CN101389910B - 用于加热和/或冷却的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于分别将热能储存于地下能量储藏(1)中并且从地下能量储藏(1)中收回热能的方法，所述地下能量储藏包括至少四个孔(2)，通过所述孔(2)输送热载体并且由此分别加热或冷却大地(3)。本发明的特征在于基本上沿至少两个同心圆(10，11，12)布置所述孔(2)，将控制装置设置用于控制阀系统，将所述阀系统设置用于将热载体引导至沿一个圆布置的孔，并且由此分别加热或冷却沿所述圆的大地，当热载体的温度高于周围大地(3)的温度时，先于外部的圆加热内部的圆，并且当热载体的温度低于周围大地(3)的温度时，先于内部的圆冷却外部的圆。本发明还涉及一种设备。

Description

用于加热和/或冷却的设备和方法
本发明分别涉及一种用于在地下能量储藏中储存热能的方法，以及从所述储藏中收回热能的方法。
地球的各个地方具有不同的季节性变化。通常可以发现变化的模式是一年当中的某些部分是相对较冷的，而其它部分是相对较暖和的。在这些情况下，通常在较冷的时期中需要加热。相应地，通常在较暖和的时期中需要冷却。在世界的不同地方对于这种需求具有不同的程度，并且即使在相同的地方分别对于加热和冷却的需求也不总是具有相同的量级。
例如，房屋具有这种加热和/或冷却的需求。但是，应当意识到，其它类型的设施，如工业设施，在某些情况下也有加热和/或冷却的需求，这取决于设施的特性和取决于季节的平均空气温度。
现如今，经常会用到所谓的地热系统，即将大地用作用于加热和/或冷却设施的能量储藏。这意味着当大地平均要比空气更暖和一些时，可以在寒冷时期从大地采集热能。正相反，当大地平均要比空气更冷一些时，可以在暖和时期从大地采集冷量。人们可以看到，好象是在寒冷时期从大地排出热能，而在暖和时期向大地补充热能。因此，房屋例如可以通过将大地用作均匀化能量储藏而保持均匀的温度。这将使得对用于加热或冷却设施的额外供给能量的需求最小化。
在已知的这种能量储藏中，使用一个或多个竖直孔，在这些竖直孔中，热载体例如乙二醇和水的混合物通过孔中的管道向下进入大地并且随后返回到表面。在这个通路中，实施了与大地的热量的热交换，从而热载体或者向围绕所述孔的大地发出或是从围绕所述孔的大地接收热能或冷量。热泵可以结合抽取热量或冷量来使用。
这种常规的能量储藏或者可以被用于加热或冷却，或者两者均可。最常见的、特别是有关在较小的房屋中的温度控制是在寒冷时期用于加热的设备，但是在暖和时期它们是不工作的。
在较小的房屋的情况下，最普遍的用法是使用单独一个或仅仅几个孔。但是，还有使用不仅仅是几个孔的布置。在这些情况中，孔的管道要么可以串联连接或者可以并联连接，或者串联连接和并联连接结合，并且以各种几何布局分布，例如沿直线或以栅格形式。但是，对于所有这些已知的布置共同的是流过各个管道的热载体具有相同的温度并且恰好在同一时刻流入所有的孔中。这使得热能在同一时间被补充到所有孔中或者从所有孔中被采集。
这种能量储藏可以被安装在由岩石构成大地的地区，但是在由粘土、沙子等构成的大地上的安装也是可能的。在某些情况下，在安装过程中使用额外的支撑管或其它支撑装置。
同样已知的是使用这样一种能量储藏，即这种能量储藏中的热载体管道在孔的内部是部分隔热的，从而获得沿孔延伸方向的温度梯度。以这种方式，由于可以在竖直方向上控制大地中的可用热能的强度场，因此可以增加设备的效率系数。
现有技术伴随有几个问题。
首先，储存在孔周围的地下的热能或冷量可在远离所述孔的方向上径向地散失。例如，在寒冷季节，由于部分补充的热能已经通过大地并远离所述孔被传导，因此这将致使比在暖和季节通过孔补充的全部热能的总量更少的能量是可用的。这是由于周围的大地冷却了所述孔周围被加热的大地。反过来当然也是成立的，即如果围绕所述孔的大地在寒冷季节被冷却，这些储存的冷量在暖和季节将不能被完全地采集，因为当到了采集储存的冷量的时候，周围的大地会将冷却区域加热到一定程度。这种问题同样出现在使用多个孔的这种能量储藏中，因为这些已知的储藏恰好在某个特定的时间加热或者冷却包围所有孔的大地。
其次，普通的冷却效应例如出现在居住区。也就是说，在这些区域内，地热系统在冬季加热并且主要在夏季停止工作，并且地热系统通常彼此靠近地设置。无论是从太阳、大气和周围的大地向冷却的岩石的额外的热流都会出现这种现象。这种效应完全是长期的，并且成功地降低了所述区域内的地热系统的效率系数。因此，需要使用这样一种设备，即可以以更高效率与大地交换热量以及冷量，而不是单向地收回热能。
本发明解决了上述问题。
因此，本发明涉及一种用于分别将热能储存于地下能量储藏以及将热能从地下能量储藏收回的方法，所述地下能量储藏包括至少四个孔，通过这些孔输送热载体并且由此分别加热或冷却大地，其特征在于所述孔基本上沿至少两个同心圆布置，设置控制装置以控制阀系统，所述阀系统被设置用于将热载体引导至沿一个圆布置的孔中，并且由此分别加热或冷却沿所述圆的大地，当热载体的温度高于周围大地的温度时，内部的圆先于外部的圆被加热，当热载体的温度低于周围大地的温度时，外部的圆先于内部的圆被冷却。
本发明还涉及这种类型的设备并且其基本上具有如权利要求10中所描述的特征。
现在将结合本发明的示例性实施例和附图对本发明进行详细的描述。
附图1为根据本发明的能量储藏的简化俯视图；
附图2为从根据本发明的第一实施例的热孔侧看的剖视图；
附图3为本发明第二实施例的典型视图。
如附图1所示的能量储藏1，其包括13个彼此之间成一定距离地设置的热孔2，所述热孔2被钻入周围大地3中。所述孔2沿三个分别同心但是具有不同半径的圆10、11、12等距离地间隔开。如附图1中清楚所示的，最内部的圆的直径为零，位于这个最内部的圆10的热孔4实质上位于同心圆10、11、12的共同的圆心上。但是，这个条件不是必要的；相反，最里面的同心圆10可以具有不等于零的直径，由此沿最内部的圆10可以有多个等距离地间隔开的孔。
此外，例如附图1中所示的能量储藏1，同心圆的数量也不必需是三个，而可以是任何数量，但是至少有两个。同时，也无需使用圆形，相反，可以使用任何同心的、封闭的并且具有递增尺寸的几何图形组，如侧边具有递增尺寸的同心矩形。
孔2分布在各个圆10、11、12上，从而基本在所述孔能量储藏1上的每对两个相邻的孔之间的距离与其它对之间的距离一样大。这意味着沿外部的圆比沿内部的圆设置更多的孔2。在当前实施例中，这意味着沿外部的圆12比沿中间的圆11设置更多的孔2。取决于周围大地3的导热性，两个相邻孔之间的典型距离大约在3到10米之间，通常在5到7米之间。
能量储藏1中的每个孔2所具有的深度大约在50至250米之间，通常在150至200米之间。最外部的圆的直径大约在10至250米之间，通常大约为150米。
附图2示出了根据本发明第一实施例的在如附图1中所示的储藏中的热孔2中的一个。所述孔2从地面5被向下钻入大地3中。如果需要，基于大地的特性，可以设置不同的支撑结构如支撑管(未示出)，以便增加所述孔的稳定性。同时还可以使用用于密封所述孔2的装置(也未示出)。
U型管道23向下延伸进入所述孔2，基本上下降至孔2的底部21，进一步再向上至孔2的上端22。所述管道23可以由任何合适的材料制成，如聚乙烯。此后，管道24分别从阀系统6延伸到孔2和从孔2延伸到阀系统6。热载体8从阀系统6流动通过管道24、23向下进入孔2，向上穿过孔2，并回到阀系统6。热载体8可以是任何合适的流体介质，如水和乙二醇的混合物，并且优选地为防冻的。
同时，在孔2中具有温度测量线圈9，其基本上在孔2的整个长度上延伸。线圈9或者可以布置在管道23的内部、管道23的外部，或者可以直接布置在孔2的壁上。在各个这些情况中，温度测量线圈9因此测量热载体8的温度、孔2内部或是周围大地3中紧邻所述孔2的一部分的温度。在本实施例中，线圈9被设置在管道23的外表面上，但是以任何其他记载的方式设置线圈9也是完全可能的，并且仍然是不背离本发明的。
温度测量线圈9使用温度传感器25测量温度，沿孔2的延伸方向通常以间隔大约0.5米等距离地设置。但是基于设备的其他特性以及土壤的类型，温度传感器还可以以更大的间隔布置如间隔为1-5米。在附图2中，为了更清楚，温度传感器25没有按照比例被示出。线圈9与控制装置7如计算机结合。因此线圈9在孔2中的各个深度定期测量温度，并且将测量到的温度报告给控制装置7。
温度测量线圈9，包括温度传感器25，可以是任何合适的类型，其中一个例子是一种使用常规光学纤维线的光学读取设备。例如，这种设备从HydroReserch Sam Johansson AB，
Figure G2007800063649D00051
14，
Figure G2007800063649D00052
，Sweden可以买到。另一个例子是PT100型的一系列常规温度传感器。
随后，控制装置7被连接到阀系统6并且被设置用于控制阀系统6。阀系统6再被设置用于控制单个热载体8通过管道23、下降至孔2的流动。因此，控制装置7被设置以用于控制热载体8经由阀系统6通过孔2的流动。
此外，能量储藏1中的每个孔2设置有各自的这种温度测量线圈9，每个温度测量线圈9被联接到控制装置7上，每个孔2均设置有各自的阀系统6，并且控制装置7被分别联接到每个阀系统6上。因此，通过持续地以及单独地分别控制经过每个孔2的流动，控制装置7被布置用于控制热载体8流入能量储藏1中的每个孔2中的流动分配。
在操作过程中，控制装置7分别地控制热载体8经过孔2的流动，以便在孔2中测量的温度将会基本上等于沿相同的同心圆布置的每个孔中的温度。在本文中，术语“基本上相等”意味着沿相同的圆布置的两个孔之间的最大温度差异不超过大约1-2℃。
附图3示出了根据本发明的第二优选实施例的沿附图1中的同心圆10、11、12布置的孔2的典型视图。在附图3中，为了更清楚地示出，所述孔成一排被示出，尽管事实上它们实质上是沿附图1中的同心圆10、11、12中的一个布置的。
如附图2中所示，附图3的孔2具有U形管道23。这些U形管道23与管道31串联连接。同时与孔2串联连接的是阀系统6。因此，热载体8流过管道23、31，从阀系统6向下进入第一个孔2a，从第一个孔2a向上，下降至第二个孔2b，并且如此向前直到最后的孔2d，然后再次返回到阀系统6。
热载体8的温度通过使用第一温度传感器33测量，该传感器33被设置在阀系统6的出口与第一孔2a之间，以及可以通过使用第二温度传感器34测量，该传感器34被设置在最后的孔2d与阀系统6的入口之间。管道32从这两个温度传感器33、34延伸到控制装置7如计算机。温度传感器33、34可以是任何适合的类型，例如PT100型常规温度传感器。
此后，控制装置7被联接到阀系统6并被设置用于控制阀系统6，阀系统6再被设置用于控制热载体8经过管道23、31的流动，向下进入孔2。因此控制装置7被设置用于通过阀系统6控制热载体8经过孔2的流动。
此外，沿能量储藏1中的每个同心圆10、11、12的孔2具有各自的这种温度传感器33、34，每个温度传感器33、34被联接到控制装置7，每个同心圆10、11、12设置有各自的阀系统6，并且控制装置7被联接到每个各自的阀系统6上。因此，通过持续地以及单独地控制通过沿每个各自的同心圆10、11、12的孔2的流动，控制装置7被设置用于控制热载体8在沿能量储藏1中的每个各自的同心圆10、11、12的孔2中的流动分配。
在前面描述的第一和第二优选实施例中，热能可以被补充到能量储藏1中，或者可以从所述能量储藏1中采集。
在本文中，“补充能量”意味着通过从热载体8传递热能而将热能供给到能量储藏1中，所述热载体8在孔2中流过管道23，下降至大地3。这还意味着热载体8在经过能量储藏1中的孔2时被冷却，并且输入与输出温度之间的温度差可以被用于例如在一年当中相对较暖和的部分冷却房屋。即使可能出现由于气候、土地以及其他条件产生的变化，在冷却房屋的过程中的向下流入孔2中的热载体的温度典型地为5-18℃。离开所述孔的被冷却的热载体的温度典型地比输入温度低约2-6℃，通常低3-4℃。
在本文中，“采集能量”意味着热能以相反的方式从大地3被传递到热载体8中。因此，当需要时(如在一年当中相对较冷的部分)，可以使用例如加热热载体8来加热房屋。即使可能出现由于气候、土地以及其他条件产生的变化，当加热房屋时向下流入孔2中的热载体的温度典型的为-3-7℃。离开所述孔的被加热的热载体温度典型地比输入温度高大约2-6℃，通常高3-4℃。
值得注意的是补充能量储藏1时，被加热的孔周围的大地3的温度升高，并且在采集能量时大地3的温度类似地降低。
与使用现有技术中的能量储藏相比，使用根据本发明的能量储藏1在采集先前补充的热能时可以实现高得多的效率。这通常是通过从储藏1的中心向外补充热能，以及通过从储藏1的外周向内采集热能实现。这降低了由于热量在能量储藏1的外围散失而引起的损失。
因此，由于可以在设置成比最初补充所述热能的圆更加远离中心的圆处采集所散失的热能的大部分，从最初开始补充热能的内部的孔散失的热能的大部分在采集时是可以利用的，尽管在那个时候所述热能的一部分已经散失远离所述内部的孔。当在最外部的圆上的热交换相当低时，开始对更向内设置的圆采集热能，并且这样向前进行下去直到采集过程一直移动到最内部的圆时。当从沿这些圆或沿这个圆的孔的热交换减小到零时，能量储藏1已经被耗尽，并且与传统能量储藏相比，获得被补充热能的相当更大部分进行利用。
因此，通过利用分别以半径增加或半径减小的顺序一个接着一个排列的同心圆10、11、12来补充和采集热量，在能量储藏1中分别从中间向外补充热能以及从外周向内采集热能。根据测量温度的地点，可以应用用于沿按顺序的下一个圆开始分别补充和采集热能的各种条件。在沿每个各自的同心圆10、11、12的每个各自的孔2中的温度被测量的情况下，优选所述条件是在沿着此时分别补充或采集热能的圆的孔中的温度应当基本上与沿按顺序的前一个圆的孔的温度一样高。当在连接沿同心圆的所有孔2的管道31中测量温度时，一个优选所述条件是沿着此时分别补充或采集热能的圆的孔的管道的温度应当基本上与连接沿按顺序的前一个圆的孔的管道中的温度一样高。但是，应当意识到其他条件也是可以的和适用的，其中取决于温度传感器25、33、34的布置，并且取决于阀系统6控制热载体8经过热储藏1中的孔2的流动的控制方式。
在本文中，“基本上等于”意思是沿相邻的圆上的两个孔之间的最大温度差异不超过大约1-5℃。
此外，当能量储藏缺乏热能时，最外面的井(wells)可被用于常规的地热孔，以便因此可以采集比之前储存在能量储藏1中的热能更多的热能。
在上文中，示例性实施例已经被公开。但是本发明可以在不背离本发明的前提下进行改变。因此，不能认为本发明受这些示例性实施例的限制，而本发明仅受附加的权利要求的限制。

Claims (16)

1.一种用于分别将热能储存于地下能量储藏(1)中并且从地下能量储藏(1)中收回热能的方法，所述地下能量储藏包括至少四个孔(2)，通过所述孔(2)输送热载体(8)并且由此分别加热或冷却大地(3)，基本上沿至少两个同心圆(10，11，12)布置所述孔(2)，将控制装置(7)设置用于控制阀系统(6)，将所述阀系统(6)设置用于将热载体(8)引导至沿一个圆布置的孔，并且由此分别加热或冷却沿所述圆的大地，其特征在于，热载体(8)流过管道(23、31)，从阀系统(6)向下进入第一个孔，从第一个孔向上，下降至第二个孔，并且如此向前直到最后的孔，然后再次返回到阀系统(6)，当热载体(8)的温度高于周围大地(3)的温度时，先于外部的圆加热内部的圆，并且当热载体(8)的温度低于周围大地(3)的温度时，先于内部的圆冷却外部的圆，将所述孔(2)的深度设置为50米至250米之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用至少一个温度传感器(25，33，34)测量沿每一个圆(10，11，12)的温度，所述控制装置(7)控制阀系统(6)以便控制每个相邻圆之间的温度差异，并且在当前分别被加热或冷却的圆中的热载体与相邻的圆之间的温度差异低于预先设定值时，开始对下一个圆分别进行加热和冷却。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过使用至少一个温度传感器(25)单独地测量每个孔(2)中的温度，所述控制装置(7)控制阀系统(6)，所述阀系统(6)再单独地控制施加在每个孔(2)上的加热或冷却效果，从而使得分别基本沿所述相同的同心圆(10，11，12)布置的孔(2)之间的最低温度与最高温度之间的差异在整个圆(10，11，12)上处于预先设定值以下。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述热载体(8)引导到U形管道(23)中、向下进入每个孔(2)中并且从每个孔(2)向上。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在能量储藏(1)中当前热能含量最低的圆处从所述能量储藏(1)中采集冷量。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述孔(2)之间的距离设置在2至10米之间。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将最外部的圆的直径设置在10至250米之间。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述孔(2)的直径设置在10至50厘米之间。
9.一种用于分别将热能储存于地下能量储藏(1)中并且从地下能量储藏(1)中收回热能的设备，所述地下能量储藏包括至少四个孔(2)，通过所述孔(2)输送热载体(8)并且由此分别地加热或冷却大地(3)，所述孔(2)基本上沿至少两个同心圆(10，11，12)布置，控制装置(7)被设置用于控制阀系统(6)，所述阀系统(6)再被设置用于将热载体(8)引导至沿一个圆布置的孔，并且由此分别加热或冷却沿所述圆的大地，其特征在于，热载体(8)流过管道(23、31)，从阀系统(6)向下进入第一个孔，从第一个孔向上，下降至第二个孔，并且如此向前直到最后的孔，然后再次返回到阀系统(6)，所述控制装置(7)被设置用于控制阀系统(6)从而当热载体(8)的温度高于周围大地(3)的温度时，内部的圆先于外部的圆被加热，以及控制所述阀系统(6)从而当热载体(8)的温度低于周围大地(3)的温度时，外部的圆先于内部的圆被冷却，所述孔(2)的深度被设置为50米至250米之间。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，至少一个温度传感器(25，33，34)被设置用于测量热载体(8)的温度，所述热载体(8)被输送穿过沿每一个圆(10，11，12)的孔(2)，并且所述控制装置(7)被设置用于控制所述阀系统(6)，所述阀系统(6)再被设置用于控制每个相邻的圆之间的温度差异，从而在当前分别被加热或冷却的圆中的热载体与相邻的圆之间的温度差异低于预先设定值时，开始对下一个圆分别进行加热和冷却。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，至少一个温度传感器(25)被设置用于单独地测量每个孔(2)中的温度，所述控制装置(7)被设置用于控制所述阀系统(6)，所述阀系统(6)再被设置用于单独地控制提供给每个孔(2)的加热或冷却效果，从而使得分别基本沿相同的同心圆(10，11，12)布置的所有孔(2)的最低温度与最高温度之间的差异在整个圆(10，11，12)上处于预先设定值以下。
12.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，U形管道(23)被设置用于引导所述热载体(8)向下进入每个孔(2)并且从每个孔(2)向上。
13.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，所述控制装置(7)被设置用于控制所述阀系统，以便在能量储藏(1)中当前热能含量最低的圆处从所述能量储藏(1)中采集冷量。
14.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，所述孔(2)之间的距离在2至10米之间。
15.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，最外部的圆的直径在10至250米之间。
16.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，所述孔(2)的直径在10至50厘米之间。
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