本实用新型涉及一种蓄热装置，尤其涉及水体土壤的耦合蓄热装置。
背景技术：
蓄热技术是太阳能、风能等可再生能源高效利用的关键。蓄热技术经过多年的发展，已经形成不同的领域。蓄热技术的研究过去主要集中在人造水箱（罐）蓄热、水体砾石蓄热、土壤蓄热及地下含水层蓄热等方面。目前国内常用的人造水箱短期储热（约2-3天）技术，仅能满足生活热水需要，无法达到热能跨夏冬两季的长期储存和利用，不能满足建筑采暖的广泛需求。大型人造水箱（罐）、水体或砾石蓄热具有大容积、高热容、良好的蓄/释热性能，性能稳定、无环境污染等优点，但大型人造水箱（罐）保温工程建设困难，造价高昂。土壤蓄热系统通常采用地埋管将热能存储到地下土壤中，该技术的优点是无需人造蓄热设备，造价相对低，但系统换热率低、热损失高，所需蓄热容积大，对周围生态环境有影响，且对地质结构具有选择性，仅适用于岩石和饱和水土壤环境。利用地下天然含水层作为蓄热体，具有造价低的优点，但对地质环境要求苛刻，系统运行易出现塞井、腐蚀及霉菌等现象。大容积水池蓄热技术是通过提升水体如人工水池的温度来存储热能的显热蓄热技术，具有造价低、蓄/放热速率快、热损系数低、能跨季热能存储等优势，可结合太阳能集热器、风电、光电、热泵、热电联产机组等多种可再生能源技术，充分提高能源利用率和可再生能源的占比，实现清洁能源区域供热的目标，得到了国际上的重视。大容积水池蓄热技术源于北欧丹麦，早在1983年丹麦科技大学（Technical University of Denmark）建设了世界上第一个500 立方米蓄热水池，取得了宝贵的第一手实践经验。近年来，大容积水池蓄热技术逐步走向成熟，在丹麦已陆续建成5座大容积的蓄热水池，并已经商业化运行，蓄热体容积在60,000-200,000 立方米之间（樊建华, Junpeng Huang, Ola Lie Andersen, Simon Furbo, Thermal performance analysis of a solar heating plant，Proceedings of Solar World Congress, 2017, Abu Dhabi, UAE）。
上述大容积蓄热水池大多放置于地下或者半地下，蓄热体的底部、侧面的全部或者部分都处于地面以下，直接和土壤接触。这样做的优势在于可充分利用土壤温度全年波动较小的特性，有效降低蓄热体的热损失，但缺点是地下土壤容积大，吸热量大，蓄热体的热量通过热传导的形式源源不断地从蓄热体流向周边土壤，造成蓄热体周边土壤温度升高并以蓄热体为中心形成一定的温度梯度。该温度梯度的存在推动热量散失到周边相当大范围内的土壤之中，造成了能源的浪费。本专利旨在提出一种水体土壤耦合蓄热装置及其实用方法，以解决上述技术难题，提高蓄热效率。
现有的蓄热技术包括：砾石土壤蓄热技术，水体（池）蓄热技术和水体耦合砾石土壤蓄热技术。
砾石土壤蓄热技术：是以一种或者一种以上固态多孔性介质为承重性蓄热材料，以水、空气或者其他流体为换热介质的一种蓄热技术。如专利US4010731 （Harrison）公开了一种置于地下的蓄热体，蓄热体内填充具有一定孔隙率的蓄热材料，如水和砾石。蓄热体的周边由外往内分布设置高分子阻隔层和保温层。蓄热体内设置有挡板以保证蓄热材料内水流均匀，减小换热死角。专利WO2007109899（Menova Energy Inc.）公开了一种位于建筑物下方的地下蓄热体，蓄热体由至少两种蓄热材料组成，可作为建筑物的基础。蓄热体周边有保温层。专利US4466256（MacCracken）公开了一种含水土壤的蓄热方案。在由防水隔膜形成的容器内，填充水和土壤，并在不同高度设置流体管道，通过上述流体管道实现储热体的充放热操作。专利WO2014070096（Skanska Sverige AB）公开了一种土壤源分区蓄热技术方案，利用土壤蓄热体内的温度梯度，达到有效利用热能的目的。专利US20090101303（Michael Henze）和专利DE19929692（Bernd Scheuermann）分别公开了一种地下水和多孔介质蓄热技术，蓄热体内有至少一种多孔性固体建筑材料，可吸收并长时期保持水份。专利US7192218（Peters等）公开了一种地下水体、含水层蓄热技术，水体中设置隔离墙体，通过水在蓄热体介质缝隙通道内的流动实现充放热操作。
砾石也被用于高温储热。专利US20130206356（Pedretti）公开了一种高温卵石蓄热技术，蓄热温度不低于100ᵒC。该蓄热体中填充卵石或陶瓷材料等蓄热材料，周边由耐高温、抗应变的水泥墙体包裹。专利US7891187（Mohr）公开了一种用于热发电的多腔式固体储热器，该储热器从内向外分为不同的腔体，内层的腔体填充粒径较小的储热材料、外层的腔体内填充粒径较大的储热材料。专利US9085412（Saskura等）和US20150345873（R.J. Sasakura 和 D. O. Summers）公开了基于多孔储热介质的储热技术。水体砾石土壤蓄热技术属于固液两相蓄热技术，蓄热体具有自承重能力，蓄热体上部可用作建筑基础、停车场等用途，但多孔介质中流体传热受到了抑制，系统换热速率较低，因此充放热时温差较大；同时为增加换热效率，常需要在蓄热体内布置复杂的流体管道、挡板等，增加了系统的造价。
水体蓄热：是以水作为最要储热/冷材料的蓄热/冷技术。按功能用途可细分为蓄热和蓄冷技术。专利US4011736（Harrison）公开了一种位于地下的制冰、储冰储冷体及将其用于建筑空调的技术。专利US4240268（Yuan）公开了一种地下制冰、储冰储冷技术，储冷体周边由防水高分子材料和保温材料包裹。专利US4456056（T. J. Sills）公开了一种水体蓄热技术方案，水作为蓄热材料，通过水/冰的相变实现冬季供热、夏季制冷的目的。该蓄热体的顶部有漂浮的保温层，底部和侧面设置防水层和保温层。专利US5201606（Davis等）公开了一种储热储冷技术，该储热体配置一种导冰装置，可见冰导入到蓄热体的底部，提高了系统效率。
按水体底部和侧面是否采用保温措施，水体蓄热可细分为：无保温和有保温两类。在蓄热水体底部或侧面设置保温层的目的是抑制蓄热体和土壤间的热交换，达到降低蓄热体热损的目的。如专利US20130327317（JR Hendrickson）公开了一种带保温的水体蓄热方法及热水利用方法，采用一种进口温度分层装置。专利CN105841360（中国科学院电工研究所）公开了一种基于跨季节水体蓄热的太阳能中温供热系统，蓄热体底部和侧面设置有保温层，但专利并没有给出跨季节水体蓄热的实施方案。专利CN106678931（赫普热力发展有限公司）公开了一种跨季节自然水体蓄热和电极锅炉相结合进行火电厂调峰的系统，并给出了自然蓄热水体的实施案例，但是蓄热体蓄热温度较低（不高于80ᵒC），不能充分发挥水的蓄热潜力，降低了利用率和蓄热效率，并且专利没有给出温度分层器、周边保温层的技术方案，也没有给出将水体和土壤进行耦合蓄热的技术提示。
在蓄热水体的底部或者侧面不设置保温层的技术有专利US4031952（Bernard Contour）和专利CN102374571（张鸣）。前者公开了一种底部和侧面无保温的水体蓄热技术方案，该蓄热池被隔膜分为上下两部分，下部水体由核能或其他设施提供蒸汽加热，上部水体暴露于大气环境，水体的周边无保温措施。后者公开了一种大容积的地下蓄热池及其使用方式，该地下蓄热池周边由混凝土和钢结构组成，但是专利没有给出耦合周边土壤进行蓄热的技术方案和技术提示。
水体蓄热技术的优点是充放热速率大、蓄热介质热容大，但与砾石土壤蓄热相比，造价偏高。
水体+砾石土壤蓄热技术：基于水体和砾石土壤蓄热技术的优缺点，国内外有不少专利尝试将二者相互结合，取长补短。如专利US4159736（Denis 等）公开了三种蓄热技术方案，包括以砾石和水为储热介质的人工蓄热体技术方案、利用天然河床形成的自然蓄热体技术方案和以水为储热介质的水体蓄热技术方案。虽然专利同时公开了以砾石和以水为介质的不同蓄热技术方案，但是并没有给出将水体和砾石或土壤源耦合到一个蓄热体内的技术方案。专利CN102061708（宋振海）公开了一种可用于冷源、热源、水源及蓄能、储物的多功能窖，给出了分别以冰、水、金属、卵石为载体做冷、热及高热能存储，实现供能、供水或做物质储备的技术方案。但该多功能窖分为若干层，不仅建设成本高，同时空间利用率低。该专利也没有给出以水、卵石为载体储热的实施方案和技术提示。专利US4361135（Metz）公开了一种水加土壤源蓄热的技术方案，该蓄热体位于建筑物下部，由一个7.5-15 立方米的水箱和若干均匀排布于水箱周边土壤中的水平或垂直管道组成。通过上述管道中循环换热介质实现与土壤的热交换。专利US4452227（Lowrey III）公开了四种技术方案，利用太阳池下方土壤进行蓄热。一是在太阳能池下方埋管，通过上述埋管往土壤中注入水或者浓盐水达到与土壤换热的目的，根据流体介质和管道排布方式的不同衍生了三种方案。第四种方案是将太阳池及下方土壤置于不透水的隔膜层之内，通过在下部含水土壤中注入和抽取浓盐水达到换热目的。专利CN104236129（中盈长江国际新能源投资有限公司）公开了一种双层冷热两用无盐太阳池及跨季储能供冷供热系统。该双层冷热两用无盐太阳池由上层的无盐太阳池和下层的储能池构成，通过流体管道对太阳池和储能池进行换热操作。上述专利虽然都尝试将水体和砾石土壤源蓄热技术结合成一个蓄热体，但并没有给出有效将和水体和砾石土壤有机耦合的方案。如专利US4361135（Metz）中水箱和土壤源蓄热体有各自的换热装置，从水箱散失到周边土壤中的热量需要通过土壤中预埋的流体管道回收，增加了系统成本。专利US4452227（Lowrey III）和CN104236129（中盈长江国际新能源投资有限公司）都尝试将太阳池和土壤源蓄热体结合，但由于储能池/太阳池内流体与土壤中水体联通，将难以避免的造成地下水体流动，因此该技术方案的实施效果受地下水状态的影响极大。如果底部的土壤中存在地下水径流，将不可避免的带走土壤中高温水体，大大降低土壤蓄热体的蓄热效果。上述专利并没有给出防止地下水径流的具体措施。专利WO2011140112（D. M. Gandy）公开了一种土壤源换热装置和供暖制冷方法，该地热源换热装置内填充有换热流体，该装置周边填充蓄热介质，并在装置外侧设置换热强化结构，以强化换热流体与周边蓄热体的换热系数。该地热源换热装置内还设置有开孔的挡板，以扰动换热流体，增加换热系数。虽然换热装置内填充的流体也可储存一定的热量，但其容积与周边蓄热介质相比较小，其主要功能是实现活塞流式的热交换。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种大容积水池蓄热和土壤蓄热有机耦合的蓄热体，既可以充分利用蓄热水池充放热速度快、便于操作的优势，也可以在较低的成本下同时获得大容量的土壤蓄热体。本专利还提供了该耦合蓄热体的使用方法。
为达到上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
一种水体土壤耦合蓄热体，该耦合蓄热体位于地下水位之上，包括蓄热水体和土壤源蓄热体，土壤源蓄热体位于蓄热水体的底部四周，蓄热水体顶部设置漂浮保温盖，蓄热水体和土壤源蓄热体之间设置有热传导层，蓄热水体上设置有水体进出口。
所述水体进出口至少包括三个：至少一个位于蓄热水体底部的底部进出口，至少一个位于蓄热水体中部的中部进出口和至少一个位于蓄热水体顶部的顶部进出口。
土壤源蓄热体位于蓄热水体表面外侧的地表部分设置有刚性保温层。
热传导层至少包括柔性阻隔层和热传导增强层。
热传导增强层由至少一种热传导增强材料和至少一种承重材料混合而成。
本实用新型具有的技术效果：
1、不直接使用土壤源蓄热体，土壤源蓄热体的蓄热和放热过程都通过蓄热水池作为缓冲，既能充分体用土壤源蓄热的蓄热潜力，又保证了较高的蓄放热速率。
、在夏季，太阳能资源丰富但是用热需求低，大量盈余的太阳能可以通过蓄热水体实现快速储存，存入蓄热水体的一部分热量将进一步传递到土壤源蓄热体中，在土壤源蓄热体中存储的热量，虽然温度相对较低，但是数量巨大，可在冬季热能匮乏，蓄热水体中能量不足时，通过热传导的方法，从土壤返回到水体，实现热量的跨季节存储和利用。
、通过使用底部进出口、中部进出口和顶部进出口，实现两种蓄热模式：分层蓄热模式与水体土壤源耦合蓄热体温度重整模式和两个供热模式：直接供热模式、水体土壤耦合蓄热体热泵供热模式，其技术效果是蓄热水体形成温度分层，自上而下温度逐渐降低。蓄热水体顶部的水温高，底部水温低。顶部较高的水温，直接供热时可提高供热温度，减少辅助热源的使用量，间接供热时，可提高热泵蒸发端温度，进而提高热泵运行效率。蓄热水体底部较低的水温，一方面可降低蓄热水体底部的热损失，增强从土壤源蓄热体向蓄热水体方向的热量传递，提高周边土壤源蓄热体的利用率，另一方面，由蓄热水体底部取出水体使用太阳能集热器进行加热时，可提高太阳能集热器的光热转换效率。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明：
图1为本实用新型所述蓄热装置的剖面结构示意图；
图2为水体和土壤之间热量交换示意图；
图3为本实用新型所述蓄热装置供热方案示意图；
图4为蓄热装置直接供热方案示意图；
图5为蓄热装置另一种直接供热方案示意图；
图6为蓄热装置利用热泵进行温度重整方案示意图；
图7为蓄热装置利用热泵进行直接供热方案示意图；
图8为一种可选的水体土壤耦合蓄热体形状
其中：
1.柔性阻隔层、2.顶部柔性阻隔层、3.保温层、4.外部保护层、5.蓄热水体、6.围堰、7.土壤保护层、8.地下水位、9.热传导增强层、10.土壤源蓄热体、11.底部进出口、12.中部进出口、13.顶部进出口、14.人孔、15.防水阻隔层、16.刚性保温层、17.土壤、18.水源热泵、18a.水源热泵冷凝端、18b.水源热泵蒸发端、19.热用户。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本实用新型作进一步描述：
实施例1
本专利提出一种水体和土壤源蓄热有机耦合的GWh级蓄热装置，该蓄热装置位于地下水位8上方，由位于中央的蓄热水体5和位于蓄热水体周边的土壤源蓄热体10组成。蓄热水体5为中温蓄热体，顶部设置漂浮保温盖，顶部漂浮保温盖从内向外至少包括顶部柔性阻隔层2、保温层3和外部保护层4。土壤源蓄热体10为低温蓄热体，土壤源蓄热体位于蓄热水体5周边外的地表部分设置刚性保温层，刚性保温层自上而下至少包括土壤覆盖层7、阻隔层15和保温层16。蓄热水体5和土壤源蓄热体10之间设置有热传导层，热传导层从内向外依次包括柔性阻隔层1、保护层和热传导增强层9。热传导增强层9由至少一种热传导增强材料如矿石粉和至少一种承重材料如土壤混合而成。热传导增强材料的热传导率应尽可能地高，如至少是土壤热传导率的2倍以上。
在蓄热水体5中不同高度设置有至少三个进出口：至少一个位于蓄热水体5底部的底部进出口11，该底部进出口11与底部充分接近，一个优选的方案是底部进出口11和蓄热水体5底部之间距离不大于10 cm；至少一个位于蓄热水体中部的中部进出口12，一个优选的方案是中部进出口12将蓄热水体5一分为二，上述中部进出口12上方的水体体积和中部进出口12下方的水体体积相同；
至少有一个位于蓄热水体5顶部的顶部进出口13，顶部进出口13与顶部柔性阻隔层2充分接近，一个优选的方案是顶部进出口13与顶部柔性阻隔层2之间的距离不大于20 cm。
通过使用底部进出口11、中部进出口12和顶部进出口13，可实现两种蓄热模式：分层蓄热模式与水体土壤源耦合蓄热体温度重整模式和两个供热模式：直接供热模式、水体土壤耦合蓄热体热泵供热模式。
该装置的另一个特征是不直接使用土壤源蓄热体10，土壤源蓄热体10的蓄热和放热过程都通过蓄热水体5作为缓冲，既能充分体用土壤源蓄热的蓄热潜力，又保证了较高的蓄放热速率。
该装置的使用效果是：当热能资源包括太阳能、余热能等出现盈余时，将盈余的热能存储到蓄热水体5中，一种可选的分层蓄热模式是，将水通过底部进出口11从蓄热水体5中取出，进行加热，如果加热过的水温大于特定温度T1，则通过顶部进出口13返回蓄热水体5中；如果加热过的水温小于特定温度T1，则通过中部进出口12返回蓄热水体5中。另一种可选的分层蓄热方案是将水通过中部进出口12中取出，进行加热，加热过的热水通过顶部进出口13返回蓄热水体5中。
该专利的另一个使用效果是，蓄热水体5中的热量通过柔性阻隔层1和热传导增强层9以热传导的形式传递到土壤源蓄热体10，并在土壤源蓄热体10中形成一定的温度梯度。因为地下水位8位于土壤源蓄热体10的下方，土壤源蓄热体10内不存在地下水径流，因此避免了地下径流造成的额外热损失。如图2所示，在夏季，太阳能资源丰富但是用热需求低，大量盈余的太阳能可以通过蓄热水体5实现快速储存，存入蓄热水体5的一部分热量将进一步缓慢传递到土壤源蓄热体10中，在土壤源蓄热体10中存储的热量，虽然温度相对较低，但是数量巨大，可在冬季热能匮乏，蓄热水体5中能量不足时，通过热传导的方法，从土壤返回到水体，实现热量的跨季节存储和利用。
该装置可通过设计适当的管路，如图3所示，通过阀门的开启，灵活切换到不同的运行模式：直接供热模式、水体土壤源耦合蓄热体温度重整模式、水体土壤耦合蓄热体热泵供热模式。
下面针对三种运行模式详述之：
1、直接供热模式:
在能源匮乏时，首先使用蓄热水体5中的热量为热用户19供热。如图4所示，一种可选的热能提取方法是，将热水通过顶部进出口13从蓄热水体5中取出，为热用户19进行供热。如果冷却过的水温大于特定温度T2，通过中部进出口12返回蓄热水体5；
这时候的阀门状态为：
如果冷却过的水温小于特定温度T2，则通过底部进出口11返回蓄热水体5。
这时候的阀门状态为：
另一种可选的直接供热方案是将水通过中部进出口12从蓄热体5中取出，为热用户19进行供热，冷却过的水通过底部进出口11返回蓄热水体5，如图5所示。
这时候的阀门状态为：
2、水体和土壤源耦合蓄热体温度重整模式：
土壤源蓄热体10的容积大于蓄热水体5的容积，但土壤源蓄热体10的蓄热温度低于蓄热水体5的蓄热温度，当蓄热水体5的热量被使用时，蓄热水体5的下部和中部的水逐渐被冷却至低于土壤源蓄热体10的温度。土壤源蓄热体10中存储的热量以热传导的方式通过热传导增强层9和柔性阻隔层1进入蓄热水体5，提高了蓄热水体5的水温。如蓄热水体5的水温接近或低于特定温度T2，因温度T2低于供热系统供给温度T1，所以不能直接给热用户19供热。一种可选的方案是用热泵18对蓄热水体5进行温度重整，如图6所示，中部进出口12分别通过阀门V6连接水源热泵18的蒸发端18b进口，通过阀门V8，V3连接冷凝端18a的进口。底部进出口11连接水源热泵18的蒸发端18b的出口，顶部进出口13通过阀门V9，V4连接水源热泵18冷凝端18a的出口。蓄热水体5中、下部的水经过中部进出口12流出，通过阀门V6进入水源热泵18蒸发端18b，经热泵18冷却后通过底部进出口11返回蓄热水体5，同时蓄热水体5中、上部的水经过阀门V8、V3和水源热泵18的冷凝端18a进入热泵18，经热泵18加热后通过阀门V4、V9由顶部进出口13返回蓄热水体5。效果是，蓄热水体5中、下部的水被冷却到较低温度，如5-15ᵒC，而蓄热水体5中、上部的水被加热到较高温度，如接近供热温度T1。
这时候的阀门状态：
3、水体土壤耦合蓄热体热泵供热模式：
在有利的情况下，也可采用热泵对蓄热水体内的水进行温度提升后直接供给用热用户，如图7所示。蓄热水体5经中部进出口12、阀门V10、V6或顶部进出口13、阀门V9、V5、V6与水源热泵18的蒸发端18b进口连接。蓄热水体5经过底部进出口11与水源热泵18的蒸发端18b的出口连接。水源热泵18的冷凝端分别通过阀门V1、V2连接热用户的进出管路。蓄热水体5中的水经过中部进出口12或顶部进出口13进入热泵，进行温度提升至供热温度后，直接供给热用户。经热泵冷却后的水通过底部进出口11返回蓄热水体。中部进出口12或顶部进出口13的选取可根据中部进出口12和顶部进出口13处的温度做出有利的决定，一种优选的方案是在能够满足供热需求的情况下优先选取进出口12。
这时候的阀门状态时：
另一种方案是选取顶部进出口13，这时候的阀门状态为：
一种优选的特定温度T1为供热系统供给温度，如65-90ᵒC。一种优选的特定温度T2为供热系统回水温度，如30-50ᵒC。在有利的情况下，系统自动运行控制时，特定温度T1也可以为蓄热水体5顶部的测量温度，特定温度T2也可为蓄热水体5中部的测量温度。
上述的蓄热和供热模式中可根据需要配置换热器，将蓄热水体5中流体、热泵18中的流体、热用户换热介质、热源换热介质之间相互隔离，而不影响本专利的使用效果。
上述蓄热水体5和土壤源蓄热体10可为方形、圆形或其他不规则形状。可在综合考虑建设难度、造价等因素下，优选蓄热水体形状。一个优选的蓄热水体形状为倒置、去顶的金字塔形，如图8所示。
本领域技术人员将会认识到，在不偏离本实用新型的保护范围的前提下，可以对上述实施方式进行各种修改、变化和组合，并且认为这种修改、变化和组合是在独创性思想的范围之内的。