CN101523124A - 主动热能存储系统 - Google Patents

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CN101523124A CN 200780038437 CN200780038437A CN101523124A CN 101523124 A CN101523124 A CN 101523124A CN 200780038437 CN200780038437 CN 200780038437 CN 200780038437 A CN200780038437 A CN 200780038437A CN 101523124 A CN101523124 A CN 101523124A
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莱斯利·莱费尔
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Abstract

公开了一种热能存储系统(1、55、68、86、92、98)，其使用在大气压及气温下稳定并具有高于32华氏度的熔点的热能存储材料(8)。这种热能存储材料(8)盛在存储罐体(6)中用作能量存储源，从该材料中，热能存储系统(例如：热泵(82))可以取出能量为住宅或商用建筑提供热能及相关的热水。该热能存储材料也可以容纳来自于传统空调(56)的废热，其可以被用于收集昼间时间的能量，将收集到的能量存储于热能存储材料(8)中。然后，所存储的能量可以在夜间时间使用，以加热建筑的回流空气(46)，该建筑中装设有所述系统(1、55、68、86、92、98)。

Description

主动热能存储系统
技术领域
本发明涉及一种用于对住宅及商用建筑空间进行制热和制冷的系统和一种热水系统，尤其涉及一种用于高效控制商用建筑和住宅中的气温和水温的主动热交换系统。
背景技术
美国的发电和配电网络当前正遭受昼间高峰需求限电的压力。预计在昼间，工业部门、商用及住宅空调和水加热的要求是最高的。在非高峰期，即傍晚和深夜时间，情况则相反，通常会存在可利用的超额的电能，这在当地电网中是不需要的。
利用全国性的传输电力线，发电和配电网被用于将额外电能传送到需要电能的其他电网。这是一种负载平衡方式，其目的在于保持煤、石油或核能发电厂处于恒定的负载平衡。这种负载平衡方案的问题在于：成本很高，由于向其他电网进行越野传输时固有的传输和线路损耗的成本。
进一步地，在美国的燃煤发电厂向大气中放出二氧化碳和其他污染物，与高峰电能昼间需求成正比。高峰昼间需求决定了必须传输到遥远的电网的额外非高峰夜间电能的量(另外，通过昂贵的高压电传输电)，能将电能用作他们的高峰电能短缺需要或其他用途。
提供一种实现来自于本地电网的额外电能的本地非高峰利用的系统是便利的，因此减少了与高峰生产相关的成本及与高峰生产相关的污染，并且减少了与额外电能的长距离传输相关的成本。
发明内容
公开了一种系统，用以存储在非高峰时间内(例如：夜间、假日等等)产生的额外的本地电网电能，用于控制高峰(例如：昼间)期间的住宅和商用建筑中的制热/制冷系统。公开了一种主动热能存储系统(Active ThermalEnergy Storage System，简称：ATESS)，用于将这种额外的本地电网非高峰能量存储在热能存储材料中，如在莱费尔(Leifer)的美国专利3,976,584所描述的，且用于使用该存储的能量来在高峰用电期间控制住宅住所和/或商用建筑中的空气和水的温度。然而ATESS最好可以用于在全天24内的任意时间为制热/制冷提供能量，而不仅仅是在高峰用电期间。
该ATESS可以实现非高峰额外电能的本地使用，从而减少了以往住宅住所或商用建筑的供暖和/或水加热水时对石油和天然气系统的需求。因此，本发明涉及热能的主动交换，该热能是采用主动方法从多种自然能量源(例如：太阳能、电能、风能、煤气、石油等)中的任一种中获取，然后将该热能存储在热能存储材料中，如在莱费尔的美国专利3,976,584中描述的一种材料，该专利的整个内容都结合在其中。这种热能存储材料可以存储在适当的罐体或存储容器(就此在下面会进行更详细的说明)中。然后，当在全天24小时内的任意时间需要加热空气和/或水时，存储在热能存储材料中的热能可以由主动热交换系统(例如：热泵)交换到住宅家居或商用建筑中的某一使用地点。
该ATESS基于这种原理运行：收集来自于任意和所有源(例如：太阳能、电能、石油及煤气)的有限可得的输入能量，并将该能量存储在热能存储材料中直至将来需要的时候。存储在热能存储材料中的能量可以通过热交换系统(例如：热泵)被移除，以控制住宅家居或商用建筑的温度，从而在全天24小时内的任意时间提供热能需求。加热水或对其他液体的制热的需要可以通过双向集成或单独的能够交换能量存储材料中的存储能量并以此为目的的热交换(例如：热泵)系统来满足。
在一个实例中，存在一系统用于仅在有限昼间时间内从太阳辐射收集太阳能能量，以用于家居空气或水制热的需求。然而，该系统仅能在有太阳的时候提供这种能量。在夜间时间或在阴天的日子，住宅住所和/或商用建筑的空气和/或水的制热能量必须从其他可获得的能源获取或供给，如：石油、天然气、风能或电能。因此，需要能量的可选源来满足全天24小时对能量的需求。该ATESS用于在昼间时间内接收太阳能，并将该能量存储在热能存储材料中，以备24小时期限内的任意时间使用。然后，所存储的能量由主动热交换(例如：热泵)系统被交换给有需要的区域。通过这种方式，该ATESS能够使太阳能在全天24小时内均可以得到，从而减少住宅住所和/或商用建筑的供暖和/或水的制热能量对石油或天然气的需求。
在另一实例中，在炎热潮湿的夏季月份中，ATESS可以被用于将热量从住宅或商用建筑的空气中去除，并将该热能存储在热能存储材料中，以使得该热能在昼间或夜间的任意时间内以供使用。
目前，住宅住所和/或商用建筑使用电力驱动的空调将热量从住所和\或建筑内的空气中去除。需要电能来将热量从建筑家居空气中去除，以使在此居住的人们在炎热潮湿的昼间和夜间感到舒适。该ATESS可以被配置，使得主动热交换系统(例如：热泵)将热量从建筑内的空气中移除，并将其存储在热能存储材料中。然后，通常会被典型的空调单元排到大气中的这种被存储的废热可以被用于加热住宅住所和/或商用建筑中所用的水。其可以被适当地用于夜间时间的制热需求。
该ATESS会显著减少电网和本地电力公司的发电设备上的昼间高峰电能需求。该ATESS能够实现来自于本地电网的能量的更有效的本地利用，从而减少或去除对石油和天然气的需求。也会同时实现通常与石油或天然气的能量产生有关的二氧化碳和其他污染物的排放的减少。
公开了一种热能存储系统，包括：一第一罐体，用于容纳一定量的水；一第二罐体，其中放置有一定量的热能存储材料，该热能存储材料包括具有32华氏度(F)以上的熔点及接近水的熔化潜热的大致固体材料；以及回流管，连接所述第一罐体及所述第二罐体，该回流管与所述第一罐体的内容积流体连通，该回流管进一步包括位于所述第二罐体内的一制热盘管。通过该结构，置于所述第一罐体中的被加热的水在一第一时间在所述回流管中移动，并经过所述制热盘管将热量从所述被加热的冷水交换到置于所述第二罐体中的所述热能存储材料中；进一步地，置于所述第一罐体中的水在一第二时间在所述回流管中移动，并经过所述制热盘管将热量从置于所述第二罐体中的所述热能存储材料交换到所述冷水中。
公开了一种热能存储系统，包括：一热水罐体，用于容纳一定量的水；一存储罐体，其中放置有一定量的热能存储材料，该热能存储材料包括大致固体的笼形物，具有32华氏度(F)以上的熔点；及一管道环路连接所述热水罐体及存储罐体。该管道环路可与所述热水罐体的内容积流体连通，该管道环路进一步包括位于所述存储罐体中的一制热盘管。当所述热水罐体中的一定量的水的温度大于所述热能存储材料的温度时，所述水在管道环路和制热盘管移动，以便将热量从水交换到热能存储材料。当所述热水罐体中的所述一定量的水的温度小于所述热能存储材料的温度时，所述水在所述管道环路和制热盘管中移动，以便将热量从热能存储材料交换到水中。
公开了一种热能存储系统，包括：第一罐体、第二罐体及空气配送系统。该第一罐体中可以放置一定量的水。该第二罐体中可以放置一定量的热能存储材料。该热能存储材料可以包括具有32华氏度(F)的熔点及接近于水的熔化潜热的一阶段变化材料。第一及第二罐体可以由回流环路体连接，用于使所述水从所述第一罐体经由置于所述第二罐体的第一盘管进行移动，以便在所述水和所述热能存储材料之间交换能量。所述第二罐体和所述空气配送系统可以由空调环路连接，用于将第一热交换流体从置于所述第二罐体中的第二盘管移动到置于所述空调系统中的第三盘管，以便经过所述第三盘管在所述热能存储材料和空气之间交换能量。
公开了一种热能存储系统，包括：第一罐体、第二罐体及热水散热循环系统。该第一罐体中可以放置一定量的水。该第二罐体中可以放置一定量的热能存储材料。该热能存储材料可以包括具有32华氏度(F)的熔点及接近于水的熔化潜热的一阶段变化材料。第一及第二罐体可以由回流环路体连接，用于使所述水从所述第一罐体经由置于所述第二罐体的第一盘管进行移动，以便在所述水和所述热能存储材料之间交换能量。第二罐体和热水散热循环系统可以由环路连接，用于将第一热交换流体从置于所述第二罐体中的第二盘管移动到置于所述热水散热循环系统的水盘管，以便经由所述水盘管在所述热能存储材料和水之间交换能量。
附图说明
图1显示了装设于住所内的ATESS，其具有石油或天然气热风炉系统；
图2显示了装设于住所内的ATESS，其具有增设有太阳能热水收集面板的石油或天然气热风炉系统；
图3显示了装设于住所内的ATESS，其具有石油或天然气热风炉系统，并具有一单独的水制热系统(热泵)；
图4显示了装设于住所内的ATESS，其具有石油或天然气热风炉系统，并具有一单独的水制热系统(热泵)，且进一步包括一用作空调的双向控制系统；
图5显示了图3中所描述的ATESS，具有光电太阳能收集面板，用于在寒冷冬季气候条件下的操作；及
图6显示了图4中所描述的ATESS，具有光电太阳能收集面板，用于炎热夏季气候条件下的操作；
图7为ATESS试验设施的结构示意图，用于测试系统和热能存储材料的效力；
图8为ATESS的14天的测试结果列表；
图9为以小时为单位表示的整个24内的ATESS的性能列表；及图10A-C为表示用于住宅家居的每天的燃料油和液体丙烷气(LiquidPropane Gas，简称：LPG)的消耗，包括每年冬季用于燃料油和LPG的制热成本、ATESS制热系统所使用的非高峰期电能和昼间太阳能、所有非高峰期电能及昼间太阳能之间的比较列表。
具体实施方式
如前所述，有多种能源(如太阳能、电能、石油、气及风等)可以仅在一天24小时内的有限时间内进行收集。这与住宅或商用建筑相关的电气、制热或制冷电能的需求相反，这种需求会在任意给定的24小时内发生变化。公开的ATESS适应了这些能源的有限可获得性，提供了一种整个24小时所需的稳定能源。
参考图1，ATESS1被示于安装在具有石油或天然气热风炉系统4的住所的地下区域2。该ATESS1可以包括包含有一些热能存储材料8的一存储罐体6、用于通过住宅的热水的制热及配给的一热水存储罐体10及位于存储罐体6和炉系统4之间，用于实现热能存储材料8和炉系统4之间的热变换的一连接件12。，连接件14也可以设置在热水罐体10和存储罐体6之间，用于实现包含在存储罐体6中的热能存储材料8和来自于热水罐体10的热水之间的热变换。
位于存储罐体6和炉系统4之间的连接件12可以包括流体供应及回流管16、18，连接于位于炉系统4中的冷凝器盘管20的相对端。类似地，供应及回流管16、18连接于位于存储罐体6中的蒸发器盘管22的相对端。供应及回流管16、18以及冷凝器和蒸发器盘管20、22因此形成一闭合环路，用于使热交换流体在炉系统4和热能存储材料罐体6之间移动。热交换流体的流速可以通过操作位于回流管18中的压缩机24及位于供应管16中的控制阀26来控制。
类似地，位于热能存储材料罐体6和热水罐体10之间的连接件14可以包括连接在位于存储罐体6中的制热盘管32上的供应及回流管28、30。通过供应及回流管28、30，由位于供应管中的循环泵34进行抽水。位于排水管中的止回阀36保护以防止泵34被关闭时水通过回流管逆流。热水罐体10可以进一步具有用于向罐体10提供用于制热的水的恒流源的一冷水供应管38，并且还具有用于向整个住宅配送被加热的水的一热水排水管40。
热水罐体10可以进一步具有一个或多个电阻加热器52、54，用于使用建筑电气将罐体中的水加热到期望的温度。
在操作过程中，使用一个或多个电阻加热器52、54将热水罐体10中的水加热到期望的温度。然后，被加热的水可以通过供应及回流管28、30被抽送以便对包含在热能存储材料罐体6中的热能存储材料8进行加热。这种热交换可以发生直到热能存储材料8中包含了期望的量的能量。
此后，包含在热能存储材料8中的能量可以经由流体供应及回流管16、18被交换到炉系统4的空气46中。包含在这些管线中的热交换流体可以在其穿过蒸发器盘管22和压缩机24时被加热。然后，包含在热交换流体中的能量经由冷凝器盘管20被交换到回流空气46中，从而提供热空气50以回流到居住空间中。
热能存储材料8中的能量也可以用于将能量经由供应及回流管28、30和回流泵24交换回热水罐体10的水中。因此，在非高峰期(例如：夜间)，该热水系统用于将热量交换到热能存储材料8中，实现在轻能量负荷期间大量热量的存储。此后，在高峰负荷期间(如：昼间)，热量可以被交换回热水罐体或炉中，以供加热建筑空气和/或水。
除了冷凝器盘管20结构以外，该炉系统4可以包括一传统燃料供应部42，及用于从居住空间48抽取冷空气46的一炉空气循环扇44。扇44使冷空气46流经冷凝盘管20，然后使被加热的空气50在整个居住空间48内进行循环。
在一个实施例，在居住空间的温度调节器被设定为约70华氏度的地方，冷空气46为约65华氏度的温度，且热空气50为约75华氏度的温度。
一种适当的热能存储材料被描述在莱费尔(Leifer)的美国专利号为3，976,584的文献中，其全部内容通过引用结合在其中。莱费尔的这篇专利描述了一种笼形材料，其在气温和大气压下很稳定，其具有高于32华氏度的熔点，并具有相对高的比热和熔化热。这种材料吸收热量直到其温度升高到其熔点。由于其具有高的熔化热，该热存储材料每单位质量可以吸收大量的热，使其成为一种高效的能量存储方式。这是一种可以用作热能存储材料8的材料，但其他具有可使其适用于热能存储材料8的材料也是可以的。例如，材料诸如咪唑，咪唑氯化物，吡咯的衍生物诸如2-乙酰基吡咯或四甲基吡咯或其他类似的化合物，可适用于用作热能存储材料8。这些热能存储材料中的某些的测试结果将在图8-10C中进行讨论。除了进行了具体测试和/或关联的材料以外的材料也可以适用，并可以由本领域普通技术人员理解。
用于容纳热能存储材料的罐体6最好由在暴露于用在ATESS中的特定热能存储材料8时不发生反应的材料制成。因此，在一个实施例中，该罐体6可以由聚乙稀材料制成。可选地，该罐体6可以由玻璃或不发生反应的材料制成，或者可以设置玻璃或其他不发生反应的材料的内衬。
类似于罐体内部，穿过罐体的管线22、32的外表面在暴露于包含在罐体6内的特定热能存储材料8时也应当是不发生反应的。对于管线22、32包括铜管或软管的实施例，该外表面可以涂敷有丙烯酸涂料且包裹有聚合物包装，以防止热能存储材料8和铜材料发生反应。作为聚合物包装的一种可选物，石蜡材料可以用作丙烯酸涂层上的涂层。由于石蜡的熔点为约162-177华氏度，因此，石蜡可以在热能存储材料8的操作温度低于约140华氏度的地方正常工作。作为进一步的一种可选物，管线22、32可以由复合材料制成，如聚乙稀管(例如：PEX管)。另外，也可以采用涂敷有金属的复合管。
罐体6及其连接件应当相对于大气密封，以防止在操作过中热能存储材料8中的水蒸发。大规模的蒸发会引起热属性的不良变化。可选地，蒸发可以通过提供罐体6液位测量方案来补偿，因此当检测到最小可接受罐体液位时，额外的水可以被添加到热能存储材料8中。适当的液位测量方案的例子可以包括可视线型指示器及自动液位检测系统。另外，响应低液位指示，可以由使用者手动添加补充的水，或者由自动装载液位系统添加。
管线22、32应当被设置于罐体6内部，且达到罐体的整个高度(即，它们应当几乎达到罐体6的底部)，以便在操作过程中避免材料中的固体点。管线22、32可以具有U形结构，或者他们也可以是盘卷的。
在一个实施例中，仅夜间约5个小时中得到的多余的220伏(V)非高峰电能提供热能，通过将热水罐体10中的水保持在约120华氏度来满足一天24小时的家居供暖和热水需求。120华氏度的热水被循环进入位于用于存储热能存储材料8的罐体6中的软管制热盘管32中，从而将热能在固定的77华氏度熔点交换给材料8(固体到液体)以用于存储。当住所的温度调节器需要更多热时，ATESS压缩机24及炉空气循环扇44启动。制冷剂控制阀26提供40华氏度的汽化制冷剂给蒸发器盘管22，以便从77华氏度的热能存储材料吸收热能。该压缩机24将制冷剂温度提高到120华氏度以达到冷凝盘管20，从而将全天24小时所需的热量交换到循环炉空气46用于家居制热。应当注意的是，该温度方案应用于居住空间温度(即，恒温器设定的温度)为70华氏度的地方。因此，在想要得到更冷或更暖的居住空间温度的地方，系统操作温度将进行相应的调节。
参见图2，显示了装设于具有类似于图1的石油或天然气热风炉系统4的住所中的ATESS55。在图2所示系统中，来自于炉系统4的能量由一个或多个太阳能水制热收集面板56来提供补充的能量。在图示中的实施例中，太阳能面板的循环水环路58被集成到热水回流管30中，使得来自于热水罐体10的水能够穿过太阳能能量收集面板56进行循环。太阳能面板供应管60连接于位于止回阀36和热水罐体10之间的热水回流管30，以便从罐体10中抽水和/或从制热盘管32输出水。太阳能面板循环泵62置于供应管60中，用于向水提供主动循环力。被抽取的水穿过太阳能面板56中的内部通道(图中未示出)，并由太阳的直接能量进行加热。由太阳能面板56的光电收集部64产生的能量用于为泵62供电。然后，被加热的水通过引导水回到热水罐体10的回流管66。然后，可以使用回流泵34使被加热的水穿过供应及回流管28、30，从而使得水的热量被交换到罐体6中的热能存储材料8中。太阳能面板56最好可以用于补充由电阻加热器52、54提供的热能，或者尤其在有直接太阳光的日子里，还可以单独用于加热热水罐体中的水。
提供给热能存储材料8的能量此后可用于加热炉的回流空气，或用于加热包含在热水罐体10中的热水。
包括存储罐体6、热能存储材料8及位于存储罐体6中的连接件的系统55的余下部分，以及热水罐体10和炉系统4均可以与图1所示的系统相同。
在一个实施例中，在晴天收集的太阳能的能量及由电阻加热器52、54提供的多余的非高峰电能(再者，其仅能在夜间的5个小时内得到)提供热能，通过将热水罐体10中的水保持在约120华氏度来满足一天24小时的家居供暖和热水需求。120华氏度的热水被循环进入装设于热能存储材料罐体6中的软管制热盘管32中，将热能在固定的77华氏度熔点交换给热能存储材料8(固体到液体)以用于存储。当住所的温度调节器需要更多热时，ATESS压缩机24及炉空气循环扇44启动。制冷剂控制阀26提供40华氏度的汽化制冷剂给蒸发器盘管22，以便从77华氏度的热能存储材料吸收热能。该压缩机24将制冷剂温度提高到120华氏度以达到冷凝盘管20，从而将全天24小时所需的热量交换到循环炉空气46用于家居制热。
如图3所示，ATESS68装设于具有石油或天然气热风炉系统4及一单独的水制热系统(即，热泵)72的住所内。图3所示的该系统与图1所示系统具有大致相同的管道、组件及中间连接件，但更还包括一热泵系统72，使得热水罐体10中的水的补充制热适用于昼间和/或夜间的高容量热水需求。
因此，图3所示的ATESS 68包括图1中所示的炉系统4、热能存储材料罐体6、热水罐体10及所有相关的管道及流体管理组件。对于图1、2中描述的系统，ATESS 68在非高峰时间通过在存储罐体6中的制热盘管32中循环来自于热水罐体10的热水，加热热能存储材料8。
ATESS 68进一步包括具有分别与位于热能存储材料罐体6和热水罐体10中的蒸发器78和冷凝器盘管80相连通的流体供应及回流管74、76的一额外的封闭制热环路72。一压缩机82位于供应管74中，且提供主动力以使热交换流体(包含在管74、76中)在各自罐体10中的热交换盘管78、80之间移动，从而将来自于热能存储材料8的热能交换到位于热水罐体10中的热水中。控制阀84位于回流管76中以控制热交换流体的流速，从而控制热能存储材料8与热水罐体10中的水之间所交换的热能的量。
如前述实施例所述，仅夜间约5个小时中得到的多余的220V非高峰电能提供热能，通过将热水罐体10中的水保持在约120华氏度来满足一天24小时的家居供暖和热水需求。120华氏度的热水(由电阻加热器52、54加热)被循环进入位于用于存储热能存储材料罐体6中的软管制热盘管32中，从而将热能在固定的77华氏度熔点交换给热能存储材料8(将其由固体变换为液体)以用于存储。当住所的温度调节器需要更多热时，ATESS压缩机24及炉空气循环扇44启动。制冷剂控制阀26提供40华氏度的汽化制冷剂给蒸发器盘管22，以便从77华氏度的热能存储材料吸收热能。该压缩机24将制冷剂温度提高到120华氏度以达到冷凝盘管20，从而将全天24小时所需的热量交换到循环炉空气用于家居制热。热泵系统72使用热能存储材料8中存储的热能以加热热水罐体10中的热水。
如图4所示，ATESS系统86装设于具有石油或天然气热风炉系统4的住所中，并具有类似于图3所示ATESS的单独的水制热系统(即：热泵)78。然而，在图4所示的实施例中，ATESS 86配置有一控制系统87，可以改变各组件的功能，以使ATESS 86能够根据需要加热或制冷房屋。因此，在炎热、潮湿的夏季日子里，ATESS 86将热量从房屋循环空气88中去除，并将该热量存储于热能存储材料8中用于加热水供家居使用或家居供暖。被制冷的空气90在整个住所进行回流。
图4所示ATESS 86包括如图3所示的炉系统4、热能存储材料罐体6、热水罐体10及所有相关管道及流体管理组件。需要注意的是，ATESS 86进一步包括控制系统87，用于颠倒炉系统4的存储罐体6和盘管20之间的热交换流体的流动。这种流动颠倒可以通过提供适当的管道结构来实现，以根据期望的一系列阀门调整来重定向热交换流体的流动。因此，在“制热”调整中，热交换流体的流动会在箭头“A”的方向上流经管线16和18，并发挥作用以制热住所空气88。在“制冷”调整中，热交换流体的流动会在箭头“B”的方向上流经管线16和18，并发挥作用以制冷住所空气88。可以提供适当的电能来自动驱动和控制穿过管线16和18的热交换流体的方向和流速。
在系统86用于制冷住所空气88的地方，尤其在北半球南部的炎热夏季月份中，一室外蒸发器盘管和风扇可以设置与热交换存储材料8相连通。该结构可以在热能存储材料8满足其最大容量以存储被废弃的空调热的地方显出优点，因为它提供了一条途径，用于将多余的热量排到室外。
在一可选实施例中，代替特定的管道结构用于重定向流的是，压缩机24可以为一可逆式压缩机，控制阀26可以被设计为提供期望程度的流控制，而无论液体流经阀座的方向。另外，代替控制阀26的是一对控制阀，一个用于在冬季或寒冷的夏季夜晚需要热量时控制制冷流速，另一个用于在夏季需要将热量从住所移除时控制制冷流体。可以提供适当的已知控制电子器件，从而能够实现液体方向的自动选取。
如前述实施例所述，图4所示的ATESS 86运行，以在存储效率最高的期间内将能量存储于热能存储材料8中。在一实施例中，从居住空间的热空气88中移除的能量经由前述的压缩机24、控制阀26和管道16、18的结构被交换到存储材料8中。然后，被存储的能量可以被用于立即或随后加热水(采用如前所述的方式)或者被用于根据需要随后加热在炉系统4中循环的空气。
如图5所示，ATESS系统92具有与图3所示系统68大致相同的管道和组件，并进一步包括一个或多个光电太阳能收集面板94，以便为寒冷气候(如冬季)中的运行提供额外的制热的水和空气。一个或多个太阳能收集面板94，应用已知的光电原理，可以产生直流(Direct Current，简称：DC)电，然后，通过适当的AC/DC转换器96将该DC电可以被转换为交流(AlternatingCurrent，简称：AC)电。然后，得到的AC电可以被连接于适当的家居或建筑电能供应电路。也可以要求上步或下步转换器(图中未示出)来匹配家居或建筑电能供应电路。可以将来自于太阳能面板94的电直接提供给电阻加热器52、54，从而为包含在热水罐体10中的水提供热能。然后，该能量可以经由管线28、30和制热盘管32采用如前述图1-4所示系统的方式被交换给热能存储材料。
图5所示系统尤其可以很好地适用于寒冷气候的区域。因此，当寒冷气候季节来临时，由太阳能收集面板94产生的可得到的昼间太阳能能量可以被用于加热热水罐体中的水以供房屋使用，并且还可以使用ATESS92将电能存储(现在转换的)在热能存储材料8中。然后，ATESS 92可以采用与图3相关内容类似或相同的方式被用于加热家居并满足一天24小时任何时候的热水需求。非高峰多余电能可以作为阴天或阳光有限日子时的备份能量，用作加热住宅住所或商用建筑和/或水所需的净热能。
参见图6，ATESS系统98具有与图4所示ATESS 86大致相同的管道和组件，并进一步包括一个或多个光电太阳能收集面板100，用于在炎热夏季气候时的运行。该一个或多个太阳能收集面板100采用已知的光电原理，可以产生DC电，然后，通过使用电压转换器102被转换为AC电，从而能够实现与家居或建筑电能供应的连接。当炎热、潮湿的气候季节来临时，由太阳能收集面板100产生的电能可以被用于操作传统的空调系统，与图4描述的可逆式ATESS 86系统结合起来运行，以冷却居住空间中的空气88。
用在典型住所中的存储罐体6的容积可以为约400加仑，并可以包含诸如莱费尔的U.S.专利3,976,584中所描述的能量存储材料。其他合适的热能存储材料可以为四异戊氟化铵。38 H2O，四丁基氟化铵。18 H2O(笼形材料)。另外，也可以采用如下的非笼形材料：咪唑，咪唑氯化物，诸如2-乙酰基吡咯或四甲基吡咯的吡咯衍生物或其他类似的化合物。制热盘管22、32和78可以由耐腐蚀材料制成，用于在运行中盛载约120华氏的水。在大约400加仑热存储材料中存储的总热量可以加热大约1600英尺的家居的居住空间，并在全年中的每一日保持美国最北部纬度的地区约70华氏度的温度。在约400加仑热能存储材料8的罐体6中存储的用于加热家居的热量也可以用于将约60加仑隔热热水罐体10中的水加热到期望的115华氏度到120华氏度的温度，以用于正常的家庭热水使用。
该ATESS可以设置适当的计算机控制系统，用于控制热泵系统72，炉系统4，回流泵34、62，压缩机24，控制阀26，和电阻加热器52、54，以便使ATESS能够根据需要运行，以满足商用或住宅建筑对石油或天然气制热系统和/或水制热系统的需求。该控制系统也可以作为双向系统来控制住所热交换(即：热泵)系统，以便在炎热和潮湿的夏季日子里将热量从炉管系统中的循环空气中移除，变为存储在存储罐体6中的热能存储材料的热量。该系统可以在炎热潮湿的夏季月份里与传统的空调系统结合使用。
该ATESS最好可以被集成到移动平台中，以便在运输诸如桔子汁及其类似易腐商品时起辅助作用。因此，该ATESS可以被调整尺寸以适用于安装在铁路车厢、卡车、飞机、集装箱/货船或其他运输平台中。在一实例中，ATESS可以与太阳能面板或燃料油相结合，以减少远洋客轮的油耗。
进一步地，该ATESS可以被用作系统的一部分，以减少诸如燃料制作等的需要大量能量的各种任意工业过程中的能耗。
在另一实施例中，该ATESS可以有利地被应用于如商用/个人滑冰或曲棍球场。
优点
美国的东北部地区有较大量的采用石油和LPG取暖的家居和商用建筑。由于缺乏服务于该地区的主要的天然气管道，液化天然气主要通过东北部地区的港口由巨型油轮从国外进口，这可能会对我们的港口的安全性造成恐怖主义威胁。由家居和商用建筑的ATESS来实现非高峰期电能或太阳能能量的转换可以消除这种运输和也对我们港口的相应威胁。
美国现在大约40％的国内石油需求都依赖从外国进口。这种ATESS系统能够大体上减少或消除对国外石油的需求。
ATESS也可以减少用石油和天然气来为住宅住所或商用建筑取暖的需求。ATESS可以减少在炎热潮湿气候时的昼间高峰电能需求。
ATESS可以存储昼间得到的太阳能热能，以便用于满足住宅住所或商用建筑在昼间或夜间对能量的需求。
如果广泛应用于住宅住所和商用建筑，ATESS将会形成发电网络，以实现高峰昼间和多余非高峰夜间的电能需求之间的负载平衡。
各种热能存储材料的实验室测试结果
发明人实施了实验室测试，用来确定被考虑用作热能存储材料8的多种材料的熔点、熔化热和安全运行温度范围。发明人的测试结果如下面的表1所示。除了发明人在测试中使用的具体的笼形材料以外，其他潜在的可用笼形材料也是存在的，且此处被注意。这些材料包括：熔点为88华氏度的四异戊氟化铵38 H2O，和熔点为98.6华氏度的四丁基氟化铵。18 H2O。应当注意的是，下面表1中所表示的其他热能存储材料中的某些材料具有远大于77华氏度的熔点。在前述描述的任意一种ATESS系统中使用较高熔点材料可以排除对热泵系统72的需求。
表1 潜在的被测试的热能存储材料的物理化学结果
 
材料 熔点(华氏度) 熔化热(BTU/1bs) ％水的熔化热(％) 安全操作范围(华氏度)
TESM11 77 108 75％ 77-140
咪唑 194 75 52％ 194-320
咪唑氯化物 320 60 42％ 320-375
2--乙酰基吡咯 195 77 54％ 195-260
注释：对于每个TESM，表1中的“安全运行范围”表示TESM的熔点和特定TESM的低于分解温度的在约5-20华氏度点之间的温度范围。
测试场结果
参见图7，一测试场建筑被建设为水平双层，每个房间(房间#1和#2)为约32平方英尺。房间#1采用传统方式加热，而房间#2采用ATESS加热。发明人使用40磅的热能存储材料(Thermal Energy Storage Material；以下简称：TESM)8，在该案例中为(n-C4H9)4NF 32.8H2O，此后被称为“TESM1”(TESM1为(n-C4H9)4NF32.8 H2O)。该TESM 1包含在TESM 1罐体6中。出于测试的目的，该罐体6为5加仑的聚乙稀罐体。内部管道为铜，涂敷有丙烯酸涂层并包裹有复合膜。该罐体6的连接使用带子与大气密封，以防止蒸发。在这些测试中，这40磅的TESM 1存储来自于两个(2)有限源的热能。源1为夜间非高峰电，源2为昼间太阳能能量。该太阳能热收集系统正常工作，但由于在测试过程中缺少阳光明媚的日子，因此发明人通过使用计量的昼间电能模拟昼间太阳能热能。这两个源被限制为每周期4(4)小时用于测试。在房间#2中的ATESS为前述图2所示的ATESS的缩小版。
图8显示了14天的测试结果。在天1、2和3中实施来确定保持房间#1和#2的恒温所需要的热量。这些测试结果表明：保持房间#1和#2在相同温度所需要的热量基本上是相同的。
图8还表示在测试天#4到#14内仅仅使用ATESS制热系统作为房间#2的主热源的情况。测试天#4和#5未在该结果中被考虑，因为这些天使用了3.0和3.5小时的取暖周期将热量交换到TESM，且这些较短的周期时间被认为长度不够，因此不足以交换足够量的热量到TESM1用于在测试过程中存储。剩下的测试天(#6到#14)使用4(4)小时TESM取暖周期。其结果表明ATESS制热系统工作良好，将房间#2的温度保持在额定的70华氏度(温度的实际范围从约68-71华氏度)，而无需使用任何来自于燃料油或燃气的传统热能。在十二月和一月的测试过程中，室外空气温度从较低的12华氏度到较高的47华氏度波动。
图9表示了ATESS制热系统在全天24小时内逐个小时的性能。图9中结果被进行编制，以用于使用ATESS的最适宜天(即：接近于测试天6-14的平均值)。该结果表明来自于两(2)个有限源(即：夜间非高峰电及昼间太阳能)的能量被根据需要配送给测试房间#2，以便保持期望的温度。来自于ATESS控制系统及压缩机马达损耗的一些热量及来自于压缩机压缩时的热量也被加入到房间#2中。在有限的4小时周期内来自于非高峰电和太阳能的能量被存储于TESM1中，然后由ATESS热泵系统配送到房间2。用于在房间2中保持70华氏度所需要的热量由ATESS系统的温度调节器控制。
在图8和9列表中的结果显示了我们系统设计的热泵的无效率，其大致可以通过有经验的制热和通风设备制造商改进。例如，ATESS系统原型热泵蒸发器盘管包括单一直径铜软管。一名有经验的HVAC工程师能够设计具有可变直径的一蒸发器盘管，以使整个盘管上保持约为40华氏度的恒定的汽化制冷剂温度。另外，原型热泵系统具有次于最优的电压缩机马达效率，通过使用AC或DC电能大大提高大系统的设计。另外，应用于大规模ATESS的现代控制系统与原型系统相比几乎不使用电能。该ATESS制热系统的无效率作为加入到房间#2的额外热量(“马达损耗及额外房间热需求”)在图8和9中表示出来，以保持期望的温度。
发明人考虑到，为了将一可用的ATESS装设于具有1600平方英尺居住区的整个住宅家居中，需要50:1以上的比例来复制测试场中所显示的结果。图10A-C显示了用于该住宅家居的每天燃料油和LPG消耗。另外，图10A-C显示了年冬季制热成本的比较：a)燃料油、b)LPG、及c)使用：1)非高峰电及昼间太阳能、2)全部为非高峰电，及3)全部为昼间太阳能的ATESS制热系统。
其结果表明通过使用ATESS可以实现实质性的成本节省。例如，使用125天年冬季取暖周期的燃料油的年成本估计为$1,813，而也使用125天年冬季取暖周期的LPG年成本估计为$1,932。(这些估计成本是采用$2.55/加仑燃料油及$1.86/加仑的LPG计算得到的)。通过比较，使用ATESS用于125天年冬季取暖周期的年制热成本：1)当采用非高峰电及昼间太阳能时，成本估计为约$1,048；2)当全部采用非高峰电时，成本估计为约$1,348；及3)当全部采用昼间太阳能时，成本估计为约$748。因此可以看到，与传统的制热方法相比，当使用ATESS时，有相当大的节省。通过增加附件来加热水可以提高这种节省。
例如，在炎热夏季的月份中，可以将热量从住所空间(经空调)移除并存储在TESM中。可以向ATESS增加适当的管道和泵设备(例如：图4中所示的项目72和83)，以便实现将来自于TESM8存储热量交换给热水罐体10中的热水，以使其保持期望的温度(例如：130华氏度)。采用这种方式对水进行加热可以排除或减少使用昂贵昼间电、燃料油或LPG的需求。
图10A-C进一步显示了每天使用的燃料油和LPG的加仑数，以及用在125天冬季制热季节的总的年成本。
除了前述的成本节省以外，与传统的制热系统相比，ATESS的使用还可以大量削减释放到大气中的污染物。例如，平均每个住宅(再次假设有1600平方英尺的居住空间)的燃料油(用在年制热季节)的燃烧会向大气释放3,831磅的碳和14,060磅的CO2。对于同样大小的居住空间，LPG的燃烧会释放2，927磅的碳和10,742磅的CO2。相反，ATESS并不向大气释放碳或CO2。该结果可以清晰地显示在图10C的底部。
总结
发明人已经表明使用公开的ATESS制热系统作为一种值得称赞的或主要的制热系统：
(1)充分减少对用于家居或工业建筑供暖的燃料油和/或液化石油汽(Liquid Petroleum Gas，简称：LPG)的需求。
(2)充分减少造成便于变暖的碳和二氧化碳(CO2)的释放。
(3)充分减少对本地电网产生的多余非高峰电能的运输需求，因为其可以被存储在TESM中，以备全天24内的任何时间使用。
(4)ATESS制热系统能够利用在昼间小时获得的太阳能，因为其可以被存储在TESM中，以备全天24内的任何时间使用。ATESS也会减少用于为住所或工业建筑提供所需能量的太阳能面板的安装数量。
(5)在发明的原型测试中得到证实的ATESS制热系统会极大地减少国家对国外石油和LPG的需要，从而增强祖国的安全性。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：对其进行各种变换和修改，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1、一种热能存储系统，包括：
一第一罐体(10)，用于容纳一定量的水；
一第二罐体(6)，其中放置有一定量的热能存储材料(8)，该热能存储材料(8)包括具有32华氏度以上的熔点及接近水的熔化潜热的大致固体材料；以及
回流管(28、30)，连接所述第一罐体(10)及所述第二罐体(6)，该回流管与所述第一罐体(10)的内容积流体连通，该回流管进一步包括位于所述第二罐体(6)内的一制热盘管(32)；
其中置于所述第一罐体(10)中的被加热的水在一第一时间在所述回流管(28、30)中移动，并经过所述制热盘管(32)将热量从所述被加热的水交换到置于所述第二罐体(6)中的所述热能存储材料(8)中；并且
其中置于所述第一罐体(10)中的水在一第二时间在所述回流管(28、30)中移动，并经过所述制热盘管(32)将热量从置于所述第二罐体(6)中的所述热能存储材料(8)交换到所述水中。
2、根据权利要求1所述的热能存储系统，其中进一步包括与所述第一罐体(10)相连的电加热器(52、54)，用于加热所述一定量的水。
3、根据权利要求1或2所述的热能存储系统，其中进一步包括一太阳能面板(56)，所述太阳能面板具有与所述回流管(28、30)接合的一第二回流环路(58，60)，所述第二回流环路内设置有制热流体；所述制热流体能在所述第二回流环路、所述回流管及所述制热盘管(32)内移动，以将热量从所述制热流体交换到所述热能存储材料(8)中。
4、根据权利要求1～3任一所述的热能存储系统，其中进一步包括一包含供应及回流管(16、18)的空调环路(12)、置于所述第二罐体(6)内的一第一热交换盘管(22)、置于一通风供应开口中的一第二热交换盘管(20)及置于所述空调环路(12)中的热交换流体；所述热交换流体能在所述空调环路中移动，以在所述热能存储材料(8)与经过所述第二热交换盘管(20)外表面的空气之间交换能量。
5、根据权利要求1～4任一所述的热能存储系统，其中进一步包括置于所述供应管(28)内的一压缩机(24)及置于所述回流管(16)内的一控制阀(26)，所述压缩机(24)和所述控制阀(26)能进行操作来控制流经所述空调环路(12)的所述热交换流体的流速。
6、根据权利要求5所述的热能存储系统，其中所述压缩机(24)为一可逆式压缩机，其具有用于使流经所述空调环路(12)的所述热交换流体沿第一方向(A)移动的第一操作模式，并具有用于使流经所述空调环路的所述热交换流体沿第二方向(B)移动的第二操作模式，所述第二方向(B)与所述第一方向相反。
7、根据权利要求1～6任一所述的热能存储系统，其中进一步包括一包含供应及回流管(74、76)的热泵环路(72)、置于所述第一罐体(10)中的一第一热交换盘管(80)、置于所述第二罐体(6)中的一第二热交换盘管(78)、及置于所述热泵环路(72)中的热交换流体；所述热交换流体能在所述热泵环路中移动，以在所述热能存储材料(8)和所述第一罐体中的水之间交换能量。
8、根据权利要求1～7任一所述的热能存储系统，其中所述热能存储材料(8)从包含笼形物、咪唑、咪唑氯化物和吡咯衍生物的组中选取，并且为具有32华氏度以上的熔点和接近水的熔化潜热的大致固体材料。
9、根据权利要求1～8任一所述的热能存储系统，其中暴露于所述热能存储材料(8)的所述第二罐体的表面包括与所述热能存储材料大体上不发生反应的材料。
10、根据权利要求1～9任一所述的热能存储系统，其中进一步包括与所述第二罐体(6)相连的一液体液位测量系统。
11、根据权利要求1～10任一所述的热能存储系统，其中进一步包括用于产生直流电的一太阳能面板(94)或(100)、用于将所述直流电转换为交流电的一转换器(96)或(102)以及通往建筑的电能配送系统的一连接件；所述第一罐体(10)包括由所述电能配送系统供电的电阻加热器(52、54)。
12、根据权利要求1～11任一所述的热能存储系统，其中进一步包括一热水散热循环系统；所述第二罐体(6)和所述热水散热循环系统由一环路连接，用于将第一热交换流体从置于所述第二罐体(6)中的一第二盘管移动到置于所述热水散热循环系统中的一水盘管，以在所述热能存储材料(8)和经由所述水盘管的水之间交换能量。
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CN118705677A (zh) * 2024-08-29 2024-09-27 浙江大学建筑设计研究院有限公司 一种复合式建筑集成制氢及余能交换供能方法和系统

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