本发明专利技术公开了一种基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，包括裹有绝热保温层的储液箱，以及包含有绝热层与导热肋片结构的阶梯式热管；装置的应用场所在新能源园区，结合太阳能光热、光电以进一步达到降低碳排放的效果；在供冷期，热量从储液箱中的储能工质经由阶梯式热管传递至浅层土壤内，以降低工质温度并达到储冷效果；在供热期，热量从浅层土壤经由所述的阶梯式热管传递至储液箱内的储能工质中，以提高工质温度并达到储热效果；供冷期储液箱绝热保温层需要反射太阳辐照，以保证其内工质温度不因热空气对流、热辐射等因素上升；供热期储液箱绝热保温层需要吸收太阳辐照并隔绝冷空气对流，最大限度的利用光热辅助提升其内工质温度。工质温度。工质温度。
【技术实现步骤摘要】
一种基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置
[0001]本专利技术属于地源能量利用及储能
，具体涉及一种基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置。
技术介绍
[0002]全球性的能源紧缺和环境污染的日趋严重，给人类的生存与发展提出了严峻的挑战，可再生能源将成为世界能源供给的重要构成，据欧洲联合研究中心预测，到2050年，可再生能源将提供世界主要能源的20％～40％，到2100年，将提供30％～80％。
[0003]地热能也是一种可再生能源，且根据研究者的报告(黄土高原地区)，在近地表的浅层土壤中，夏季土壤温度在地表最高，平均约45～55℃，随着深度增加温度迅速下降，在地下四米达到温度最低值15℃，更深处的土壤温度进入稳定值，在15～17℃之间徘徊；冬季时则与夏季相反，地表温度最低，为0～4℃，随着深度增加，温度迅速上升，在地下4m达到最高温18℃，更深处的土壤温度稳定在17℃不再变化。
[0004]近年来，以地埋管换热器为核心的土壤源热泵广泛应用于各类建筑空调和采暖系统，成为可再生能源建筑应用领域的典型技术手段。但现有专利技术以及对地热的利用鲜有使用地下四米这个冬夏季节的土壤温度分界线进行地埋管的设计。且现有技术通常使用增加地埋管的长度来增加换热接触面积，这样做需要钻深孔，也需要更长的导热管，增加工程难度，成本较高。此外，地源热泵技术在制冷制热的同时，需要消耗部分电能，在一定程度上降低了地热资源的利用效率，亟待发展适宜于工程应用的被动式地源储冷储热装置，以实现地热能量的零碳利用。
技术实现思路
[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，具有被动式换热零能耗的特点，用于解决新能源园区在冬夏季节供冷供热能耗高的技术问题。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，其特征在于，包括阶梯式热管，阶梯式热管的一端设置在储液箱内，另一端设置在浅层土壤内，储液箱外侧包裹有绝热保温层，浅层土壤内的阶梯式热管上设置有肋片，阶梯式热管用于传导储液箱中储能工质与浅层土壤之间的热量，以实现储冷和储热。
[0008]具体的，阶梯式热管包括多个。
[0009]进一步的，多个阶梯式热管采用阵列设置竖直设置在储液箱和浅层土壤内。
[0010]具体的，阶梯式热管沿竖直方向上的边界传热能力呈阶梯式分布。
[0011]进一步的，阶梯式热管从上至下依次包括与储能工质接触段，与储液箱接触段，地下0～1m的边界绝热段，地下1～4m的边界传热段。
[0012]更进一步的，边界绝热段处的阶梯式热管上设置有绝热层，绝热层与阶梯式热管
之间设置有真空层。
[0013]具体的，储液箱绝热保温层的外侧设置有反光层。
[0014]具体的，储液箱绝热保温层的外侧设置有吸热层。
[0015]具体的，阶梯式热管位于储液箱中的部分设置有金属翅片。
[0016]具体的，肋片包括多个，间隔设置在浅层土壤内与地表距离1～4m处的阶梯式热管上。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0018]一种基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，直接借由阶梯式热管进行储能工质与地热源之间的直接热传导，将作为冷源/热源的地源能储存进入储液箱中的储能工质，同时，肋片可以增加热管与土壤的接触面积，强化土壤与阶梯式热管间的传热，而储液箱外侧的保温层有利于能量在储能工质中的储存，减少能量向外界环境的传递。
[0019]进一步的，在地表至地下1m处阶梯式热管使用绝热层包裹，减少与最浅层地表间的热交换，这是因为0～1m的地表层在供暖期时(冬季)温度过低，会损失储能工质热量，而在供冷期(夏季)时温度过高，会增加储能工质热量，故而在这一段使用真空隔热层包裹阶梯式热管以隔绝此间的热交换，而在地下1m至4m的浅层土壤，其温度较为恒定且符合各个季节的温度需求，需要强化此间换热，因此使用肋片来增加接触面积，强化传热。
[0020]进一步的，阵列式热管排布可以使热量在储能工质内的传递更均匀，提升热传导效率，同时，更均匀的温度分布能降低系统的热应力，增加系统的循环使用寿命，降低成本。
[0021]进一步的，本专利技术可以根据需要在不同的部位灵活实现强化换热或是隔绝热传导，最大程度促进竖直方向由浅层地下土壤与上层的储能工质之间的热传递。
[0022]进一步的，在供冷期时(夏季)，土壤表层温度较高，但随着土层逐渐深入，其温度不断降低，在地下4m达到温度最低点。鉴于接近地面(地下0～1m)的土壤温度较高，本专利技术设计了阶梯式热管来阻止地表高温土对储冷的影响，即在地下0～1m的热管外包覆绝热材料。相反，在地下1～4m的热管外添加肋片以增大其与低温土的热交换面积，强化热传导，最大限度的保证热量从储液箱中的储能工质高效导出。在供暖期时(冬季)，土壤表层温度较低，但随着土层逐渐深入，其温度不断升高，在地下4m达到温度最高点。鉴于接近地面(地下0～1m)的土壤温度较低，本专利技术设计了阶梯式热管来阻止地表低温土对储热的影响，即在地下0～1m的热管外包覆绝热材料。相反，在地下1～4m的热管外添加肋片以增大其与高温土的热交换面积，强化热传导，最大限度的保证热量从地下1～4m的土壤中高效导出。
[0023]进一步的，绝热层和真空层共同作用在地下0～1m的土壤与阶梯式热管之间，高效的隔绝热交换。
[0024]进一步的，供冷期时，储液箱绝热保温层需要反射太阳辐照，通过反光层保证储液箱温度不因热空气对流、辐射等因素上升。
[0025]进一步的，供热期时储液箱绝热保温层需要吸收太阳辐照并隔绝冷空气对流，通过吸热层最大限度的利用光热辅助提升温度。
[0026]进一步的，阶梯式热管位于储液箱内部分的金属翅片可以强化阶梯式热管与储能工质的热交换，提升热交换速率，同时让储能工质温度更加均匀。
[0027]进一步的，最大限度的增加土壤与金属肋片的接触面积，进而强化热传导，同时也对阶梯式热管地下的部分起到一定的力学结构强化，防止其因冷热交替导致的热应力不均
匀而变形或者出现裂纹，从而增加使用寿命。
[0028]综上所述，本专利技术充分利用地下1m至4m这个温度相对恒定的区间设计阶梯式热管实现地热能利用，并且在其中增加肋片，以横向增加换热面积的方式取代传统的纵向深孔换热，减小工程量，降低成本。另外，本专利技术在其应用场所
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新能源园区可以和光热集热、光伏发电相互结合，实现降碳。在供冷期，由包覆反光绝热层的储冷罐储存低温的储能工质，可以向用户直接供冷，亦可冷却光伏板提升园区的发电效率；与此同时，包覆吸热层的储热罐可以吸收太阳辐照，储存光热能量，与光热集热器以及经光伏板加热后的储冷工质相结合，为园区提供热源(夏季的热水等等)，从而最大限度的利用地热能与太阳能。在供暖期，吸收光热与地热的储热工质可以为用户供暖，亦可通入光伏系统为光伏除去表面的霜，提升冬本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，其特征在于，包括阶梯式热管(2)，阶梯式热管(2)的一端设置在储液箱(1)内，另一端设置在浅层土壤(4)内，储液箱(1)外侧包裹有绝热保温层(7)，浅层土壤(4)内的阶梯式热管(2)上设置有肋片(3)，阶梯式热管(2)用于传导储液箱(1)中储能工质(5)与浅层土壤(4)之间的热量，以实现储冷和储热。2.根据权利要求1所述的基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，其特征在于，阶梯式热管(2)包括多个。3.根据权利要求2所述的基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，其特征在于，多个阶梯式热管(2)采用阵列设置竖直设置在储液箱(1)和浅层土壤(4)内。4.根据权利要求1所述的基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，其特征在于，阶梯式热管(2)沿竖直方向上的边界传热能力呈阶梯式分布。5.根据权利要求4所述的基于阶梯式热管的浅层地源储冷储热装置，其特征在于，阶梯式热管(2)从上至下依次包括...
【专利技术属性】
技术研发人员：任秦龙，叶柏青，王鹏飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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