一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統的制作方法

本發明屬于太陽能供暖領域，特別涉及一種利用土壤作為蓄熱體的太陽能季節性蓄熱供熱采暖系統。

背景技術：

太陽能供暖，是利用太陽能集熱裝置收集太陽能熱量，并將這部分熱量輸送到采暖用戶的供暖末端，以滿足用戶的采暖需求。目前，流行的太陽能采暖方式是直接利用采暖季的太陽能熱量作為供暖熱量的來源，但是這樣的太陽能供暖系統在夏季容易引起熱量浪費，加速管閥件老化等缺點，而且太陽能供暖的保證率低。

與本發明相近的一種技術方案，是太陽能與地源熱泵相結合的供暖系統，該系統主體為太陽能集熱裝置、地源熱泵以及地埋管換熱器。在采暖季，隨著地源熱泵的應用，土壤溫度逐漸降低，為了提高地源熱泵供暖時的cop(地源熱泵供熱量與耗電量之比)，將太陽能熱量儲存于土壤中。由于夏季制冷的需求，在非采暖季初期至制冷期末期并沒有通過太陽能往土壤中蓄熱儲熱，造成這一時期大量的太陽能的浪費，并有過熱現象存在，同時影響了集熱系統壽命。這樣的系統歸根結底還是以地源熱泵的電力消耗作為供熱熱量來源，同時在非采暖季還造成了太陽能熱量的浪費。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統，該系統以太陽能集熱裝置、緩沖水箱以及地埋管換熱裝置、輔助熱源為主。非采暖季，將太陽能熱量通過地埋管換熱裝置儲存于土壤中，待采暖季時釋放，為提供用戶供暖；采暖季時，太陽能熱量直接供給供暖用戶，地埋管換熱裝置中土壤儲存的熱量作為補充。當太陽能熱量不足時，則啟動輔助熱源裝置保證供暖。

本發明提出的一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統，其特征在于，該系統包括集熱裝置、緩沖水箱、地埋管換熱裝置、輔助熱源、由多個循環泵、多個閥門組成的換向循環泵組、溫度傳感器、控制閥門開閉的控制器、電動執行器及連接管路，其中集熱裝置的出口通過連接管路與集熱裝置并聯的第一閥門一端口相連，再與第二閥門串聯后和緩沖水箱一側上部第一進口相連，集熱裝置的進口依次與第一循環泵、第一閥門的另一端、第三閥門串聯后與緩沖水箱一側下部第一出口相連；地埋管換熱裝置邊緣端口直接與緩沖水箱一側下部第二進口相連，地埋管換熱裝置的中心端口通過換向循環泵組與及緩沖水箱一側上部第二出口相連；緩沖水箱另一側上部第三出口依次通過循環泵與輔助熱源與采暖末端相連；緩沖水箱另一側下部第三進口直接與采暖末端相連；在集熱器裝置進出口位置、水箱上部和下部位置、蓄熱場進出口位置、室內房間等位置分別布置溫度傳感器，并通過信號電纜連接至中央控制器；在集熱器連接管路、蓄熱連接管路和供暖連接管路中的相應閥門分別布置電動執行器，并通過控制信號電纜連接至中央控制器。

所述的換向循環泵組可由兩個循環泵和兩個閥門組成，其中一個循環泵和一個閥門串聯后與另一個循環泵和另一個閥門串聯后并聯，所述兩個循環泵方向相反。

所述的地埋管換熱裝置可由埋于土壤下的地埋管管網、兩個分集水器、地下保溫層及防水層組成，其中兩個分集水器分別與地埋管管網的進水口、出水口相連，地下保溫層及防水層設置在地埋管管網上的土壤表面；所述地埋管管網為由多根地埋管通過管道相連組成的水的流動通道，用于在蓄熱期將管內高溫熱水的熱量存儲到土壤中或在取熱期從土壤中提取熱量以提高管內熱水的溫度。

所述地埋管換熱裝置橫截面可為圓形或多邊形，地埋管換熱裝置的直徑和深度之比在0.5～10之間。

所述地埋管可為u型管雙u管或其他形式的換熱盤管，兩根地埋管之間在頂部通過連接管路相連，兩根地埋管的橫向中心距為0.5米～5米。

所述地埋管管網的地埋管之間的連接管路橫向布置形式可為，從中心向四周均勻分布，地埋管之間通過上部連接，徑向之間串聯，周向之間分組并聯，以有利于熱量從地埋管換熱裝置中心向四周緩慢擴散，較少熱損失，使存儲的熱量更加集中。

所述地埋管管網的地埋管之間的連接管路橫向布置形式也可為，從中心向四周均勻分布，地埋管之間通過上部連接，徑向串聯的地埋管之間分組并聯，并且每個并聯組之間交叉分布，以防止有一路發生堵塞，其他并聯支路仍然可以對周邊土壤進行換熱，提高了地埋管換熱裝置的可靠性。

所述保溫及防水層的保溫層可為聚苯板、土壤層或幾種材料的多層結構，以減少環境溫度對蓄熱場的影響；所述防水層可為pe膜或其他防水材料。

所述保溫及防水層可為多層結構，總厚度為1～3m，從上至下第一層為土壤層；第二層為土工布或其他強度高、耐腐蝕材料構成的加強保護層；第三層為細沙或土壤組成的填充層；第四層為pe膜或其他防水材料制成的防水層；第五層為聚苯保溫板或其他硬質保溫材料構成的保溫層。

本發明的特點及有益效果：

本發明系統中的地埋管換熱裝置，平均溫度在45℃以上，中心溫度可達90℃。采暖季，地埋管換熱裝置中的熱量可用于直接供暖。蓄熱時，高溫水由地埋管換熱裝置中部流入，邊緣流出，以達到地埋管換熱裝置中部溫度高于四周，實現地埋管換熱裝置的溫度分層，減少散熱損失，同時利于提高取熱率；取熱時，低溫水由地埋管換熱裝置邊緣流入，中部流出，得到高溫熱水。

本發明系統中的地埋管換熱裝置中鉆孔之間地埋管連接管路呈擴散性連接，徑向串聯的地埋管之間分組并聯，并且每個并聯組之間交叉分布，如果有一路發生堵塞，其他并聯支路仍然可以對周邊土壤進行換熱，提高地埋管換熱裝置的可靠性。

本發明系統中涉及的緩沖水箱，具有短期儲熱和溫度分層功能，水箱集熱熱水進口、采暖熱水出口、地埋管熱水端設置在水箱上部，集熱器回水出口、采暖回水進口、地埋管冷水端設置在水箱下部，水箱內部具有隔板分層結構，且不局限一個緩沖水箱。

本發明系統還可以為承壓系統、各循環換熱管路之間互相獨立、換熱介質區分，集熱器和緩沖水箱之間設置有換熱器，緩沖水箱和地埋管換熱管路之間設置有換熱器，緩沖水箱和采暖末端設置有換熱器。

本發明系統是一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統，解決了以往太陽能供暖系統非采暖季熱量浪費、太陽能保證率(太陽能提供供熱量與用戶需求供熱量之比)不高、以及太陽能集熱系統過熱縮短集熱器及管閥件壽命等問題。本發明中的地埋管換熱裝置通過發散式的布置形式和連接方式，可有效降低地埋管換熱裝置的熱損，使得非采暖季存儲的太陽能熱量充分儲存，供采暖季使用，提高了太陽能保證率。此外本發明中在太陽能集熱裝置和地埋管換熱裝置之間采用具有溫度分層功能的儲熱水箱，保證了地埋管換熱裝置向土壤蓄熱與取熱過程的穩定性，解決了將太陽能熱量直接輸入土壤蓄熱場中的各種弊端。

附圖說明

圖1是本發明實施例1結構示意圖；

圖2是本發明實施例1中地埋管換熱裝置結構示意圖；

圖3為本實施例的地埋管換熱裝置縱向施工剖面示意圖；

圖4是本發明實施例2結構示意圖；

圖中標號：1-太陽能集熱裝置；2-緩沖水箱；3-地埋管換熱裝置；4-輔助熱源；5-采暖末端；6-循環泵；7-循環泵；8-循環泵；9-循環泵；10-閥門1；11-閥門2；12-閥門3；13-閥門4；14-閥門5；15-地源熱泵；16-閥門6；17-閥門7；17-中央控制器；18-熱水分集水器；19-冷水分集水器；01-土壤層，02-加強保護層，03-填充層，04-防水層，05-保溫層。

具體實施方式

本發明提出的一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統，結合附圖及實施例說明如下：

本發明提出的一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統，其特征在于，該系統包括集熱裝置、緩沖水箱、地埋管換熱裝置、輔助熱源、由多個循環泵、多個閥門組成的換向循環泵組、溫度傳感器、控制閥門開閉的控制器、電動執行器及連接管路，其中集熱裝置的出口通過連接管路與集熱裝置并聯的第一閥門一端口相連，再與第二閥門串聯后和緩沖水箱一側上部第一進口相連，集熱裝置的進口依次與第一循環泵、第一閥門的另一端、第三閥門串聯后與緩沖水箱一側下部第一出口相連；地埋管換熱裝置邊緣端口直接與緩沖水箱一側下部第二進口相連，地埋管換熱裝置的中心端口通過換向循環泵組與及緩沖水箱一側上部第二出口相連；緩沖水箱另一側上部第三出口依次通過循環泵與輔助熱源與采暖末端相連；緩沖水箱另一側下部第三進口直接與采暖末端相連；在集熱器裝置出口位置a2、水箱上部d1和下部位置d2、蓄熱場進出口位置c2、室內房間(圖中未示出)等位置分別布置溫度傳感器，并通過信號電纜連接至中央控制器；在集熱器連接管路、蓄熱連接管路和供暖連接管路中的相應閥門分別布置電動執行器，并通過控制信號電纜連接至中央控制器。

所述的換向循環泵組由兩個循環泵和兩個閥門組成，其中一個循環泵和一個閥門串聯后與另一個循環泵和另一個閥門串聯后并聯，所述兩個循環泵方向相反。

本發明系統還可以為承壓系統、各循環換熱管路之間互相獨立、換熱介質區分，集熱器和緩沖水箱之間設置有換熱器，緩沖水箱和地埋管換熱管路之間設置有換熱器，緩沖水箱和采暖末端設置有換熱器。

實施例1

本發明的一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統實施例1系統構成如圖1所示，該系統包括集熱裝置1、緩沖水箱2、地埋管換熱裝置3、輔助熱源4、循環泵6-9、閥門10-14、連接管路、溫度傳感器、控制閥門開閉的控制器及電動執行器，其中集熱裝置1的出口a1通過連接管路與集熱裝置1并聯的第一閥門10一端口相連，再與第二閥門11串聯后和緩沖水箱2一側上部第一進口b1相連，集熱裝置1的進口a2依次與第一循環泵6、第一閥門10的另一端、串聯的第三閥門12以及緩沖水箱2一側下部第一出口b2相連；地埋管換熱裝置3邊緣端口c1直接與緩沖水箱2一側下部第二進口b4相連，第二循環泵7與第四閥門13串聯后與地埋管換熱裝置3的中心端口c2及緩沖水箱2一側上部第二出口b3相連，第三循環泵8與第五閥門14串聯后與第二循環泵7、第四閥門13并聯；第四循環泵9的一端與緩沖水箱2另一側上部第三出口b5連接，循環泵9的另一端口與輔助熱源4相連，輔助熱源的另一端口與采暖末端5相連，采暖末端5的另一端口與緩沖水箱2另一側下部第三進口b6相連。

本實施例系統中各部件的具體實現方式分別說明如下：

集熱裝置1為常規的平板集熱器或真空管集熱器；

地埋管換熱裝置3為由多根u型或雙u型地埋管組成的地埋管管網，地埋管換熱裝置中鉆孔之間地埋管連接管路呈擴散性連接，徑向串聯的地埋管之間分組并聯，并且每個并聯組之間交叉分布；u型或雙u型地埋管為pert-ⅱ或pex-a耐高溫、耐腐蝕材料；

緩沖水箱為普通保溫分層功能水箱；水箱集熱熱水進口、采暖熱水出口、地埋管熱水端設置在水箱上部，集熱器回水出口、采暖回水進口、地埋管冷水端設置在水箱下部，水箱內部具有隔板分層結構，且不局限一個緩沖水箱。

輔助熱源為燃氣爐或電鍋爐等常規熱源；本系統所用循環泵為普通熱水循環泵；閥門為普通熱水調節閥。

本實施例中地埋管管網的實施例結構如圖2所示，橫截面為正多邊形，其中地埋管為u型管或雙u管，兩根地埋管之間在頂部通過連接管路相連，兩根地埋管的橫向中心距為2米。水箱上部端口b3同熱水分集水器18連接，熱水分集水器出口并聯出多組地埋管支路，本實施例中共有4組地埋管支路，分別為進1、進2、進3、進4，各支路從地埋管換熱裝置中心位置c2進入連接到對應的各地埋管進口，每一路再分為兩路，進1分為b、g兩路，b路先后連接地埋管305、302、301進出口，g路先后連接315、314、319進出口，b、g并聯連接到回1路，再連接到冷水分集水器19，冷水分集水器19再連接到水箱下部冷水端口b4；進2分為h、e兩路，h路先后連接地埋管308、307、313進出口，e路先后連接地埋管316、321、322進出口，h、e并聯后連接到回2路，再連接到冷水集水器19；進3分為c、f兩路，c路先后連接地埋管310、311、306進出口，f路先后連接地埋管320、323、324進出口，c、f并聯到回3路，再連接到冷水集水器19；進4分為a、d兩路，a路先后連接地埋管309、304、303進出口，d路先后連接地埋管316、317、318進出口，回1、回2、回3、回4連接到冷水分集水器19。

徑向連接的地埋管支路中b、g為同一并聯管路，h、e為同一并聯管路，c、f為同一并聯管路，a、d為同一并聯管路，同一并聯管路的兩個徑向支路之間相互分開，避免鄰近，這樣是為了防止當其中一個管路發生堵塞時蓄熱體不會出現某一區域換熱不充分，使得另一路溫度偏高，提高換熱效果。

本實施例的地埋管換熱裝置橫截面由地埋管管網的地埋管的數量及分布面積和形狀而定，一般為圓形或正多邊形，地埋管換熱裝置的深度主要由地埋管的長度決定(地埋管應大致豎直埋入地下)，地埋管換熱裝置的直徑和深度之比為1。

本實施例中地埋管換熱裝置如圖3所示，上部設有1.5m深度的保溫及防水層，分層構成如圖3所示，上部第一層01為土壤層，厚度約為1.2m；第二層02為加強保護層，為土工布或其他強度高、耐腐蝕材料；第三次03為填充層厚度約為100mm，材料為細沙或土壤等；第四層04為防水層，材料為pe膜或其他防水材料；第五層為05為保溫層厚度約為200mm，材料為聚苯保溫板或其他硬質保溫材料。

本實施例1系統工作過程：該系統運行模式分為預熱工況、直供工況、蓄熱工況和取熱工況。當集熱裝置1與水箱2之間的管道內介質溫度過低時，系統以預熱工況運行，循環泵6開啟，閥門11、12關閉，閥門10開啟，則管道內低溫介質進入集熱裝置1中被加熱，溫度升高，起到預熱和防凍的功能。

當系統直供工況運行時，即在采暖期，直接由緩沖水箱2后給采暖末端5供熱，不需要從地埋管換熱裝置3中提取能量。當太陽能集熱器陣列出口a1溫度大于水箱內下部d2溫度設定溫度值時(如20℃)，啟動循環泵6，打開閥門11和閥門12。當采暖末端5有采暖需求時(溫度低于設定值，如18℃)，同時緩沖水箱2內上部d1溫度大于供暖溫度設定值(如50℃)，啟動循環泵9。

當系統以蓄熱工況運行時，即非采暖季時，將集熱裝置1中收集的熱量儲存到地埋管換熱場3中，以供采暖季供暖使用。當太陽能集熱器陣列出口a1溫度大于水箱內下部d2溫度設定溫度值時(如20℃)，啟動循環泵6，打開閥門11和閥門12。當緩沖水箱上部溫度大于設定值(如50℃)時，同時大于土壤蓄熱體中心溫度設定值(如6℃)，則打開循環泵7和閥門13。

當系統以取熱工況運行時，即采暖季時，集熱裝置1獲得的熱量無法滿足供暖需求時，從地埋管換熱場3中取出熱量用于采暖。當從地埋管換熱場3中取出的能量仍無法滿足供暖末端5的需求時，啟動輔助熱源4供暖。當緩沖水箱2上部溫度小于設定值(如35℃)，同時土壤蓄熱體中心溫度大于設定值(如45℃)時，打開循環泵8、9，閥門14。當緩沖水箱2上部溫度小于設定值(如35℃)，同時地埋管換熱裝置中心溫度小于設定值(如37℃)時，打開循環泵9，啟動輔助熱源4，輔助熱源按照設定溫度值(如40℃)運行。

實施例2

本發明的一種基于跨季節土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統實施例2系統構成如圖4所示，實施例2的組成與實施例1基本相同，不同之處是在實施例1的組成基礎上增加了一臺地源熱泵15和一個閥門16。該系統包括集熱裝置1、緩沖水箱2、地埋管換熱裝置3、循環泵6-9、閥門10-14、地源熱泵15、閥門16、連接管路、溫度傳感器、控制閥門開閉的控制器及電動執行器，其中集熱裝置1的出口a1通過連接管路與并聯的閥門10一端口相連，再與閥門11串聯后和緩沖水箱2上部第一進口b1相連，集熱裝置1的進口依次與循環泵6、閥門10的另一端、串聯的閥門12以及緩沖水箱2下部第一出口b2相連；地埋管換熱裝置3中心端口c2與地源熱泵15的蒸發端一端口并聯后與循環泵7和閥門13串聯再與地源熱泵15冷凝段一端口并聯后與緩沖水箱2的上部第二進口b3相連，循環泵8、閥門14串聯后與循環泵7、閥門13并聯，地埋管換熱裝置3邊緣端口c1與地源熱泵15的蒸發段另一端口并聯后與閥門16串聯，再與地源熱泵15的冷凝端的另一端口并聯后與緩沖水箱2底部第二出口b4相連；循環泵9的一端與水箱2上部第三出口b5相連，循環泵9的另一端口與采暖末端5相連，采暖末端5的另一端口與緩沖水箱2的下部第三進口b6相連。

本實施例2中的地源熱泵15可采用常規的地源熱泵產品。其它部分與實施例1實現方式相同。

本實施例2系統工作過程：該系統運行模式分為預熱工況、直供工況、蓄熱工況、取熱工況。

當系統直供工況運行時，即在采暖期，直接由緩沖水箱2后給采暖末端5供熱，不需要從地埋管換熱裝置3中提取能量。當太陽能集熱器陣列出口溫度大于水箱下部溫度設定溫度值時(如20℃)，啟動循環泵6，打開閥門11和閥門12。當采暖末端5有采暖需求時(溫度低于設定值，如18℃)，同時緩沖水箱2中溫度大于供暖溫度設定值(如50℃)，啟動循環泵9。

當系統以蓄熱工況運行時，即在非采暖季時，將集熱裝置1中收集的熱量儲存到地埋管換熱場3中，以供采暖季供暖使用。當太陽能集熱器陣列出口溫度大于水箱下部d2溫度設定溫度值時(如20℃)，啟動循環泵6，打開閥門11和閥門12。當緩沖水箱上部溫度大于設定值(如50℃)時，同時大于地埋管蓄熱體中心溫度設定值(如6℃)，則打開循環泵7，閥門13。

當系統以取熱工況運行時，即在采暖季時，集熱裝置1獲得的熱量無法滿足供暖需求時，從地埋管換熱裝置3中取出熱量用于采暖。當從地埋管換熱場3中取出的能量仍無法滿足供暖末端5的需求時，啟動輔助熱源4供暖。當緩沖水箱2上部溫度小于設定值(如35℃)，同時地埋管換熱裝置中心溫度大于設定值(如45℃)時，打開循環泵8、9，閥門14。當緩沖水箱2上部溫度小于設定值(如35℃)，同時地埋管換熱裝置中心溫度小于設定值(如37℃)時，打開循環泵9，啟動輔助熱源4，輔助熱源按照設定溫度值(如45℃)運行。