本發(fā)明屬于太陽能供暖領(lǐng)域，特別涉及一種利用土壤作為蓄熱體的太陽能季節(jié)性蓄熱供熱采暖系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

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(tǒng)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(fā)明相近的一種技術(shù)方案，是太陽能與地源熱泵相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(yīng)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(xiàn)象存在，同時影響了集熱系統(tǒng)壽命。這樣的系統(tǒng)歸根結(jié)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(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于跨季節(jié)土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(fā)明提出的一種基于跨季節(jié)土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)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(huán)泵、多個閥門組成的換向循環(huán)泵組、溫度傳感器、控制閥門開閉的控制器、電動執(zhí)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(lián)的第一閥門一端口相連，再與第二閥門串聯(lián)后和緩沖水箱一側(cè)上部第一進口相連，集熱裝置的進口依次與第一循環(huán)泵、第一閥門的另一端、第三閥門串聯(lián)后與緩沖水箱一側(cè)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(cè)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(huán)泵組與及緩沖水箱一側(cè)上部第二出口相連；緩沖水箱另一側(cè)上部第三出口依次通過循環(huán)泵與輔助熱源與采暖末端相連；緩沖水箱另一側(cè)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(nèi)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(yīng)閥門分別布置電動執(zhí)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(huán)泵組可由兩個循環(huán)泵和兩個閥門組成，其中一個循環(huán)泵和一個閥門串聯(lián)后與另一個循環(huán)泵和另一個閥門串聯(lián)后并聯(lián)，所述兩個循環(huán)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(wǎng)、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(wǎng)的進水口、出水口相連，地下保溫層及防水層設(shè)置在地埋管管網(wǎng)上的土壤表面；所述地埋管管網(wǎng)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(nèi)高溫?zé)崴臒崃看鎯Φ酵寥乐谢蛟谌崞趶耐寥乐刑崛崃恳蕴岣吖軆?nèi)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(wǎng)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(lián)，周向之間分組并聯(lián)，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(wǎng)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(lián)的地埋管之間分組并聯(lián)，并且每個并聯(lián)組之間交叉分布，以防止有一路發(fā)生堵塞，其他并聯(lián)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(jié)構(gòu)，以減少環(huán)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(zhì)保溫材料構(gòu)成的保溫層。

本發(fā)明的特點及有益效果：

本發(fā)明系統(tǒng)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(xiàn)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?zé)崴?/p>

本發(fā)明系統(tǒng)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(lián)的地埋管之間分組并聯(lián)，并且每個并聯(lián)組之間交叉分布，如果有一路發(fā)生堵塞，其他并聯(lián)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(fā)明系統(tǒng)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(shè)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(shè)置在水箱下部，水箱內(nèi)部具有隔板分層結(jié)構(gòu)，且不局限一個緩沖水箱。

本發(fā)明系統(tǒng)還可以為承壓系統(tǒng)、各循環(huán)換熱管路之間互相獨立、換熱介質(zhì)區(qū)分，集熱器和緩沖水箱之間設(shè)置有換熱器，緩沖水箱和地埋管換熱管路之間設(shè)置有換熱器，緩沖水箱和采暖末端設(shè)置有換熱器。

本發(fā)明系統(tǒng)是一種基于跨季節(jié)土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，解決了以往太陽能供暖系統(tǒng)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(tǒng)過熱縮短集熱器及管閥件壽命等問題。本發(fā)明中的地埋管換熱裝置通過發(fā)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(fā)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(wěn)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(fā)明實施例1結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1中地埋管換熱裝置結(jié)構(gòu)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(fā)明實施例2結(jié)構(gòu)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(huán)泵；7-循環(huán)泵；8-循環(huán)泵；9-循環(huán)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(fā)明提出的一種基于跨季節(jié)土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，結(jié)合附圖及實施例說明如下：

本發(fā)明提出的一種基于跨季節(jié)土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)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(huán)泵、多個閥門組成的換向循環(huán)泵組、溫度傳感器、控制閥門開閉的控制器、電動執(zhí)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(lián)的第一閥門一端口相連，再與第二閥門串聯(lián)后和緩沖水箱一側(cè)上部第一進口相連，集熱裝置的進口依次與第一循環(huán)泵、第一閥門的另一端、第三閥門串聯(lián)后與緩沖水箱一側(cè)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(cè)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(huán)泵組與及緩沖水箱一側(cè)上部第二出口相連；緩沖水箱另一側(cè)上部第三出口依次通過循環(huán)泵與輔助熱源與采暖末端相連；緩沖水箱另一側(cè)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(nèi)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(yīng)閥門分別布置電動執(zhí)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(huán)泵組由兩個循環(huán)泵和兩個閥門組成，其中一個循環(huán)泵和一個閥門串聯(lián)后與另一個循環(huán)泵和另一個閥門串聯(lián)后并聯(lián)，所述兩個循環(huán)泵方向相反。

本發(fā)明系統(tǒng)還可以為承壓系統(tǒng)、各循環(huán)換熱管路之間互相獨立、換熱介質(zhì)區(qū)分，集熱器和緩沖水箱之間設(shè)置有換熱器，緩沖水箱和地埋管換熱管路之間設(shè)置有換熱器，緩沖水箱和采暖末端設(shè)置有換熱器。

實施例1

本發(fā)明的一種基于跨季節(jié)土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)實施例1系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，該系統(tǒng)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(huán)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(zhí)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(lián)的第一閥門10一端口相連，再與第二閥門11串聯(lián)后和緩沖水箱2一側(cè)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(huán)泵6、第一閥門10的另一端、串聯(lián)的第三閥門12以及緩沖水箱2一側(cè)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(cè)下部第二進口b4相連，第二循環(huán)泵7與第四閥門13串聯(lián)后與地埋管換熱裝置3的中心端口c2及緩沖水箱2一側(cè)上部第二出口b3相連，第三循環(huán)泵8與第五閥門14串聯(lián)后與第二循環(huán)泵7、第四閥門13并聯(lián)；第四循環(huán)泵9的一端與緩沖水箱2另一側(cè)上部第三出口b5連接，循環(huán)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(cè)下部第三進口b6相連。

本實施例系統(tǒng)中各部件的具體實現(xiàn)方式分別說明如下：

集熱裝置1為常規(guī)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(wǎng)，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(lián)的地埋管之間分組并聯(lián)，并且每個并聯(lián)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(shè)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(shè)置在水箱下部，水箱內(nèi)部具有隔板分層結(jié)構(gòu)，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(guī)熱源；本系統(tǒng)所用循環(huán)泵為普通熱水循環(huán)泵；閥門為普通熱水調(diào)節(jié)閥。

本實施例中地埋管管網(wǎng)的實施例結(jié)構(gòu)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(lián)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(yīng)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(lián)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(lián)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(lián)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(lián)管路，h、e為同一并聯(lián)管路，c、f為同一并聯(lián)管路，a、d為同一并聯(lián)管路，同一并聯(lián)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(fā)生堵塞時蓄熱體不會出現(xiàn)某一區(qū)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(wǎng)的地埋管的數(shù)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(yīng)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(shè)有1.5m深度的保溫及防水層，分層構(gòu)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(zhì)保溫材料。

本實施例1系統(tǒng)工作過程：該系統(tǒng)運行模式分為預(yù)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(nèi)介質(zhì)溫度過低時，系統(tǒng)以預(yù)熱工況運行，循環(huán)泵6開啟，閥門11、12關(guān)閉，閥門10開啟，則管道內(nèi)低溫介質(zhì)進入集熱裝置1中被加熱，溫度升高，起到預(yù)熱和防凍的功能。

當系統(tǒng)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(nèi)下部d2溫度設(shè)定溫度值時(如20℃)，啟動循環(huán)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(shè)定值，如18℃)，同時緩沖水箱2內(nèi)上部d1溫度大于供暖溫度設(shè)定值(如50℃)，啟動循環(huán)泵9。

當系統(tǒng)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(nèi)下部d2溫度設(shè)定溫度值時(如20℃)，啟動循環(huán)泵6，打開閥門11和閥門12。當緩沖水箱上部溫度大于設(shè)定值(如50℃)時，同時大于土壤蓄熱體中心溫度設(shè)定值(如6℃)，則打開循環(huán)泵7和閥門13。

當系統(tǒng)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(shè)定值(如35℃)，同時土壤蓄熱體中心溫度大于設(shè)定值(如45℃)時，打開循環(huán)泵8、9，閥門14。當緩沖水箱2上部溫度小于設(shè)定值(如35℃)，同時地埋管換熱裝置中心溫度小于設(shè)定值(如37℃)時，打開循環(huán)泵9，啟動輔助熱源4，輔助熱源按照設(shè)定溫度值(如40℃)運行。

實施例2

本發(fā)明的一種基于跨季節(jié)土壤蓄熱的太陽能供熱采暖系統(tǒng)實施例2系統(tǒng)構(gòu)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(chǔ)上增加了一臺地源熱泵15和一個閥門16。該系統(tǒng)包括集熱裝置1、緩沖水箱2、地埋管換熱裝置3、循環(huán)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(zhí)行器，其中集熱裝置1的出口a1通過連接管路與并聯(lián)的閥門10一端口相連，再與閥門11串聯(lián)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(huán)泵6、閥門10的另一端、串聯(lián)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(fā)端一端口并聯(lián)后與循環(huán)泵7和閥門13串聯(lián)再與地源熱泵15冷凝段一端口并聯(lián)后與緩沖水箱2的上部第二進口b3相連，循環(huán)泵8、閥門14串聯(lián)后與循環(huán)泵7、閥門13并聯(lián)，地埋管換熱裝置3邊緣端口c1與地源熱泵15的蒸發(fā)段另一端口并聯(lián)后與閥門16串聯(lián)，再與地源熱泵15的冷凝端的另一端口并聯(lián)后與緩沖水箱2底部第二出口b4相連；循環(huán)泵9的一端與水箱2上部第三出口b5相連，循環(huán)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(guī)的地源熱泵產(chǎn)品。其它部分與實施例1實現(xiàn)方式相同。

本實施例2系統(tǒng)工作過程：該系統(tǒng)運行模式分為預(yù)熱工況、直供工況、蓄熱工況、取熱工況。

當系統(tǒng)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(shè)定溫度值時(如20℃)，啟動循環(huán)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(shè)定值，如18℃)，同時緩沖水箱2中溫度大于供暖溫度設(shè)定值(如50℃)，啟動循環(huán)泵9。

當系統(tǒng)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(shè)定溫度值時(如20℃)，啟動循環(huán)泵6，打開閥門11和閥門12。當緩沖水箱上部溫度大于設(shè)定值(如50℃)時，同時大于地埋管蓄熱體中心溫度設(shè)定值(如6℃)，則打開循環(huán)泵7，閥門13。

當系統(tǒng)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(shè)定值(如35℃)，同時地埋管換熱裝置中心溫度大于設(shè)定值(如45℃)時，打開循環(huán)泵8、9，閥門14。當緩沖水箱2上部溫度小于設(shè)定值(如35℃)，同時地埋管換熱裝置中心溫度小于設(shè)定值(如37℃)時，打開循環(huán)泵9，啟動輔助熱源4，輔助熱源按照設(shè)定溫度值(如45℃)運行。