[发明专利]利用地埋管换热的季节性蓄热系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种在岩土中埋设地埋管作为地热换热器的季节性蓄热系统及其传热模型，属于能源工程、建筑环境与设备工程及相关传热领域。

背景技术

当前，我国北方城镇供热中，燃煤或燃气通过锅炉直接燃烧制备热水仍是主要的采暖热源方式，占采暖建筑面积的65％以上，这实际是用高品位热能换取低品位热量，造成巨大的可用能损失。而我国4大高能耗产业（钢铁、有色、化工、建材）其能源热利用效率仅在30％～60％，所消耗的能源的40％～70％都以低品位热量的形式排掉，其中约一半通过冷却塔蒸发散掉，这又构成我国工业耗水的主要原因。另外，太阳能也是一种可供利用的可再生能源，地球上的大部分能源都来自太阳，太阳不停的通过核聚变反应向宇宙释放大量的能量，经大气层的反射和吸收，能到达地球表面的约为1.7×10¹³kW，是地球上现有发电功率的几万倍。因此，尽可能挖掘现在被排放的和没有被充分利用的低品位热能，用它来解决冬季建筑采暖，这应该是未来城市建筑采暖热源的主要发展方向。由于建筑采暖负荷集中在冬季，与工业余热或太阳能提供的热源在时间上不完全匹配，因此必须采用适当的蓄热技术。

季节性蓄热技术就是在非用热季节将多余的热量储存在蓄热装置内以备用热季节取用的一种技术。对于要求的蓄热量特别大的场合，现有可能的季节性蓄热技术主要有：一、以水为介质用蓄热罐储热；二、利用地下水在含水层（滞水层）里储热。用蓄热罐储热需要考虑蓄热罐容积、结构、埋设深度，以及地下地质结构等一系列的因素，初投资很大。对于利用水井抽灌地下水在含水层里储热的方式来说，影响系统的参数有很多，比如土壤的致密程度，含水层内水压大小，蓄水池周围地下水的流动速度等等。其中需要考虑的最大的问题就是要有适当的滞水层，既要有较丰富的地下水，又不希望地下水流动；同时抽取的地下水能否顺利地回灌也是一个关键的因素。因此以上方法的实用性和经济性都很差。

实施利用地埋管换热的季节性蓄热技术所需的初投资很大，因此必须有可靠和实用的传热分析方法，这是进行项目的可行性研究和设计的关键环节。

地埋管换热器用作季节性蓄热设备的特点有：

1）地埋管换热器用作季节性蓄热设备，其蓄热体是地下岩土，这种储热方式蓄热体体积可以轻易做到大于10⁶m³，相应的蓄热量大于2*10⁷MJ，实现大体积，大热容量，这是其他蓄热技术不易做到的。

2）因为地下岩土是一个很大的蓄热体，它能够把吸收的热量就地吸收，当取热时通过地下埋管换热器从埋管区域吸收热量。由于蓄热体的体积和热容量大，这种蓄热方式即使不采取保温隔热措施，其长期蓄热的散热损失率也会很小，蓄热利用效率很高。

3）工业余热、太阳能等低品位热能的利用对实现节能减排目标具有重要的意义。采用地埋管换热器作为季节性蓄热设备，蓄存工业余热和太阳能虽然降低了蓄存热能的品位（温度），但是保证了蓄存热量的利用率，解决了长期、大量蓄热引起的保温困难和热量损失问题，因此是工业余热、太阳热能高效利用途径。

4）在工业余热利用中，由于余热循环介质的温度较高，因此采用地埋管换热器作为季节性蓄热设备，可以实现单独的蓄热与取热。当然如果与热泵联合应用的话，将扩大蓄热和取热的温度范围，实现更多的蓄热量和取热量。

5）在蓄热季的运行中，地埋管换热器可以部分取代传统的冷却塔，起到节约用水的作用。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的就是提供一种以岩土为蓄热介质、利用地埋管为换热方式的大规模、长周期储存低品位热能的蓄热系统，同时提出其传热分析模型。

本发明提出把热量储存在地下岩土中的方式，是利用了地源热泵系统中的地埋管换热器技术，可以实现蓄热量大的目的，是一种较为理想的季节性储热方式。不透水的岩石层和粘土地层不利于地下水流动，这种地质条件对钻孔蓄热系统尤为有利。

本发明的用作季节性蓄热设备的地埋管换热器有一些与地源热泵供热空调系统中的换热器不同的特点，例如，本发明首次提出地埋管蓄热系统采用地埋管换热器串联的多流程布置方式，增大了循环液的进出口温差，满足了蓄热过程中地埋管换热器需要取代工艺过程中冷却塔的作用要求，实现了循环介质的深度冷却。同时，建立了地埋管蓄热系统的准稳态传热模型，为该技术的实际应用提供了理论依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：