一种太阳能浅层地表热能互补建筑能源利用系统

摘要

本发明提供一种太阳能浅层地表热能互补建筑能源利用系统，不需要消耗传统的能源，就可以实现将低品位热源直接利用于建筑供暖和制冷。该系统将符合要求的低品位能源直接输送到末端，实现低品位能源的直接利用，进一步可以采用一个换热器与低品位能源进行正确的换热，达到系统设定的温度的要求，然后利用一种传热流体将热能输送到末端设备，末端设备将热能进行释放，从而实现低品位热能的直接利用。

说明书

技术领域

本发明涉及热能利用，属于可再生能源利用，特别是太阳能浅层地表热能互补的实现建筑供暖、制冷。

背景技术

低品位能源如何有效的利用，现有的技术需要在利用传统能源，将低品位能源进行提升，再将低品位能源加以利用，但是这种利用方式都需要消耗传统能源，如各种地源和水源热泵技术，需要电能进一步的补充，将其加以利用。

对于建筑物的温度控制技术有很多种，现有技术主要采用消耗一种能源的形式，来实现建筑的温度控制，主要的消耗电能的压缩制冷技术，以及后期发展的消耗其他传统能源的如燃气制冷技术，在其末端设备主要采用风机盘管和散热器，以及目前也在采用的利用各种管道为终端设备的供暖以及制冷。太阳能采集技术的出现，也出现了各种吸收以及吸附式制冷技术，但是这些技术都至少包含有一种制冷设备，需要消耗传统的能源才能实现建筑物的温度控制。

现有依靠空调制冷以及锅炉供暖的系统，采暖供回水温度取95/70，空调冷冻水取7/12，空调热水取60/50，由于空调是强制对流换热，所以它不需要在末端过大的温差，暖气采用95/70，原因是末端没有强制对流，冷冻水必须设定在机器露点以下，这就要求冷冻水一般要控制在12度之下。但是，水在0度以下要结冰，所以设定低温不能低于5度，人为规定了7/12度。因而在制冷时仅有5度的温差。在夏季工框下，室内空气温度25度，则水和空气的温差为15度左右。而冬季空气温度18度，水走60/50工况，水和空气的温差为37度左右。所以不考虑湿工况可以认为冬季的风盘换热能力几乎是夏季的两倍。因此，从风盘角度出发，最极端时水走30/25这样的工况也是可行的。如果采用传统的锅炉供热，本身锅炉的燃烧温度在500-1500度左右，视不同的燃料而不同。如果用近千度的烟气来加热40度左右的热水，换热效率太低，锅炉的能力大大浪费，这是不经济的，因此通常按照60/50这样的工况进行设计。这是热水锅炉的最低极限了，多数情况下还做不到，还要加换热器。同时这样的温度也可以防止水管和设备结垢。现有系统风机盘管的末端的温度差可以实现15度的温差制冷及供暖，但是由于热源采用锅炉和空调之间的差距，造成了目前普遍采用高温差进行供暖，由于必须采用高温的供暖因而出现了使用散热器进行冬季供暖，实际上，如果采用风机供暖，其换热能力在15度温差是可以进行供暖的，这样如果按照国标的要求室内温度达到18度，在冬季采用23度的水即可以实现冬季的供暖，因而为利用可再生能源进行直接的供暖提供了技术的可能性。

随着末端技术的发展，供暖和制冷需要的能源温度与环境温度的温差越来越小，如采用传统的散热器需要80—90度的热源供暖，采用地板采暖技术后，热源的温度可以降低到40—60度，这使得太阳能供暖成为可能，后期出现的毛细管，其供暖温度为30—40度，其制冷温度可以采用10—20度，而传统的风机盘管技术需要3—10度的冷源，才可能保证建筑物的制冷效果。这种末端技术的出现，使得直接利用低品位热能成为可能。在浅层地表热能利用上，现有的垂直埋管的深度为60—100米，这种深度适合于现有的热泵技术，但是由于其温度基本处于15—20度的范围，无法直接用于供暖。

新的末端设备的出现使得提供能源的方式也可以发生变化，由传统的必须消耗传统的能源到现在可以实现利用可再生能源实现建筑的供暖和制冷。但是目前采用的太阳能吸收或吸附式制冷都需要制冷机组，这种设备目前价格高而且转换效能差，如对于低于100度的热源采用吸收或吸附式制冷技术，其COP值为0.4—0.8，这样也浪费的大量的热能，使得技术无法普遍推广使用。

发明内容

本发明的目的就是提供一种太阳能浅层地表热能互补建筑能源利用系统，不需要消耗传统的能源，就可以实现将低品位热源直接利用于建筑供暖和制冷。该系统将符合要求的低品位能源直接输送到末端，实现低品位能源的直接利用，进一步可以采用一个换热器与低品位能源进行正确的换热，达到系统设定的温度的要求，然后利用一种传热流体将热能输送到末端设备，末端设备将热能进行释放，从而实现低品位热能的直接利用。该系统采用与目标温度5—15度的温差进行供暖和制冷，夏季冷源为11—21度，冬季热源为21—41度，实现对室内16—26度的温度控制。这样可以直接利用温度为0—45度的低品位热源，实现建筑的直接供暖和制冷。在供暖与制冷过程中，如果浅层地表热能不能提供复合要求的能源时，采用太阳能进行补充，在夏季采用太阳能制冷作为补充，在冬季采用太阳能热利用的热能进行补充，在夏季主要采用浅层地表热能的为主要的能源，太阳能制冷为补充，在冬季以浅层地表热能为主，太阳能为补充，或以太阳能为主要能源浅层地表热能为补充，但具体如何进行，需要根据地质情况，埋管费用，太阳能热利用成本综合考虑。当然更高温度的热源以及更低温度的冷源更加可以直接利用，仍适合于本发明，但是本发明的重点是采用低品位的能源进行直接的供暖和制冷。

具体发明内容如下：

一种太阳能浅层地表热能互补建筑能源利用系统，含有至少一个浅层地表热能能源和至少一个管道末端设备，以及至少一组太阳能利用系统，直接将浅层地表热能换热器交换的热能输送到末端设备上，实现建筑供暖和/或制冷，在浅层地表的热能不能满足建筑的要求时，采用太阳能热能系统进行补充。

还含有至少一个浅层地表热能换热器和至少一种流体，热流体直接将浅层地表热能换热器交换的热能输送到末端设备上，在浅层地表的热能不能满足建筑的要求时，采用太阳能热能系统进行补充，实现建筑供暖和/或制冷。

对于土壤中的热能，基本采用水平埋管换热器和垂直埋管换热器来实现热能的交换，在地表土壤中，深度15米以下为恒温层，其深度为10—40米，在恒温层以下是变温层，每增加30度，温度增加一度。因此为了能够实现利用土壤中的能源直接对建筑提供制冷和供暖，对于夏季制冷，埋管的深度不高于100米，其温度处于8—20度的区间，可以直接的将热能进行交换后为建筑提供制冷，可以采用垂直或水平埋管的方式，实现对地下热能的交换。在冬季供暖时基本要达到地下21度以上的温度区域，通常需要的深度在300—1500米范围，可以优选在500—700米深度的范围进行能源的采集，温度处于40—50度的温度区间内。这样通过换热之后，就可以直接的利用地下热能为建筑提供供暖以及制冷。

当采用浅层地表热能用于建筑的制冷时，含有至少一个浅层地表热能热源，其埋管换热的深度一般为1—100米，提供温度不高于21度的热能，当浅层地表热能提供的温度高于16度时，启动太阳能制冷系统，降低供冷流体的温度，将热能能源利用管道末端设备为建筑提供制冷。

当采用浅层地表热能用于建筑的供暖时，含有至少一个浅层地表热能热源，其埋管的深度为200—1500米，可提供温度不低于21度的热能能源，当浅层地表热能提供的温度低于30度时，启动太阳能热利用系统的热能，提升能源系统的温度，将热能能源利用管道末端设备为建筑提供供暖。

当采用浅层地表热能用于建筑的温室栽培时含有至少一个浅层地表热能能源，提供温度不低于10度的热能，当能源温度低于10度时，启动太阳能热利用系统的热能，提升能源系统的温度，将该部分热能利用管道末端设备为温室栽培提供能源。

含有至少一个低温浅层地表热能热源换热器以及至少一个高温浅层地表热能热源换热器，将该部分热能利用管道末端设备为建筑在冬季提供供暖，在夏季提供制冷，此时需要提供两个不同度换热器，一个为高温的换热器，实现温度不低于21度的热能交换，其埋管的深度为200—1500米，一个为低温换热器，实现温度不高于21度的热能交换，其埋管换热的深度一般为1—100米，两个换热器分别实现冬季的供暖以及夏季的制冷。在浅层地表的热能不能满足建筑的要求时，采用太阳能热能系统进行补充，实现建筑供暖和/或制冷。

浅层地表热能选择处于下列至少一种物质中的热能：

A、土壤：任何土壤；

B、地表水：指江河湖海中的水；

C、地下水：地表以下的地下热水。

采用下列至少一种浅层地表热能换热器实现换热：

A、水平埋管换热器；

B、垂直埋管换热器；

C、板式换热器；

D、管壳换热器；

E、热管换热器；

F、管翅换热器；

G、套管换热器。

由于地表以下土壤的温度的差别，为了使地表以下的热能可以被直接的利用，对于浅层地表热能利用的埋管换热系统，在制冷时埋管的深度不高于100米，在供暖时深度高于150米。

管道末端设备选自下列至少一种：

A、地暖管，为各种用于地板采暖的高分子管，现有直径最小为16MM。

B、毛细管；

C、风机盘管。

现有地板采暖的管管间距为100—300MM，如果降低供暖温度和同时实现制冷，需要采用密布的方式，其管件的间距为10—100MM。如果仅是将其进行供暖。

传热流体为液体、气体、液体气体混合物、气体固体混合物、液体固体混合物、液体固体气体混合物、超临界流体中的一种。

在系统中还需要加入动力设备如泵来为系统提供动力，此外还需要控制器件、仪表、阀门、蓄热器件等设备来实现系统的能源的供应。

以可再生能源为主要能源的系统，采用与目标温度5—15度的温差进行供暖和制冷，夏季冷源为11—21度，冬季热源为21—41度，实现对室内16—26度的温度控制。在夏季制冷时，根据目前的国标，如果使室内温度最低26度，需要最低21度的冷源，在冬季如果使室内达到16度，需要最低21度的热源，只需提供21度的热源，就可以保证在冬季和夏季实现建筑供暖标准的能源供应。

上述的供暖以及制冷温度是根据中国目前的国家标准设定的温度，但是在不同的国家以及在同一个国家不同的时期，国家标准也在改变，同时由于浅层地表热能的资源在不同的区域也有不同的变化，因而需要根据地理位置和国家政策对上述的各项温度进行调整，只要能够根据本发明的原理进行能源的供应，都是可以实施的方案，都是本发明的保护的内容。

在本说明书中，所设定的太阳能补充温度值仅是一个优选的温度，由于太阳能为一种资源，在一些区域丰富，在另外区域贫乏，因而所设定的数值应该根据太阳能的资源情况进行调整，采用何温度进行太阳能补充，可以根据情况进行选择，只要能够实现能源的供应，都是可以选择的数值。

附图说明

图中的数字标号的含义如下：

1：换热器，2：末端设备，3：传热流体，4：高温直埋管，5：低温直埋管，6：毛细管，7：蓄热器，8：湖，9：浅层地表热能热源，10：太阳能采集系统，11：低品位热源。

图1：太阳能与浅层地表热能互补直接利用系统示意图

由太阳能与浅层地表热能系统互补直接经过换热系统利用终端实现的浅层地表热能的利用。

图2：具有高温和低温直埋管换热器示意图

由一个高温的换热器统和一个低温换热器构成的浅层地表热能换热利用。

图3：太阳能与具有高温和低温直埋管低品位能源互补利用系统示意图

由一个高温和一个低温的浅层地表热能利用系统，通过一个换热器实现热能的交换，利用传热流体实现热能的传递，利用末端设备为建筑提供能源，由太阳能热利用系统提供能源的补充，实现制冷与供暖。

图4：太阳能与浅层地表热能互补的温室栽培系统示意图

太阳能与浅层地表热能互补为温室栽培提供能源。

图5：太阳能与地表水实现的热能互补利用示意图

太阳能与地表水实现的热能互补利用，通过一个换热器进行换热，实现互补的直接建筑制冷。

图6：太阳能与低温地下水互补直接利用系统示意图

太阳能与低温地下水直接利用系统。

具体实施方式：

实施例一：太阳能与浅层地表热能互补直接利用系统

参见图1：浅层地表系统采用井水，其温度为15—21度，采用毛细管为室内制冷设备，直接将井水输送到室内毛细管处，实现室内21—26度温度的控制，当井水的温度高于18时，启动太阳能制冷系统，使其制冷的制冷温度低于15度，利用15度的温度为建筑提供制冷。

实施例二：具有高温和低温直埋管换热器系统

参见图2：低温热源为处于地下30米处的冷源，采用普通PPR的“u”型管，可以采集温度为15—19的冷源，其热功率为1—3KW；其高温的热源为150MM的不锈钢管，深度为300米，温度为25—30度的热水。

实施例三：太阳能与具有高温和低温直埋管低品位能源互补利用系统

参见图3：低温热源为处于地下50米处的冷源，采用普通PPR的“u”型管，可以采集温度为15—19的冷源，其热功率为2.5—5KW；其高温的热源为300MM的不锈钢管，深度为400米，温度为25—30度的热水。将其不同温度的能源通过一个换热器进行换热，通过传热流体将热能输送到末端的地暖管中，实现建筑的供暖和夏季的制冷。在夏季当经换热器换热的传热流体水的温度高于15时，启动太阳能制冷系统，使其制冷的制冷温度低于15度，利用15度的温度为建筑提供制冷。在冬季当经换热器换热的传热流体水的温度低于25度时，启动太阳能进行热补充，实现建筑供暖。

实施例四：太阳能与浅层地表热能互补的温室栽培系统

参见图4：温室的温度要求在冬季温度不低于10度，采用地下深度10—40米的地热，可以直接进行热能的提供，采用热管传热方式，采用直径为39MM的碳钢热管，末端设备采用毛细管。当经换热器换热的传热流体水的温度低于10度，启动太阳能供暖。

实施例五：太阳能与地表水实现的热能互补利用系统

参见图5：选择湖水温度为15—20度，通过一个湖水换热器，将18度的冷水提供给风机末端，实现利用湖水进行制冷。当经换热器换热的传热流体水的温度高于15时，启动太阳能制冷系统，使其制冷的制冷温度低于15度，利用15度的温度为建筑提供制冷。

实施例六：太阳能与低温地下水互补直接利用系统

参见图6：利用温度低于45度的地下水，将其可以实现对建筑的直接供暖，采用地暖管密布的方式，实现地下水的直接的利用。当经换热器换热的传热流体水的温度低于28度时，启动太阳能进行热补充，实现建筑供暖。