太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统的制作方法

本发明涉及到新能源，特别是新能源开发和储存领域，特别涉及到太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统。

背景技术：

在世界上大多数地区都存在季节变化，拥有明显变换的四季才会体现生命的生长。人类宜居的环境随着维度的变换逐渐减少，太热和太寒冷的区域都算是宜居的地方，最后人类都会选择拥有四季变化的区域进行居住和生活。太阳是大自然赐予人类的优质能源，但是其随着季节变化又有着不均衡，使得有时热的受不了造成热量能源的浪费。寒冷的季节太阳能源又不够人类使用，造成冷热不均。地热能源是指埋藏在浅层的地热，其基本保持恒定温度，可以抽取出来进行人类应用，提供适宜人类的干净整洁能源，但是其品味不高。如果专门在固定区域抽取这些能源，容易造成该区域的能源抽取明显难以及时扩散补充，影响其热量效率，故而现有的地热泵都是利用电能来补充能源，造成能源难以充分利用。

现有技术中有人将地热能源与太阳能能源结合起来，将富余的太阳能存储在地下。实用新型cn208751059u提供了一种浅层地热能与太阳能复合外墙保温降温系统。该专利中直接利用浅层地热能这一低品位能源并以太阳能作为辅助能源，对建筑物外墙冬季加热保温与夏季冷却降温，可降低建筑物外墙能耗10％-50％；利用太阳能热水系统在过渡季节为土壤补热，解决土壤吸排热不平衡问题，实现浅层地热资源可持续开发利用。上述现有技术中对于太阳能的吸收和存储有一定作用，但是无法实现高品位能源与低品位能源的综合高效实用，而且使用时难以有效控制，很难在不增加额外能源消耗的前提下在居住空间造成适宜舒适的居住环境。

技术实现要素：

本发明专利目的是为了克服上述现有技术存在的不足，提供太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统。本发明的系统能够充分利用太阳能和浅层地热能源，通过水作为介质，将冬季的冷空气水洗净化后进行热交换，从而将温暖空气输入至居民用户中使用。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统，其特征在于，该综合利用系统包括有太阳能取热模块、浅层地热储能取热模块、能源储存及热交换模块、水循环管路和空气循环管路，在所述太阳能取热模块、浅层地热储能取热模块、能源储存及热交换模块之间设有水循环管路，在所述能源储存及热交换模块与热空气利用空间之间设有空气循环管路；

在春、夏季节，所述太阳能取热模块吸取的太阳能富余热量转化为热水，通过水循环管路输送至浅层地热储能取热模块的地埋管中，地埋管附近的地层吸收地埋管中热水的能量以实现富余太阳能热量的一级储存；

在秋、冬季节，通过浅层地热储能取热模块将地埋管附近地层自身热量以及储存的热量抽取出来用以加热能源储存及热交换模块内的水,将地热本身和储存的热量能源从浅层地层中抽取出来储存在能源储存及热交换模块中的水中作为二级储存；

将能源储存及热交换模块中储存有热量的水进行雾化，雾化的水汽对空气进行净化和热交换，形成湿热空气，再经过水汽分离后将温暖空气抽出后输入至热空气利用空间内利用，所述热空气利用空间内的空气通过空气循环管路输入至所述的能源储存及热交换模块中进行净化和热交换实现循环。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述太阳能取热模块包括有太阳能热水器、给水管路和出水管路，所述出水管路上设有第二三通分水阀，所述给水管路上设有三通合流阀；

所述浅层地热储能取热模块包括有第一分水器、地埋管组和第二分水器，所述地埋管组包括有多根平行的地埋管，地埋管均埋入至地面下面的浅层地热层中，所述地埋管的入口均并列连接至第一分水器上，所述地埋管的出口均并列连接至第二分水器上，所述第二分水器的出口通过水管连接一个第一三通分水阀，所述第一分水器的入口通过管路连接至第二三通分水阀的一个分水管路，第二三通分水管路的另一个分水管路上连通一个第三三通分水阀；

所述能源储存及热交换模块包括有水雾化喷头、混水池和水净化池，在能源储存及热交换模块内的上部设有多个向下布置的水雾化喷头，该水雾化喷头共用一根输水管路，在能源储存及热交换模块内的底部设有相邻的混水池和水净化池，所述混水池与水净化池通过管路连通，在混水池内设有抽水管，该抽水管通过管路连通至水雾化喷头的输水管路上，与所述抽水管连接的管路上设有用于抽水的循环泵，所述的水净化池内设有浸没在水中的换热装置，该换热装置的进口通过水管连通第一三通分水阀的一个分水管路，该第一三通分水阀的另一个分水管路通过水管连通三通合流阀的一个合流支路，所述换热装置的出口通过水管连通与所述第三三通分水阀上一个分水管路连接的水管上，两根水管之间通过三通接头连接汇集后连接至所述第一分水器的入口上，与所述换热装置出口连接的水管上设有单向阀；所述水净化池的侧壁上设有水净化池出水口，该水净化池出水口通过水管连通至三通合流阀的另一个合流支路上，在与水净化池出水口连通的水管上设有循环泵，所述混水池的侧壁上设有混水池入口，该混水池入口通过水管连通第三三通分水阀的一个分水管路上，该第三三通分水阀另一个分水管路作为生活用水管路；

所述热空气利用空间内设有出风口和排风口，跟所述出风口连通的为出风管路，与所述排风口连通的为排风管路，所述出风管路通过气体管道连通至所述能源储存及热交换模块的空气出口，所述的排风管路通过气体管道连通至所述能源储存及热交换模块的空气进口，在所述能源储存及热交换模块的空气出口位置处设有气液分离装置，该气液分离装置上分离的水分回流至所述能源储存及热交换模块的水净化池中，在所述水净化池中还设有进水过滤网和补水管口；

所述的第一三通分水阀、第二三通分水阀、第三三通分水阀、三通合流阀、单向阀、第一分水器、第二分水器和循环泵均电气连接至电气控制箱。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述能源储存及热交换模块内水雾化喷头呈整列布置，带有温度的雾化水汽充满能源储存及热交换模块对进入的空气进行水洗净化与热交换，净化热交换后的湿热空气通过空气出口引出，再利用气液分离装置分离水汽，带有热量的空气输入至所述热空气利用空间用于采暖使用。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述太阳能取热模块利用太阳能热水器在春、夏季获取太阳富余热量，加热后水循环至所述浅层地热储能取热模块的地埋管组中，处于浅层地热层的地埋管储存带有热量的热水并将其传导至地埋管附近的地层中，通过定期循环来加热地层中的土壤温度实现春、夏季富余太阳能热量的储存，地层中地埋管相邻的土壤内储存的富余太阳能热量在秋、冬季节通过水循环管路输送至所述能源储存及热交换模块中，通过换热装置来加热水净化池中的水，加热后热水流入混水池中，通过雾化该热水实现与来自所述热空气利用空间的冷空气进行热交换，加热后作为暖空气再循环至所述热空气利用空间中，实现干净温暖空气的输入和利用。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述的热空气利用空间为居民生活房屋、商业办公房屋以及大型公共建筑空间。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述热空气利用空间内入户的出风口位置设有温度传感器、湿度传感器和风量传感器，热空气利用空间内还有控制单元，该控制单元连接所述的温度传感器、湿度传感器、风量传感器以及进口可调开关，该进口可调开关控制进风量大小。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，作为替换方案，太阳能使用时除了使用太阳能热水器以外，还可以使用太阳能冷水器，这样利用太阳能源对流经的水进行冷却，使其低于环境温度和浅层地热层的温度，从而将其存储在浅层地层中。使用时抽出来作为冷却能源储存及热交换模块中，从而利用作为冷却能源使用，达到降低使用空间温度的目的，实现与上述热水器方案的不同区域使用、以及不同季节错配使用。

基于上述技术方案，本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统与现有技术相比具有如下技术优点：

1.本发明专利的综合利用系统，将太阳能和地热能及储存的热能汇集到一起，设计了二级能源储存的方式，通过设置专门的能源储存及热交换模块来实现将热能储存在水中并通过循环补充能源来保持温度，再通过喷淋热交换的形式将热量传导至空气中，从而将冷空气加热后进行利用，达到四季均衡的热量储存和供应，本发明简化设备和操作流程，不需要设计专门的地源热泵和空气源热泵，减少能源消耗，从而智能化实现室外空气的净化和加热，满足日常所需。

2.实现整体操作的节能环保，太阳能吸收能量后加热水介质，将加热后的水介质输入至浅层地热的管道中储存，利用大地浅层地热层实现保暖蓄能作为一级能源储存，待需要使用时再通过循环到能源储存及热交换模块的水净化池中，将水净化池中的水加热作为二级能源储存，从而实现能量的充分存储和保存，待到使用时再提取出来。

3.本发明专利专门利用能源储存及热交换模块来实现室外空气的净化操作和喷雾热交换操作，一次性在能源储存及热交换模块中实现空气净化和热交换功能，从而实现了室内空气的整体净化和热交换的智能化运作，提供舒适的生活空气环境。

4.本发明的太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统采用梯级能源技术，将高品位的太阳能热源、水净化池中的中品味热源和低品位的浅层地热能源综合应用，实现整体区域的供暖操作，从而改变冬季采暖的模式，充分利用了自然能源，促进新能源事业的发展。

附图说明

图1是本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统的整体组成框架示意图。

图2是本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统的整体组成示意图。

图3是本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统的水循环管路的组成示意图。

图4是本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统的空气循环管路的组成示意图。

具体实施方式

下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解本发明的技术方案组成和工作流程，但不能以此来限制本发明的保护范围。

先请看图1，图1是本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统的整体组成框架示意图。由图可知，本发明是太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统，该高效利用系统包括有太阳能取热模块1、浅层地热储能取热模块2、能源储存及热交换模块3、热空气利用空间4、水循环管路和空气循环管路。在所述太阳能取热模块1、浅层地热储能取热模块2、能源储存及热交换模块3之间设有水循环管路，在所述的热空气利用空间4与所述能源储存及热交换模块3之间设有空气循环管路。本发明构建了二级能源储存方式，先将富余的太阳能能源传到到浅层地热层中储存作为一级能源储存作为跨季节的能源转移存储，在使用时将热量抽取出来储存在能源储存及热交换模块3中作为二级能源储存，作为使用时的能源储存形式。通过两个层级的能源储存，实现跨季节能源调配，使用时平稳利用和高效利用。

在春、夏季节，所述太阳能取热模块1吸取的太阳能富余热量转化为热水，通过水循环管路输送至浅层地热储能取热模块2的地埋管中，加热地层中地埋管附近的土壤以实现富余热量的储存，地埋管附近的热量储存成为一级能源储存；在秋、冬季节储存的热量通过浅层地热储能取热模块2将地埋管附近自身热量以及储存的热量抽取出来用以加热能源储存及热交换模块3内的水，能源储存及热交换模块3中热量储存作为二级能源储存，再将加热后的水进行雾化，空气与雾化的水汽进行净化和热交换，形成湿热空气，再经过水汽分离后将热空气输入至热空气利用空间4内作为新风来源和取暖气体来源，热空气利用空间4内的空气通过空气循环管路输入至所述的能源储存及热交换模块3中进行热交换，通过热量交换平衡，满足热空气利用空间4的使用要求。

如图2所示，在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述太阳能取热模块1包括有太阳能热水器、给水管路和出水管路，所述出水管路上设有第二三通分水阀7，所述给水管路上设有三通合流阀5。太阳能热水器可是单台大容量热水器，也可以是多个台太阳能热水器组成的组合。采用太阳能热水器主要是将采集到的太阳能热量转化为热水，利用热水将太阳能量储存，再利用热水作为生活用水或者转化为其他形式来存储热能。对于太阳能热水器来说，需要补水到水箱中，水箱中水经过太阳能热管加热后吸收热量，从而提高温度成为热水，热水再汇集后经过出水管路流出。从而实现将太阳能热量转化为热水中的热量。在太阳能充足的地方，尤其在春夏等太阳能富裕季节，会大量地生成热水，这些热水应用不完会造成浪费。而在秋冬等季节，需要利用热能的时间太阳能热量又够利用，必须从其他能源来补充热量，造成额外的能源消耗严重。

所述浅层地热储能取热装置2包括有地埋管组、第一分水器14和第二分水器12，所述地埋管组包括有多根相对平行设置的地埋管13，地埋管13一般是向下埋入至地面以下的浅层地热层中，所述地埋管13的入口并列连接至第一分水器14上，所述地埋管13的出口均并列连接至第二分水器12上。两个分水器的作用是将多路地埋管汇集起来，并且能够控制任何一路地埋管的开合。对于浅层地热而言，地埋管13的数量要足够多，并且打入到地下浅层地热层中，通过吸收浅层地热层中蕴含的热量使得地埋管中的水温度与地温相同。地埋管13有两个作用，一个作用是在平时吸收浅层地热层中蕴含的热量，与平时地源热泵地埋管的功能相近，但是该浅层地热层中蕴含的热量可以原有的地热，也可以是后续交换储存的热量。另一个作用是将从太阳能热水器中获得的热水循环到地下静置，使得热水的热量在浅层地热层中进行热交换，将地埋管中的热量扩散到浅层地热层中地埋管附近的地层中，加热地层的温度实现储能，待地埋管中水温下降到与地层温度接近时，再将其抽出来循环到太阳能热水器进行加热，通过长时间，大容量的热交换，逐步将浅层地热层中地埋管附近的地层加热实现储能。

为了实现上述水的循环流动，在所述浅层地热储能取热装置2上设置了管路和电磁阀，其中，所述第二分水器12的出口通过水管连接有所述的第一三通分水阀6的总进水口，在第二分水器12与第一三通分水阀6之间的水管上设有第三循环泵19，所述第一分水器14的入口通过管路连接至第二三通分水阀7的一个分水管路，第二三通分水阀7的另一个分水管路上连通一个第三三通分水阀8的总进水口。对于三通分水阀来说，其具有一个总进水口和两个分水管路，可以分别控制两个分水管路的开合状态，选择那一路水路打开后者关闭。

如图3所示，上述能源储存及热交换模块3中包括有水雾化喷头18、混水池15和水净化池16。所述的能源储存及热交换模块3可以设置于地表以下的土层中，也可以设置于地面上一个专门的空间内，只要能够实现其功能可以放置到任何一个有利的位置。能源储存及热交换模块3的内部属于保温空间，减少与外接的热交换以保持能源不向外泄露。在能源储存及热交换模块3的内部，其上部设有多个水雾化喷头18，水雾化喷头18的喷洒方向可以是向下，也可以是向上，或者是向其他方向，目的是通过喷雾使得整体空间内充满雾化后的热水，便于与冷空气进行热交换。多个上述水雾化喷头18共用一根输水管路，通过输水管路向每个水雾化喷头18提供水源。在能源储存及热交换模块3内的底部设有相邻的混水池15和水净化池16，所述混水池15与水净化池16通过管路连通，使得水净化池16的热水可以流入到混水池15中。在混水池15内设有抽水管，该抽水管通过管路连通至水雾化喷头18的输水管路上，与所述抽水管连接的管路上设有用于抽水的第一循环泵10，该第一循环泵10与抽水管组合相当于一个从混水池15中抽水的水泵，特点是可以通过控制第一循环泵10实现量化控制，控制水的流量和压力。

水净化池16作为主要的能源储藏空间，可以视为一个保温水箱，作为整个在能源储存及热交换模块3的能量储存点，其具有保温保暖的功能，使得内部储藏的热水中热源减少不必要的损失。在所述的水净化池16内设有浸没在水中的换热装置17，换热装置17可以是一组金属散热片，该换热装置17的进口通过水管连通第一三通分水阀6的一个分水管路，该第一三通分水阀6的另一个分水管路通过水管连通三通合流阀5的一个合流支路。所述换热装置17的出口通过水管连通与所述第三三通分水阀8上一个分水管路连接的水管上，两根水管之间通过三通接头连接汇集后连接至所述第一分水器14的入口上，与所述换热装置17出口连接的水管上设有单向阀9。换热装置17的作用是将浅层地热储能取热装置2输送来的热量交换至水净化池16中的水中，使其温度上升成为热水，从而储存热量。热交换后的水再通过单向阀9和管路汇集后输送到浅层地热储能取热装置2中，实现冷热交换和能量的位置转移。所述水净化池16的侧壁上设有水净化池出水口，该水净化池出水口通过水管连通至三通合流阀5的另一个合流支路上，在与水净化池出水口连通的水管上设有第二循环泵11，水净化池16的水可以在第二循环泵11的作用下经过三通合流阀5输送到所述太阳能取热模块1的太阳能热水器中作为给水的一个来源，利用水净化池16的经过加热后的水作为给水来源，提高了给水的温度，使得太阳能热水器更高效地快速加热水，提高循环效率。所述混水池16的侧壁上设有混水池入口，该混水池入口通过水管连通第三三通分水阀8的一个分水管路上，该第三三通分水阀8另一个分水管路作为生活用水管路，该生活用水管路可以输送到热空气利用空间4中作为生活用水使用，提高太阳能热水器的使用效率。所述的混水池15汇集了高品位热源和低品位热源，太阳能热水器出来的热水作为高品位热源输入至混水池15中，水净化池16中的相对低品位热源也汇集至混水池15中，混合后使用，从而做到高低温混合利用，提高综合使用效率。

在所述水净化池17中还设有进水过滤网和补水管口，任何进入到水净化池17中的水都要经过多层过滤网的过滤，无论是外界输入还是气液分离后流回来的水都要过滤，确保水净化池17中的水干净卫生。对于水净化池17中水处于封闭循环，基本不流失，为了确保保持一定水位，设计了作为补充方案的补水管口，可以根据需要进行水量补充。

在所述能源储存及热交换模块3的底部设有临时存水空间，雾化热交换后的水落下后汇流至临时存水空间中，气液分离后流回的水经过过滤后也汇流至临时存水空间中，在临时存水空间中的水温度低于水净化池17中的水温，在临时存水空间与水净化池17之间设有连接管路，在连接管路上设有单向阀，该单向阀控制流向水净化池17的水流流量和时间。在雾化热交换工作进行当中，临时存水空间内储存回流的水，在雾化热交换工作停止时，再将临时存水空间内的储存的水流向水净化池中加热，以备后续使用。

如图4所示，上述的热空气利用空间4为居民生活房屋、商业办公房屋以及大型公共建筑空间。在所述热空气利用空间4内设有出风口和排风口，跟所述出风口连通的为出风管路，与所述排风口连通的为排风管路，所述出风管路通过气体管道连通至所述能源储存及热交换模块3的空气出口，所述的排风管路通过气体管道连通至所述能源储存及热交换模块3的空气进口，在所述能源储存及热交换模块3的空气出口位置处设有气液分离装置，该气液分离装置上分离的水分回流至所述能源储存及热交换模块3的水净化池16中。经过能源储存及热交换模块3处理完成干净的、温暖的空间输送到热空气利用空间4中使用，既能够实现空气净化，又能够提供温暖空气，从而在热空气利用空间4制造出一个适宜舒适的空气环境。我们将热空气利用空间4和能源储存及热交换模块3之间构建空气循环管路，将空气在两个空间内循环，可以起到两个作用。第一是将热空气利用空间4原有的低温度的空气以及污浊的空气输送到能源储存及热交换模块3中，实现空气的净化与热交换；第二是循环稳定以后，热空气利用空间4内也是高品位空气，在与能源储存及热交换模块3的水雾热交换时降低温度损失，提高交换效率也降低能量浪费。

对于整个系统来说，所述的第一三通分水阀6、第二三通分水阀7、第三三通分水阀8、三通合流阀5、单向阀9、第一分水器14、第二分水器12、第一循环泵10、第二循环泵11和第三循环泵19均电气连接至电气控制箱，通过电气控制箱统一控制各个关键节点的启停开合，从而使其自动运作。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述太阳能取热模块1利用太阳能热水器在春、夏季获取太阳富余热量，循环至所述浅层地热储能取热模块2的地埋管组中，处于浅层地热层的地埋管储存带有热量的热水并将其传导至地埋管附近的地层中，通过定期循环来加热地层中的土壤温度实现春、夏季富余太阳能热量的储存，地层中地埋管相邻的土壤内储存的富余太阳能热量在秋、冬季节通过水循环管路输送至所述能源储存及热交换模块中，通过换热装置来加热水净化池中的水，加热后热水流入混水池中，通过雾化该热水实现与输入的所述热空气利用空间的冷空气进行热交换，加热后作为暖空气再循环至所述热空气利用空间中，实现干净温暖空气的输入和利用。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述能源储存及热交换模块3内水雾化喷头18呈整列布置，带有温度的雾化水汽充满能源储存及热交换模块3对进入的空气进行净化与热交换，净化热交换后的湿热空气通过空气出口引出，再利用气液分离装置分离水汽，带有热量的干燥空气输入至所述热空气利用空间用于采暖使用。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述能源储存及热交换模块3的水净化池16中设计有过滤网，凡是流入的水都要经过过滤网实现过滤。从而保证水净化池16中都是干净整洁的热水，不受外界污染。流入的水主要是气液分离后回流的水和雾化后凝结流下的水分，以及在水净化池连接的外部水管输入补充损耗的补水，作为相对封闭的水净化池16还是需要连接一个外接水管来补充水分。

在本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统中，所述热空气利用空间4内入户的出风口位置设有温度传感器、湿度传感器和风量传感器，热空气利用空间4内还有控制单元，该控制单元连接所述的温度传感器、湿度传感器、风量传感器以及进口可调开关，该进口可调开关控制进风量大小。

为了扩大本发明综合利用系统的使用范围，在太阳热能充足的区域，还可以利用太阳能来制作冷水，通过太阳能冷水器将水温度降低下来，并且通过热交换来储存在地下浅层地热层中，待需要时将其提取出来，经过二级储存并高效利用，用来向较热的用户空间内提供冷空气，对热带等炎热区域进行降温去暑，从而达到热量的综合高效应用，充分利用高品位能源和低品位能源来实现均衡使用。

本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统在使用热水能源时，若水净化池16中的温度处于20-38℃时，关闭太阳能热水器，直接从能源储存及热交换模块3中具有保温功能的水净化池16中获取能源；若使用一段时间后水净化池16中的温度低于20摄氏度时，则利用太阳能热水器循环热水至能源储存及热交换模块3的水净化池16中进行补充热量，即水净化池中热水不足以应用时，再将太阳能取热模块1中热水取来补充能源储存及热交换模块3的热量达到要求，若二者组合也无法满足能源需求时，则最后再从浅层地热储能取热模块2中抽取热水来利用地热能和原来储存的能源。从而实现多层次能源的利用，达到能源的长时间均衡使用。

本发明太阳能和浅层地热能混合储能的高效利用系统重点均衡利用太阳能、浅层地热等能源，将其自然存在的错配状态进行调整，减少能源浪费，提高使用效率。在太阳能充足的地区，充分利用季节变化的特点，在春夏季将太阳能富裕的能量存储起来，待到秋冬季节再将地热能以及储存的能源提取出来，进行充分利用。目的是在节能的前提，提供更为舒适的居住和生活环境。当然了，除了上述提供的实施例以外，本发明专利申请还包括其他类似的结构组成和基于该思路的设计。总而言之，本发明的保护范围包括其他对于本领域技术人员显而易见的变换和替代。