一种土壤高效蓄冷释冷系统及方法

1.本发明属于蓄冷释冷技术领域，特别是涉及一种土壤高效蓄冷释冷系统及方法。


背景技术：

2.随着经济的发展进步，对能源的需求和对环境的保护的矛盾越发严峻。以往夏季的空调制冷大部分都采用电制冷，耗费了电能增加了发电源头的火力发电的二氧化碳排放，电能最终转化成为热量放出又加重了城市热岛效应。
3.对于寒冷和严寒地区，冬季空气中的冷量在冬季是一种不利，但在夏季却是一种财富。所以大家一直在努力通过冬季蓄冷夏季释冷来进行利用。古代有冬季冻冰储存与山洞夏季取用，但使用和储存都不方便，而且成本巨大因此得不到实际推广应用。
4.随着科技发展，我们对地下的土壤的了解更加深入透彻，应运而生了通过打井埋设管道来实现利用浅层土壤的蓄冷功能来储存和取用热量的技术。地下5米以下的土壤接近地区的年平均气温，对于寒冷和严寒地区各地平均温度略有差异。
5.例如沈阳地区大约10℃。通过打多口大约80～100米深，直径100mm～150mm左右的井，把两根(一供、一回)换热管道下入井内，之后填入换热性好的沙土填充。之后，通过多组并联的方式把埋管连接，通过循环水泵，和相关管道和地面的换热器组成闭合环路，用水作为循环介质在系统内流动进行工作。在冬季，水流经地上换热器时被空气冷却，将至接近0℃(液态)，通过管道输送循环水泵提供动力送至并联的地埋管，通过地埋管的外表面与管外的10℃的土壤进行换热，使土壤最终降到接近0℃。过度季节系统停止运行。到了夏季，系统运行，系统循环介质水可以把冷量提到地面需要的空调系统提供冷量。此方法，每口井的间距大约5米左右，控制的深度为80～100米，土壤的蓄热量可以提供给建筑一定的夏季冷量需求。由于应用的是冬季低廉的自然冷量，因此夏季空调总体的能耗大幅度降低。但是实际运行起来并未达到预期的效果，推广收到极大的限制。
6.现有技术方案存在如下技术问题：1、供、回水管换热相互干扰，换热效果差，限制打井的深度的进一步加深，井深只能打到100米，系统蓄冷量进一步提升受限。
7.井内的换热管道为不保温的两根管，供水管和回水管，两根管道存在着巨大的热传递(热短路)，成为不利的一大缺点。如果系统冬季需要蓄冷，管道被空气降温到0℃的水流入埋管使接近地面的土壤层先降温，水在埋管继续流动接触更深层的土壤，水继续升温，最终回转180度变成回水。随着时间推移，蓄冷的不断进行，越靠近地面的土壤温度接近0摄氏度，这时管道内向上流动的回水(10℃),向上流动反而会被冷却放热(这是我们不希望的，我们希望在蓄冷时它总是吸热)，这说明此过程对蓄冷不利，会大幅度降低系统的蓄冷效果。而且井深越深此影响越大，限制了蓄冷的井深的加深，限制了单口井的蓄冷能力。
8.2、蓄冷的土壤的地质特性随深度的变化很大，尤其地下水的流动。大部分地区虽然地下水在土壤内的流动速度很慢，但对于以季节为周期的蓄冷与释冷来说水的流动性的影响则是巨大的。例如，此含水层可能在20～40米深的范围。地下水流动虽然慢，蓄冷可以完成，但蓄存的冷量在取用的季节可能随地下水的流动转移到水流方向下游很远的位置。
此层的蓄冷量几乎为零。如果地下水的流动较快，此层和此层以下的蓄冷则很难完成，因为埋管和土壤交换的冷量会被水流很快带走。
9.3、在蓄冷的过程中，无论需要哪层土壤蓄热，盘管内的水都要流经埋管供、回的全程(80x2～100x2米)，水泵提供了过多的无意义的动力损耗，浪费的能量，增加了运行费用，降低了系统的运行经济性。


技术实现要素：

10.针对上述存在的技术问题，提供一种土壤高效蓄冷释冷系统及方法，解决了原有供回水管换热相互干扰(热短路)的问题，使系统的蓄冷与释冷的效果明显提高。
11.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
12.本发明一种土壤高效蓄冷释冷系统，包括多个地井、置于每个地井内的地埋管、置于地表的室外换热器、室内空调换热器、主管道、循环水泵、温度检测仪、多个阀门及阀控装置，所述每个地井内的地埋管均设有循环供、回水管，在两水管间不同土壤层并联设置多个分层支管，每个分层支管上均设有分层控制阀，每个土壤层均设置有温度检测仪；各个地井内的地埋管的一路水管均并联连接循环水泵的一端，循环水泵另一端并联连接室外换热器、室内空调换热器的进水口端，室外换热器、室内空调换热器的出水口端通过主管道并联连接的地埋管的另一路水管，且该路水管上分别设有分支控制阀，所述室外换热器的进出水端分别连接阀门ⅲ，室内空调换热器的进出水端分别连接阀门
[0013]ⅳ；在循环水泵与地埋管和换热器间连接的管路上设有控制地埋管水流方向的阀控装置，所述阀控装置分别连接各层温度检测仪、各层阀门及阀控装置的阀门，控制水流方向，实现地埋管中的水通过换热器流回地埋管中的释冷循环或地表换热器内的水经过地埋管流回换热器的蓄冷循环。
[0014]
进一步地，所述阀控装置包括控制器及同时打开或关闭的两组阀门，分别为阀门ⅰ和阀门ⅱ，其中阀门ⅰ分设于循环水泵两端，在每个阀门ⅰ和循环水泵两端的管路上均连接支管路，在支管路上均设置有阀门ⅱ，控制器分别连接各阀门及温度检测仪。
[0015]
进一步地，所述每个地井内的地埋管连接循环水泵一侧的管路外设有防水保温外壳形成保温管道。
[0016]
进一步地，所述相邻两层的分层支管间的高度h为10～20米。
[0017]
本发明所述土壤高效蓄冷释冷系统的蓄冷方法，具体步骤为：
[0018]
冬季蓄冷时，通过各层温度检测仪检测各层温度t反馈给阀控装置的控制器；阀门ⅲ开放，阀门ⅳ关闭；
[0019]
当各层土壤初始温度t≤12℃时，首先打开最底层，即第n层，n≥5土壤的控制阀门，关闭其他层的土壤分层控制阀门，同时打开阀控装置的所有阀门ⅱ，关闭所有阀门ⅰ，循环水泵运转，带动水流经换热器与外界空气进行换热，当水被降温接近达到液态0℃，之后水流经带防水保温外壳的管道送入地下，水到达需要蓄冷的第n层土壤层，进入不保温的回水管转向180
°
和土壤进行换热，0℃的水升温土壤降温；
[0020]
通过第n层的温度检测仪检测，当水温升至10℃，土壤降温至0℃时，完成对第n层土壤的蓄冷过程；
[0021]
当第n层土壤蓄冷完成，再对其他层土壤分别蓄冷；直至所有层土壤蓄冷完成，即
完成冬季蓄冷。
[0022]
本发明所述土壤高效蓄冷释冷系统的释冷方法，具体步骤为：
[0023]
夏季释冷时，关闭阀控装置的所有阀门ⅱ，打开所有阀门ⅰ，循环水泵运转，带动地下防水保温外壳管道内的水，流经阀门ⅰ、阀门ⅲ关闭，阀门ⅳ开放，冷水送入空调房间的室内空调换热器，把冷风送入室内，室内空调换热器14内的水升温至12
°
后经主管道、地埋管流入地下；
[0024]
开启土壤分层的第1层阀门，关闭其他第2层至第n层阀门，水流经第1层与0℃土壤进行换热，当水温为7℃时，流经第1层阀门，转向180
°
流入带防水保温外壳的回水管，通过带保温外壳的保温管道流回地面的循环水泵和空调房间的换热器进行释放冷量，由7℃变成12℃完成释冷为空调房间提供冷量；
[0025]
然后再依次开启第2层至第n层阀门，关闭其他层阀门，逐次进行第2层至第n层土壤释冷。
[0026]
本发明的有益效果为：
[0027]
1.本发明解决了原有供回水管换热相互干扰的热短路问题，通过设置阀控装置及切换阀门，配合土壤分层控制阀门的交替开关，及地埋管的一支设置防水保温外壳，联合作用，共同实现对土壤进行可控的分层蓄冷与释冷，从而保证对所有能蓄冷与释冷的土壤层的充分利用。
[0028]
2.本发明由于一根管道换热另一根管道加上了防水保温外壳，使两管道的相互干扰降到了极低。使系统的蓄冷与释冷的效果明显提高。通过打井的深度可以继续加大，可超过100米，实现了单井的蓄冷与释冷的容量的大幅提高。
[0029]
3.本发明可以根据各层土壤的特性，在蓄冷和释冷时跳过不利于蓄冷和释冷的土壤层，对不能蓄冷与释冷的土壤层跳过蓄冷与释冷。解决了不利土壤层对蓄冷和释冷的不利影响，使系统高效节能运行。
[0030]
4.本发明采用分层蓄冷与释冷，使循环水泵在长管路和短管路(系统大阻力和小阻力)之间工作，循环水泵可以通过变频工作实现节能运行。避免了原有循环水泵总在最长管路(最大阻力)工况下工作。节省了电能消耗，相当于减少了二氧化碳的排放量。
[0031]
5.本发明在解决了现有技术存在的问题，使利用土壤进行冬冷夏用，如果得到大面积推广，还会带来的巨大的经济和社会效益。降低了夏季的空调制冷的电能消耗，减少了城市空调制冷的用电量，减轻了城市的热岛效应。使城市房间的冷负荷在地下放出，进一步抵消一部分其他城市设备造成的热岛效应。
附图说明
[0032]
图1是本发明的结构示意图。
[0033]
图2是图1中保温管道示意图。
[0034]
图3是蓄冷过程示意图。
[0035]
图4是释冷过程示意图。
[0036]
图中：1.循环水泵，2.室外换热器，3.主管道，4.地埋管，5.分支控制阀，6.分层控制阀，61.第1层阀门，62.第2层阀门，63.第3层阀门，6(n-1).第(n-1)层阀门，6n.第6n层阀门，7.保温管道，8.防水保温外壳，9.阀门ⅰ，10.阀门ⅱ，11.温度测点，12.温度检测仪，13.
土壤，131.第1层土壤，132.第2层土壤，133.第3层土壤，134.第4层土壤，13(n-1).第n-1层土壤，13n.第n层土壤，14.室内空调换热器，15.阀门ⅲ，16.阀门ⅳ。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
[0038]
实施例：本发明一种土壤高效蓄冷释冷系统，包括多个地井、置于每个地井内的地埋管4、置于地表的室外换热器2、室内空调换热器14、主管道3、循环水泵1、温度检测仪12、多个阀门及阀控装置，所述每个地井内的地埋管4均设有循环供、回水管，在两水管间不同土壤层并联设置多个分层支管，每个分层支管上均设有分层控制阀6，每个土壤层均设置有温度检测仪12检测点；各个地井内的地埋管4的一路水管均并联连接循环水泵1的一端，循环水泵1另一端并联连接室外换热器2、室内空调换热器14的进水口端，室外换热器2、室内空调换热器14的出水口端通过主管道并联连接的地埋管4的另一路水管，且该路水管上分别设有分支控制阀5，所述室外换热器2的进出水端分别连接阀门ⅲ15，室内空调换热器14的进出水端分别连接阀门ⅳ16；在循环水泵1与地埋管4和换热器2间连接的管路上设有控制地埋管4水流方向的阀控装置，所述阀控装置分别连接各层温度检测仪12、各层阀门及阀控装置的阀门，控制水流方向，实现地埋管4中的水通过室内空调换热器14流回地埋管4中的释冷循环或室内空调换热器14内的水经过地埋管4流回冬季室外换热器2的蓄冷循环。
[0039]
进一步地，所述阀控装置包括控制器及同时开或关的两组阀门，分别为阀门ⅰ9和阀门ⅱ10，其中阀门ⅰ9分设于循环水泵1两端，在每个阀门ⅰ9和循环水泵1两端的管路上均连接支管路，在支管路上均设置有阀门ⅱ10，控制器分别连接各阀门及温度检测仪12。
[0040]
进一步地，如图2所示，所述每个地井内的地埋管4连接循环水泵1一侧的管路外设有防水保温外壳8形成保温管道7。
[0041]
进一步地，所述相邻两层的分层支管间的高度h为10～20米，本例h为15米。
[0042]
如图3所示，本发明所述土壤高效蓄冷释冷系统的蓄冷方法，具体步骤为：
[0043]
冬季蓄冷时，通过各层温度检测仪12检测各层温度t反馈给阀控装置的控制器；阀门ⅲ15开放，阀门ⅳ16关闭；
[0044]
当各层土壤初始温度t≤12℃时，首先打开最底层(即第n层，n≥5)土壤的控制阀门6n，关闭其他层的土壤分层控制阀门(1层到n-1层)，同时打开阀控装置的所有阀门ⅱ10，关闭所有阀门ⅰ9，循环水泵0运转，带动水流经换热器2与外界空气进行换热，当水被降温接近达到液态0℃，之后水流经带防水保温外壳8的管道送入地下，水到达需要蓄冷的第n层土壤层，进入不保温的回水管转向180
°
和土壤进行换热，0℃的水升温土壤降温；
[0045]
通过第n层的温度测仪11检测，当水温升至10℃，土壤降温至0℃时，完成对第n层土壤13n的蓄冷过程；
[0046]
当第n层土壤13n蓄冷完成，再对第n-1层土壤13(n-1)蓄冷，此时关闭第n层土壤的控制阀门6n，打开第n-1层的土壤的控制阀门6(n-1)，对第n-1层土壤13(n-1)进行蓄冷；
[0047]
然后再分别对第n-2层、第n-3层、直至对第1层土壤131蓄冷完成，即完成冬季蓄冷。
[0048]
如图4所示，本发明所述土壤高效蓄冷释冷系统的释冷方法，具体步骤为：
[0049]
夏季释冷时，阀门ⅲ15关闭，阀门ⅳ16开放，关闭阀控装置的所有阀门ⅱ10，打开
所有阀门ⅰ9，循环水泵1运转，带动地下防水保温外壳8管道内的水，流经阀门ⅰ9、送入空调房间的空调换热器14，把冷风送入室内，房间空调换热器14内的水升温至12
°
后经主管道3、地埋管4流入地下；
[0050]
开启第1层土壤分层控制阀门61，关闭其他第2层至第n层土壤分层控制阀门62～6n，水流经第1层分支管路与0℃土壤进行换热，当水温为7℃时，流经第1层控制阀门61，转向180
°
流入带防水保温外壳8的回水管，通过带保温外壳8的保温管道7流回地面的循环水泵1和空调房间的换热器14进行释放冷量，由7℃变成12℃完成释冷为空调房间提供冷量；
[0051]
然后再依次开启第2层至第n层土壤分层控制阀门62-6n，关闭其他层土壤分层控制阀门，逐次进行第2层至第n层土壤释冷。
[0052]
其中，在回水管外采用防水保温外壳8达到阻断传热的效果。
[0053]
本例根据土壤特性和井深在供、回水管间设n个(n≥5)土壤分层控制阀6。在循环水泵1的出入口设计了阀门ⅰ9和阀门ⅱ10，可以通过开关不同的阀门，来控制水在管路里的流动方向。本发明能够实现分层蓄冷与释冷，带来更多额外收益。
[0054]
本发明系统的工作原理：如图3所示，冬季蓄冷，阀门ⅲ15开放、阀门ⅳ16关闭，在冬季利用室外换热器2从空气中吸收冷量。阀门ⅱ10打开，阀门ⅰ9关闭，循环水泵1运转，水在管道系统内闭环流动。水流经室外换热器2与外界冬季低温室外空气进行换热，被降温接近达到0℃(液态)，之后水流经带防水保温外壳8的管道送入地下。通过各层土壤分层控制阀门6的开关控制，通过带防水保温外壳8的管道，水到达需要蓄冷的土壤层，转向180
°
成为回水管和土壤进行换热，水升温、土壤降温，最终水变成10℃，土壤变成0℃，完成此层土壤的蓄热过程。
[0055]
蓄冷过程通过各层土壤分层控制阀门6的开关，从深(第n层)到浅(第1层)完成各层的土壤蓄冷。深(第n层)层蓄冷时管道中的水流经的管道长度最大，系统的阻力相对较大，循环水泵1的做功较多。浅层(第1层)蓄冷时水流经管道的长度最短，系统阻力相对较小，循环水泵1的做功较少。这样循环水泵1在蓄冷时，系统在不同的阻力下工作，循环水泵1可以通过变频控制完成不同的功率输出。没实施此专利技术的系统工作时循环水泵1，在整个蓄冷周期都在最大阻力系统下工作，能量造成浪费。
[0056]
如图4所示，夏季释冷，阀门ⅲ15关闭，阀门ⅳ16开放，在夏季通过室内的房间空调换热器14向空调房间释放冷量。阀门ⅱ10关，阀门ⅰ9开，循环水泵1运转，水在管道系统内闭环流动，方向与冬季相反。水流经空调房间变成12℃，之后水流经不带防水保温外壳8的管道送入地下，通过各层土壤分层控制阀门6的开关控制，和0℃土壤进行换热，变成7℃的水，转向180
°
成为回水管，通过带保温外壳8的回水管流回地面的循环水泵2和空调房间进行释放冷量由7℃变成12℃完成释冷。
[0057]
释冷冷过程通过各层土壤分层控制阀门6的开关控制，管道内的水从浅(第1层)到深(第n层)完成各层的土壤释冷，和蓄冷比较水流方向正相反。在释冷的时段，像蓄冷一样可以实现分层释冷，因此循环水泵1同样可以在不同的阻力下工作，可以通过变频技术实现不同的输出功率，节省电能消耗。
[0058]
利用温度测试探头测试温度检测仪11的温度，信号通过导线传到温度检测仪11反馈给控制中心，进一步发出指令控制相关电动阀门ⅰ9、阀门ⅱ10，和各层土壤分层控制阀门6，最终实现埋管的分层蓄冷和分层释冷。
[0059]
本发明可以实现跳层蓄冷。土壤蓄冷、释冷的每口井可以竖向根据土质结构和深度分成若干层(n≥5)，层数根据实际情况而定。为了说明分层蓄冷与释冷，现举例说明，如图所示土壤分成n层，由浅到深分别为第1层土壤131、第2层土壤132、第3层土壤133至第n层土壤13n。如果土壤中第2层的特性不满足蓄冷要求(如地下水动流动性强)，需要跳过此层不蓄冷。具体操作如下，如图1-3所示。当蓄冷由第n层土壤13n蓄冷到第3层土壤133时，第4层阀门64关闭，第3层阀门63开放，对第3层土壤133进行蓄冷，直至第3层温度检测仪11感知温度反应出第3层土壤133蓄冷完成。之后为了跳过对第2层土壤132的蓄冷，对第1层土壤131进行蓄冷，第3层阀门63关闭、第2层阀门62依然关闭，第1层阀门61打开，对第1层土壤131实现蓄冷。第2层土壤132可以很好的被跳过不进行蓄冷。
[0060]
本发明可以实现跳层释冷：通过阀ⅰ门9与阀门ⅱ10的切换，实现释管道内水流反向流动进行释冷。第1层土壤131首先释冷，第2层至第n层阀门62-6n均关闭、第1层阀门61开放，实现对第1层土壤131释冷。跳过对第2层土壤132蓄冷，对第3层土壤133进行释冷时，第1层阀门61关闭、第2层阀门62依然关闭、第3层阀门63开放。
[0061]
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。