专利名称：分级热屏式地下蓄能控制方法
技术领域：
本发明属于可再生能源与蓄能利用技术领域，特别涉及地下蓄能、热泵空调控制问题。
技术背景储能技术是能源领域可持续发展的重要组成部分和发展战略，是实现能源可再生化和高效利用的一种 有效途径。在能源使用和转化过程中， 一些能量需要短期或长期的蓄存再利用，提高能量利用率，并实现 能源补充。随着国际经济快速发展，人类生活环境的不断改善，对能源的需求在迅速增长，导致能源供应 越来越严峻。石化燃料逐渐枯竭和严重的排放污染，以及节能减排已经摆在极其重要的地位，这些都要求 不断探索新的能源利用形式和高效的能源转化控制技术。目前，解决的途径有两条， 一条是开发清洁可再 生能源和新能源，另一条是利用蓄能技术，实现能量高效再转化利用。其中，加强用能过程中的周期蓄能 及循环再利用，是最大程度上实现能源的"可再生化"和提高综合利用率，达到更广泛意义上的节能减排。地球作为能量库，自身以年为周期实现能量循环平衡和冷、热交替变化。地下冬暖夏凉的特点，使其 成为热泵的理想热源。当热泵运行时，不但实现供热或供冷，还将伴随冷量或热量交替地蓄存于地下，为 能源实现可再生化利用提供可能。夏蓄热，冬回取；冬蓄冷，夏回取，将地下分别作为冬季热库和夏季冷 库。此外，这种蓄能概念已经延伸，利用其它能量蓄积(如太阳能、余热、余冷和自然冷量等)，提高用 能系统的综合效率，使地球成为一个良好的蓄能体和清洁能源库。近年来，随着人类对地球物理的认识， 以及对能源和环保的重视，地源热泵(GSHP)在世界许多地区得到了开发和应用，并将地下与环境用能联 系到一起，成为地能开发利用的纽带。在地下蓄能过程中，规模化组织在一起的地下换热器群的控制模式对蓄能效果起到举足轻重的作用， 不但利于能量的高效注入，更重要是在地下存储过程的有效保存。地下蓄能已经有发明，如中国发明申请 号为01116085.3竖式地热蓄能空调系统，该系统提到，在空调运行时将能量同时存入地下蓄能体的概念， 其特点是空调运行时的换热能量存入地下，可以得到一定能量的再利用，为居室进行采暖或者制冷。但是， 该专利没有涉及到蓄能的控制模式，以便提高地下蓄能有效性。美国的集成热能系统20070214815 (INTEGRATED THERMAL SYSTEM)也使用了地下岩土作为蓄能体，但是没有阐述蓄能的控制方式问 题。实际上，地下蓄能技术已经在能源领域开始得到应用，国际上也开展了许多实验示范应用。但迫于能 量地下存储的有效保存问题， 一直制约地下蓄能技术的快速发展。因此，高效蓄能的控制方法问题是地下 蓄能应用深层次发展的关键技术。发明内容针对现有地下蓄能技术存在的不足，本发明的目的提供一种地下蓄能系统和基于该系统的高效控制方 法，提高蓄能效率，保证更有效的蓄入能量和保存能量。本专利通过提出地下蓄能的分级和热屏概念，利 用地下蓄能地域空间的供给负荷和温度梯度的分级分布，以及地域空间边缘外围再持续的负荷作用，重整 温度场，形成热流屏蔽，抑制和降低蓄入能量的扩散，提升存储水平。在夏季蓄能阶段，分级热屏式地下蓄能控制方法在太阳能热源加热介质温度较高时，通过太阳能热源 (1)加热，流经三通阀(11)、四通阀(12),汇集于高温集水箱(4)，而后经单向阀组(7)控制分流， 进木地下蓄能体中心区域换热器组(9)，经换热向蓄能体中心区域地下注入热量；此后，通常循环介质温 度仍然会高于蓄能体外圈温度，此时介质再进入中温集水箱(5),后经单向阀组(8)控制分流，通过地 下蓄能体外围换热器组(10)，向边缘外围换热注入热量，后经低温集水箱(6)、循环泵(15),返回太阳 能热源(1)进行循环加热。这一过程使得蓄能体中心区域温度高，蓄能更多外围温度低，降低向蓄能 体之外的热量扩散；形成蓄能体空间中心区域温度高、边缘外围温度低的内高外低温度场形态。通过夏季的蓄能，蓄能体中心会形成强势的热汇区域，为了减少过渡季节(如秋季)蓄入热量向蓄能 体之外的扩散，将利用过渡季节相对低负荷的太阳能热源(1)加热的中温循环介质直接进入中温集水箱(5),由单向阀组(8)控制，经地下蓄能体外围换热器组(10),只对蓄能体边缘换热注入热量，在边缘 外围，形成高温热围，其不断的动态等温面绝热作用，产生有效的热屏效应，降低蓄能中心向蓄能体之外 的热量扩散。该方法就是在主体蓄能时实施中心区域和边缘外圈温度内高外低分级控制方法；在主体蓄能停止后， 外圈热源持续更长时间蓄能，通过低负荷蓄能，不断形成周边热屏，及时形成的外圈温度的实时维持和升 高，促进产生热屏蔽效应，抑制和减少热量的向外扩散，甚至改变热流方向，使内部的向外热流受到抑制， 从而减缓能量的再扩散，保存更多的存储热量，达到更加理想的蓄能效果。在生活/生产余热热源(2)温度较高的情况下，加热的循环介质经四通阀(12)、高温集水箱(4)、单 向阀组(7)控制分流，进入地下蓄能体中心区域换热器组(9),经换热向蓄能体中心区域地下注入热量； 此后，通常循环介质温度仍然会高于蓄能体外圈温度，此时介质再进入中温集水箱(5),后经单向阀组(8) 控制分流，通过地下蓄能体外围换热器组(10),向边缘外围换热注入热量，由低温集水箱(6)、循环泵 (15),返回生活/生产余热热源(2)进行循环加热。如前所述，完成地下蓄能体分级蓄能，形成中心区域 温度高、外围温度低的分级地下蓄能，在保证更高蓄能量的前提下，降低蓄存能量散失。在生活/生产余热热源(2)温度处于中等温度的情况下，中温加热介质直接进入中温集水箱(5)，由 单向阀组(8)控制，经地下蓄能体外围换热器组(10),只对蓄能体边缘换热注入热量，如前所述，产生 有效的热屏效应，降低蓄能中心向蓄能体之外的热量扩散。夏季热泵制冷运行大负荷工况地下蓄能过程中，热泵系统(3)加热的循环介质经三通阀(11)、四通 阀(12)、高温集水箱(4)、单向阀组(7)、地下并联换热器组(9)，向地下蓄能体中心区域换热注入热 量；再经三通阀(13)、中温集水箱(5)、单向阀组(8)、地下换热器组(10)，向地下蓄能体边缘换热注 入热量；经低温集水箱(6)，由循环泵(16)返回热泵系统(3)。如前所述，完成地下蓄能体分级蓄能， 形成中心区域温度高、外围温度低的分级地下蓄能，在保证更高蓄能量的前提下，降低蓄存能量散失。热泵制冷运行小负荷工况如同太阳能蓄能季节后期的过渡季节地下蓄能过程，循环介质经热泵系统 (3)的低负荷加热，直接进入中温集水箱(5),经单向阀组(8)控制分流，由换热器组(10)直接单独 向地下蓄能体边缘外围换热注入热量；此后，经低温集水箱(6)，由循环泵(16)返回热泵系统(3)。形 成地下蓄能体外围边缘持续单独蓄能，实现边缘热屏。该控制方法不但有利于实现太阳能热源、生活/生产余热热源的地下蓄能过程高效控制，还有利于实现 夏季热泵制冷运行工况的地卜蓄能过程高效控制。通过蓄能体空间中心区域与边缘外围负荷调控和能量温 位的分级式控制，形成蓄热体内高外低的温位分布，在保证更高蓄能量的前提下，降低蓄存能量散失。再 利用低负荷的边缘外围持续性蓄能，形成地下蓄能体边缘外围的适度高温热屏，减缓能量的再扩散，保存 更多的存储热量。这些技术理念的实施，将成为分级热屏式地下蓄能控制方法的关键特征，从而提高能量 蓄存的有效性。
图i是本申请人申请的"分级热屏式地下蓄能控制方法"的系统图。图2是本申请人申请的"分级热屏式地下蓄能控制方法"地下蓄能体截面图布置图(示例图) 图3是本申请人申请的"分级热屏式地下蓄能控制方法"地下蓄能体换热器连接图(示例图)图中各部件的编号和对应名称如下图1中1-太阳能热源、2-生活/生产余热热源、3-热泵系统、4-高温集水箱、5-中温集水箱、6-低温集 水箱、7-单向阀组Al、 A2、 ...、 An (n随地下蓄能系统规模而变的整数)、8-单向阀组Bl、 B2、…、Bm(m随地下蓄能系统规模而变的整数)、9-地下蓄能体中心区域换热器组11、 12.....In (n随地下蓄能系统规模而变的整数)、IO-地下蓄能体外围边缘换热器组JI、 J2.....Jm (m随地下蓄能系统规模而变的整数)、11-三通阀、12-四通阀、13-三通阀、14-三通阀、15-循环泵、16-循环泵。图2中蓄能体中换热器的布置截面图。其中虚线框内表示蓄能体中心区域。虚线框之外为蓄能体外 围。根据蓄能系统的规模，地下蓄能体的每个换热器组所并联的换热器数量推荐为同层个数，当随内层数 量减少，各换热器组数量差异大于75%时，推荐多层、多边规划在一个换热器组中，即图l中Il、 12、...、In分别代表各个换热组。推荐选择最外l-2层为边缘外围换热器。外围层的换热器数量较多，推荐间隔编组或以边成组，即图1中J1、 J2.....Jm分别代表边缘外围各个换热组。具体表示见为图3。图3中表示换热器并联形式，表示图1中II、 12.....In或Jl、 J2.....Jm的形式。推荐换热器并联成组，遵循各换热器组流阻一致或相近的原则。
具体实施方式
在夏季蓄能阶段，分级热屏式地下蓄能控制方法在太阳能热源加热介质温度较高时，通过太阳能热源 (1)加热的介质，流经三通阀(11)、四通阀(12),汇集于高温集水箱(4),而后经单向阀组(7)控制 分流，进入地下蓄能体中心区域换热器组(9),经换热向蓄能体中心区域地下注入热量；此后，当循环介 质温度高于蓄能体外圈温度时，介质再进入中温集水箱(5),后经单向阀组(8)控制分流，通过地下蓄 能体外围换热器组(10),向边缘外围换热注入热量，后经低温集水箱(6)、循环泵(15)，返回太阳能热 源(1)进行循环加热。通过夏季的蓄能，蓄能体中心会形成强势的热汇区域，为了减少过渡季节(如秋季)蓄入热量向蓄能 体之外的扩散，利用过渡季节相对低负荷的太阳能热源(1)加热的中温循环介质直接进入中温集水箱(5)， 由单向阀组(8)控制，经地下蓄能体外围换热器组(10)。在生活/生产余热热源(2)温度较高的情况下，加热的循环介质经四通阀(12)、高温集水箱(4)、单 向阔组(7)控制分流，进入地下蓄能体中心区域换热器组(9)，经换热向蓄能体中心区域地下注入热量； 此后，若循环介质温度仍高于蓄能体外圈温度，则介质再进入中温集水箱(5)，后经单向阀组(8)控制 分流，通过地下蓄能体外围换热器组(10)，向边缘外围换热注入热量，由低温集水箱(6)、循环泵(15)， 返回生活/生产余热热源(2)进行循环加热。在生活/生产余热热源(2)温度处于中等温度的情况下，中温加热介质直接进入中温集水箱(5)，由 单向阀组(8)控制，经地下蓄能体外围换热器组(10)。夏季热泵制冷运行大负荷工况地下蓄能过程中，热泵系统(3)加热的循环介质经三通阀(11)、四通 阀(12)、高温集水箱(4)、单向阀组(7)、地下并联换热器组(9)，向地下蓄能体中心区域换热注入热 量；再经三通阀(13)、中温集水箱(5)、单向阀组(8)、地下换热器组(10),向地下蓄能体边缘换热注 入热量；经低温集水箱(6),由循环泵(16)返回热泵系统(3)。热泵制冷运行小负荷工况如同太阳能蓄能季节后期的过渡季节地下蓄能过程，循环介质经热泵系统 (3)的低负荷加热，直接进入中温集水箱(5),经单向阀组(8)控制分流，由换热器组(10)直接单独 向地下蓄能体边缘外围换热注入热量；此后，经低温集水箱(6),由循环泵(16)返回热泵系统(3)。
权利要求
1、分级热屏式地下蓄能控制方法，其特征在于循环介质通过太阳能热源(1)、或者生活/生产余热热源(2)、三通阀(11)、四通阀(12)、高温集水箱(4)、单向阀(7)、地下蓄能体中心区域并联换热器组(9)，向地下蓄能体中心区域注入热量；再经三通阀(13)、中温集水箱(5)、单向阀组(8)，由地下蓄能体边缘外围换热器组(10)向地下蓄能体边缘注入热量；经低温集水箱(6)，由循环泵(15)返回太阳能热源(1)或者生活/生产余热热源(2)。
2、 根据权利要求1所述的分级热屏式地下蓄能控制方法，其特征在于循环介质经地下蓄能体中心区域 换热器组(9)换热后，可经三通阀(13)直接转入低温集水箱(6)，由循环泵(15)驱动，经三 通阀(14)返回太阳能热源(1)或生活/生产余热热源(2)。只对地下蓄能体中心区域注入热量， 提高中心区域温度。
3、 根据权利要求1所述的分级热屏式地下蓄能控制方法，其特征在于经太阳能热源(1)或生活/生产 余热热源(2)加热的中温介质，经四通阀(12),转入中温集水箱(5)、经单向阀组8)，由换热器 组(10)直接向地下蓄能体边缘注入热量。后经低温集水箱(6)，由循环泵(15)返回太阳能热源(1)或生活/生产余热热源(2)。
4、 分级热屏式地下蓄能控制方法，其特征还在于夏季热泵制冷运行连带地下蓄热过程，另包括热泵系 统(3)、三通阀(11)、循环泵(16)。循环介质通过热泵系统(3)的冷凝器、三通阀(11)、四逋 阀(12)、高温集水箱(4)、单向阀组(7)、地下并联换热器组(9),向地下蓄能体中心区域散热(注入热量)；再经三通阀(13)、中温集水箱(5)、单向阀组(8)，地下换热器组(10)向地下蓄 能体边缘散热；经低温集水箱(6)，由循环泵(16)返回热泵系统(3)。
5、 根据权利要求4所述分级热屏式地下蓄能控制方法，其特征在于经地下蓄能体中心区域换热器组(9) 换热后的介质经三通阀(13)经低温集水箱(6)，由循环泵(16),返回热泵系统(3)。
6、 根据权利要求4所述分级热屏式地下蓄能控制方法，系统控制特征在于热泵小负荷或供冷季节后期， 介质经热泵系统(3)加热，经中温集水箱(5)、单向阀组(8)控制，由换热器组(10)直接转向 地下蓄能体边缘散热；后经低温集水箱(6)，由循环泵(16)返回热泵系统(3)。
7、 根据上述权利要求l、 4,所述边缘外围换热器组(10)的选定，其特征是根据地下换热器群的数量 规模，可选择最外层或最外两层。其余为所述地下蓄能体中心区域换热器组(9)。
8、 根据上述权利要求l、 4，所述中心区域换热器组(9)，其特征在于各组的组成，由中心向外，随各 层换热器数量增加，可以多层、单层、双边、单边分别逐步组成各组。
9、 根据上述权利要求l、 4,所述边缘外围的换热器组(10),其特征在于采取隔l、隔2、隔3或间隔 更多而组成2、 3、 4或更多个并联组，通常随地下换热器群的数量规模而定。
10、 根据上述权利要求1、 4，所述换热器组(9)或(10)的组成，其特征在于各换热器组的地下换 热器组成数量差异应小于75%,便于各组的流量平衡控制。各组地下换热器间采取并联连接，避免 地下换热器失效的不利影响。
全文摘要
本发明是利用太阳能、生活/生产余热作为热源、或夏季热泵制冷工况进行地下释热，以地下岩土作为蓄能体，采用分级热屏式蓄能控制方法进行地下蓄能。系统包括太阳能热源(1)、生活/生产余热热源(2)、热泵系统(3)、高温集水箱(4)、中温集水箱(5)、低温集水箱(6)、单向阀组(7)、单向阀组(8)、地下蓄能体中心区域并联换热器组(9)、地下蓄能体边缘外围并联换热器组(10)、三通阀(11)、四通阀(12)、三通阀(13)、三通阀(14)、循环泵(15)、循环泵(16)。采用分级热屏方法蓄能在于主体蓄能时温位分级，主体蓄能后外圈持续蓄能的特点。时形成外围动态等温面绝热作用，抑制和减缓热量向外扩散，达到更佳的蓄存能量保存效果。
文档编号F24F11/00GK101266070SQ20071030034
公开日2008年9月17日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者明 李, 青 高 申请人:吉林大学