用能需求時，可使用儲冷埋管管群7儲得的冷量。當二者都不能滿足要求時，可啟動熱泵機組3，使其與儲冷埋管管群7配合，給建築供冷。此時，埋管管群蓄得的冷量及冰池的冷餘量，可以很大程度上提高空調機組的運行效率，達到省電的目的。
具體實施方式
為通過直供冷端出口閥31、直供冷端進口閥32、儲冰池進口閥33、儲冰池出口閥34和冷區循環水泵51的開啟，儲冰池4與風盤I連接，實現儲冰池4直接供冷。當儲冰池4內水溫升高不能滿足供冷需求時，開啟儲冷區進口閥35、儲冷區出口閥37，關閉儲冰池進口閥33、儲冰池出口閥34，依靠儲冷埋管管群9和風盤I連接，實施儲冷管群直接供冷。當二者都不能滿足供冷要求時，關閉直供冷端出口閥31、直供冷端進口閥32、儲冷區進口閥35和冷區循環水泵51。開啟末端供冷進口閥61、末端供冷出口閥62、地源側排熱進口閥63、地源側排熱出口閥64，末端側循環水泵52、地源側循環水泵53及熱泵機組3，來完成地源熱泵機組供冷。冬季，運行方法與夏季相同，首先取用石蠟儲得的熱量，當不能滿足室內供暖需求時，使用儲熱埋管管群8中儲得的熱量。當二者都不能滿足時，啟動熱泵機組3，使其與儲熱埋管管群8配合，給建築供熱。
具體實施方式
為通過直供熱端出口閥91、直供熱端進口閥92、儲蠟池進口閥94、儲蠟池出口閥95和熱區循環水泵54的開啟，將儲蠟池5和地板採暖2連接，實現冬季儲蠟池5直供模式。當儲蠟池5內溫度不能滿足供熱需求時，開啟儲熱區 出口閥96、儲熱區進口閥98，關閉儲蠟池進口閥94、儲蠟池出口閥95，依靠儲熱埋管管群8和地板採暖2連接，實施儲熱管群直接供熱。當二者都不能滿足要求時，關閉直供熱端進口閥92、直供熱端出口閥91和熱區循環水泵54。開啟地源側取熱進口閥65、地源側取熱出口閥66、末端供熱出口閥67、末端供熱進口閥68，末端側循環水泵52、地源側循環水泵53及熱泵機組3，來完成地源熱泵機組供熱。本發明所述儲冷埋管管群9除了滿足儲冷和直接用於供冷外，同時和熱泵機組3結合，作為地源熱泵系統的地源側排熱端使用；所述儲熱埋管管群8除了滿足儲熱和直接用於供熱外，同時和熱泵機組3結合，作為地源熱泵系統的地源側取熱端使用。本發明儲能部分所述太陽能集熱器面積、儲蠟池體積、儲冰池體積及儲冷區和儲熱區中的埋管數量設計，是根據用戶負荷及預期投資成本而定，同時考慮土壤地溫平衡的原則，根據季節供能量來設計儲能系統的大小。本發明所述儲冰池4和儲蠟池5分別位於儲冷埋管管群9和儲熱埋管管群8中央，埋管管群在儲能池周圍外側呈環狀布置，整個儲能區頂部均鋪設保溫材料7，以提高儲能效率。結合冬夏季冷、熱資源豐富的特性，利用土壤作為儲能載體和環境，考慮淺層地熱能、太陽能、冰層、低溫地表水的自然資源以及熱泵的輔助作用，實現建築的供能及冬季建築周圍融雪和景觀綠化功能。系統考慮鑽孔埋管和地下池體的結合，池體用來滿足大部分能量的儲存，埋管區主要起到儲能和創造保溫環境的作用，並且在能量不足的情況下和熱泵機組聯合，輔助供能。該設計在充分利用自然能源為建築供能的同時，考慮了相變材料儲熱和地源熱泵技術，很大程度上降低了建築的用能消耗，具有較強的綠色、環保意義。本發明未述及之處適用於現有技術。以上所述，僅是根據本發明技術方案提出的一個實施案例，並非對本發明作任何形式上的限制。凡未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明的權利要求範圍內。
權利要求
1.一種地下儲能一地源熱泵聯合建築供能系統，其特徵為該系統包括三個子系統儲冷供冷系統、儲熱供熱系統和空調機房系統； 所述儲冷供冷系統包括風盤、儲冷埋管管群、儲冰池、冷區循環水泵、直供冷端進口閥、直供冷端出口閥、儲冰池進口閥、儲冰池出口閥、儲冷區進口閥、儲冷區出口閥、地表水進口閥、地表水出口閥和連接管路；所述儲冷埋管管群流出端順次與儲冷區出口閥、冷區循環水泵、地表水進口閥、地表水、地表水出口閥和儲冷埋管管群流入端通過管路相連接；所述儲冰池流出端順次與儲冰池出口閥、冷區循環水泵、直供冷端進口閥、風盤流入端、風盤流出端、直供冷端出口閥、儲冰池進口閥和儲冰池流入端通過管路相連接；所述儲冰池內冰源通過在最冷季機械取冰的方式，將冰塊堆置池中實現；所述儲冷埋管管群流出端順次與儲冷區出口閥、冷區循環水泵、直供冷端進口閥、風盤流入端、風盤流出端、直供冷端出口閥、儲冷區進口閥和儲冷埋管管群流入端通過管路相連接； 所述儲熱供熱系統包括地板採暖、儲熱埋管管群、太陽能集熱器、儲蠟池、熱區循環水泵、直供熱端進口閥、直供熱端出口閥、儲蠟池進口閥、儲蠟池出口閥、儲熱區進口閥、儲熱區出口閥、集熱進口閥、集熱出口閥和連接管路；所述儲熱埋管管群流出端順次與集熱進口閥、太陽能集熱器、集熱出口閥、熱區循環水泵、儲熱區進口閥和儲熱埋管管群流入端通過管路相連接；所述儲熱埋管管群流出端同時順次與儲熱區出口閥、直供熱端進口閥、地板採暖流入端、地板採暖流出端、直供熱端出口閥、熱區循環水泵、儲熱區進口閥和儲熱埋管管群流入端通過管路相連接；所述儲蠟池流出端順次與儲蠟池出口閥、直供熱端進口閥、地板採暖流入端、地板採暖流出端、直供熱端出口閥、熱區循環水泵、儲蠟池進口閥和儲蠟池流入端通過管路相連接；所述儲蠟池流出端同時順次與儲蠟池出口閥、儲熱區出口閥、集熱進口閥、太陽能集熱器、集熱出口閥、熱區循環水泵、儲蠟池進口閥和儲蠟池流入端通過管路相連接； 所述空調機房系統包括熱泵機組、地源側循環水泵、末端側循環水泵、地源側排熱進口閥、地源側排熱出口閥、末端供冷進口閥、末端供冷出口閥、地源側取熱進口閥、地源側取熱出口閥、末端供熱進口閥、末端供熱出口閥；所述熱泵機組用戶側出流端順次與末端側循環水泵、末端供冷進口閥、風盤流入端、風盤流出端、末端供冷出口閥和熱泵機組用戶側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組地源側出流端順次與地源側循環水泵、地源側排熱出口閥、儲冷區出口閥、儲冷埋管管群流入端、儲冷埋管管群流出端、地源側排熱進口閥和熱泵機組地源側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組用戶側出流端順次與末端側循環水泵、末端供熱進口閥、地板採暖流入端、地板採暖流出端、末端供熱出口閥和熱泵機組用戶側入流端管路相連接，構成封閉循環；所述熱泵機組地源側出流端順次與地源側循環水泵、地源側取熱出口閥、儲熱區進口閥、儲熱埋管管群流入端、儲熱埋管管群流出端、儲熱區出口閥、地源側取熱進口閥和熱泵機組地源側入流端管路相連接，構成封閉循環。
2.如權利要求I所述的地下儲能一地源熱泵聯合建築供能系統，其特徵為所述的儲冰池或儲蠟池採用磚塊水泥砌起，池體頂部距地面I米以上，並覆蓋以保溫材料。
3.如權利要求I所述的地下儲能一地源熱泵聯合建築供能系統，其特徵為所述的儲冷埋管管群在儲冰池外側呈環狀布置，埋管管群頂部距地面I米以上，並覆蓋以保溫材料。
4.如權利要求I所述的地下儲能一地源熱泵聯合建築供能系統，其特徵為所述的儲熱埋管管群在儲蠟池外側呈環狀布置，埋管管群頂部距地面I米以上，並覆蓋以保溫材料。
5.如權利要求I所述的地下儲能一地源熱泵聯合建築供能系統，其特徵為所述的儲冰池周圍有適宜的地表水源或人工砌成地表儲水池。
全文摘要
本發明為一種地下儲能—地源熱泵聯合建築供能系統。該系統包括三個子系統儲冷供冷系統、儲熱供熱系統和空調機房系統；儲冷供冷系統包括風盤、儲冷埋管管群、儲冰池、冷區循環水泵、直供冷端進口閥、直供冷端出口閥、儲冰池進口閥、儲冰池出口閥、儲冷區進口閥、儲冷區出口閥、地表水進口閥、地表水出口閥和連接管路；儲熱供熱系統包括地板採暖、儲熱埋管管群、太陽能集熱器、儲蠟池、熱區循環水泵、直供熱端進口閥、直供熱端出口閥、儲蠟池進口閥、儲蠟池出口閥、儲熱區進口閥、儲熱區出口閥、集熱進口閥、集熱出口閥和連接管路。本發明為雙末端、單獨冷、熱源，可避免冬夏季負荷差異引起的地溫場不平衡問題。
文檔編號F25B27/00GK102721236SQ20121023600
公開日2012年10月10日 申請日期2012年7月9日 優先權日2012年7月9日
發明者崔亞輝, 杜紅普, 王華軍, 齊承英 申請人:河北工業大學