CN101737985A - 能量地下存储动态控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种能量地下存储系统和基于该系统的高效控制方法，利用温位分级和负荷分配的动态蓄能过程，实现能量分布梯级利用；利于分级式能量地下存储，形成动态蓄能和温度场重整，提高蓄能传输和能量保持能力；利用负荷分配解决地下水流动影响地下蓄能的问题。该系统和控制流程方法不但有利于实现太阳能热源、生活/生产余热热源和自然冷源的地下蓄能过程高效控制，还有利于实现夏季和冬季热泵运行工况的地下传热和蓄能过程高效控制。

Description

能量地下存储动态控制系统和方法

技术领域

本发明属于可再生能源与蓄能利用技术领域，特别涉及能量地下存储、季节性蓄能和大空间传热控制问题。

背景技术

长期储能是大规模利用可再生能源和余热资源可再生化利用的有效途径。自然界可再生能源中的很多能源形式具有季节性和应时性，其有效利用途径之一是季节性长期蓄能，地下蓄能技术具有良好的季节性长期蓄能特点。能量地下存储达到能量补充和再利用的目的，为更多种能源形式协同应用提供有效途径，实现节能减排。

在地下蓄能过程中，规模化组织在一起的地下换热器群的控制模式对蓄能效果起到举足轻重的作用，不但需要能量的高效注入，更重要是存储的能量有效保存。其关键是能量存入、保存和输出过程中的能量扩散控制问题。通常，能量存入过程要求高的存入速率和能力，存入后的能量又要求低的扩散流失，能量提取还要高的释放和扩散输出能力，显然传热扩散促进与抑制成为蓄能的基本问题。为此，本专利提出利用蓄能过程的地下换热器热源群的负荷分配动态控制，实现地下蓄能过程的温度场动态重整，达到地下空间内的热传输控制，既最大限度提高地下蓄能功效，又保证能源的梯级利用。

地下蓄能已有发明，如中国专利“竖式地热蓄能空调系统(01116085.3)”涉及空调运行的能量地下存储，得到一定的能量再利用。中国专利“土壤蓄热式太阳能热泵供热系统及供热方法(02146305.0)”和“土壤蓄冷与土壤耦合热泵集成系统(200510010379.5)”等均提到地下岩土蓄能，但是这些专利没有涉及蓄能的地下换热器群的控制模式，以便提高地下蓄能有效性问题。中国专利“分级热屏式地下蓄能控制方法(200710300347.8)”提出热屏控制方法，利用蓄能后期低负荷蓄能的周边热屏障或冷屏障，抑制能量扩散。美国专利“Integrated Thermal System(20070214815)、欧洲专利“Heat Storage System(EP1224357B1)”和国际专利“Heat Storage System(WO2001029320A1)”也涉及使用地下岩土作为蓄能体，但是没有阐述大空间地下换热器群多热源协同控制方式问题。实际上，地下蓄能技术已经在能源领域开始得到应用，国际上也开展了许多实验示范应用。但迫于能量地下存储的有效保存问题，一直制约地下蓄能技术的快速发展。因此，高效蓄能的控制方法问题是地下蓄能应用深层次发展的关键技术。

能量地下存储动态控制问题就是依据热源群热负荷分配的动态调整，形成动态的温度场形态，适时控制能量传输，在热流强化和抑制两个方面起到作用，为建立地下蓄能最佳效率优化控制奠定应用基础。

发明内容

本发明的目的提供一种能量地下存储系统和基于该系统的高效控制方法，利用动态蓄能过程，实现能源的分布梯级利用；同时，利于分级式能量地下存储，形成动态蓄能和温度场重整，提高蓄能传输和能量保持能力；再者，利用负荷分配解决地下水流动影响地下蓄能的问题。针对现有地下蓄能技术存在的问题，通过提高蓄能效率，保证更有效的能量蓄入和能量保存。

本专利通过提出周期性地下蓄能分布梯级过程的负荷和温度分配概念，利用温度场重整的动态等温面绝热性和温度场波动性控制热流传输，利用地下换热器群的负荷分配偏置性抑制地下水流动造成的能量流失。

在蓄能过程中，能量地下存储动态控制系统的循环介质由不同的热源加热，示例图1系统中以二个热源1和2为例，根据热源的实时温度条件，通过四通阀3、四通阀4控制，分别缓存于高温集水箱8、中温集水箱9、低温集水箱10形成三种温位的能量分级利用；此后由高温集水箱8、中温集水箱9、低温集水箱10流出的循环介质，通过四通阀11、四通阀12和三通阀13控制，再分别输入地下蓄能场的不同区域，即中心区44回路26、内环区43回路27、中环区42回路28和外圈区41回路29的地下换热器联接支路各单元。根据不同温位的能量分布式实施地下蓄积，利用流程控制的周期性蓄能和温度场重整的等温面绝热性和温度场波动性动态控制热流传输，实时提高蓄能传输和能量保持能力，其中利用小周期或大周期间各阶段过程，形成不断的动态波动型温度场重整过程。关于小周期可谓太阳能的一天昼夜周期，大周期可谓太阳能的季节性周期，或者其它工业/生活余热或自然冷源所表现的一定周期。

在大或小周期内存在由间歇时段划分的基本蓄能阶段，实施例中包括四个基本阶段。第一阶段(高、高、高、低)，第二阶段(高、高、中、低)，第三阶段(高、中、中、低)，第四阶段(高、中、低、低)，其中括号内顺序分别表征中心区44、内环区43、中环区42和外圈区41的温位，并分别来自于高温集水箱8、中温集水箱9和低温集水箱10。该控制方法塑造了蓄能区域“内高外低”的温度场总体形态，减少蓄存能量向周边扩散；同时，不断动态改变各环状区域的局域温度场形态，有利于形成环间的动态温度场等温面，达到进一步抑制能量的向外传输能力。此外，间歇时段是利用时段性停止地下能量的传输过程，缓解地下传热能力低的影响，适当扩散局部能量，减轻地下换热器热源处的能量堆积。

在外圈区41、中环区42和内环区43的地下换热器群联接方式中，提出半边“L型”联接形式，解决地下水流动造成的存储能量流失影响问题。其中，包括外圈区41上半边支路47和下半边支路49，中环区42上半边支路46-1、46-2和下半边支路50-1、50-2，以及内环区43上半边支路45和下半边支路51。其中内环区43地下换热器较少，采用两圈或多圈组合连接型支路形式，即上半边支路45和下半边支路51。中心区45采用环绕连接型支路48。半边“L型”联接形式，形成了右上、左下半区的以图2左上角和右下角对角线为分割的划分线，划分线右上部分为上游，左下部分为下游。若由上游至下游的地下水流动(划分线右上边0-180°)，需降低外圈区41、中环区42和内环区43下游半边支路49、50、51的能量负荷比例；若由下游至上游的地下水流动(划分线左下边0-180°)，需降低外圈区41、中环区42和内环区43上游半边支路47、46、45的能量负荷比例。利用右上半区或左下半区的半边支路的地下换热器的负荷分配，实现半区的负荷偏置，控制地下水流动造成的能量流失。

该系统和方法通过地下蓄能体蓄能中形成四个或多个温位不同的环状区域，实现能量的梯级分布，进一步利用各环状区域动态蓄能控制的温度场重整，实时形成环间逐级动态等温面，其绝热性控制热流传输，提高蓄能传输和能量保持能力；同时，提出环型对置的两个半区的L型联接形式，其实现抑制地下水流动造成的存储能量流失问题。

在能量梯级利用中，一方面利用热源温位进行分级，另一方面利用高温位热源的梯级再利用。经高温集水箱8、四通阀11和中心区回路循环泵14，单向阀组18控制分流，进入地下蓄能体中心区换热器组19，经换热向蓄能体中心区域地下注入热量；此后，通常循环介质温度仍然会高于蓄能体外圈区温度，介质再经过三通阀30和外圈区循环泵17，通过单向阀组24控制分流，进入地下蓄能体外圈区换热器组25，向外圈区外围换热器注入低位热量，后经回流集水箱36、循环泵34或35，返回热源1或2进行循环加热。

该系统和控制流程方法不但有利于实现太阳能热源、生活/生产余热热源和自然冷源的地下蓄能过程高效控制，还有利于实现夏季和冬季热泵运行工况的地下传热和蓄能过程高效控制。其中，不论地下蓄热还是地下蓄冷，共性的概念和技术是一致的，只是控制热流的方向不同。

附图说明

图1为能量地下存储动态控制系统和方法系统流程图。

图2为能量地下存储动态控制系统和方法地下换热器布置分区支路连接截面图(示例图)。

图3为能量地下存储动态控制系统和方法地下换热器连接图(示例图)

图中各部件的编号和对应名称如下：

图1中：1-热源I存储器，2-热源II存储器，3-热源I四通阀，4-热源II四通阀，5-高温集水箱循环泵，6-中温集水箱循环泵，7-低温集水箱循环泵，8-高温集水箱，9-中温集水箱，10-低温集水箱，11-高温集水箱四通阀，12-中温集水箱四通阀，13-低温集水箱三通阀，14-中心区循环泵，15-内环区循环泵，16-中环区循环泵，17-外圈区循环泵，18-中心区回路单向阀组C₁、C₂...C_n(n随地下蓄能系统规模而变的整数)，19-中心区回路地下换热器组c₁、c₂...c_n，20-内环区回路上半边单向阀组Hu₁、Hu₂...Hu_n和下半边单向阀组Hd₁、Hd₂...Hd_n，21-中环区回路上半边地下换热器组hu₁、hu₂...hu_n和下半边地下换热器组hd₁、hd₂...hd_n，22-中环区回路上半边单向阀组Lu₁、Lu₂...Lu_n和下半边单向阀组Ld₁、Ld₂...Ld_n，23-中环区回路上半边地下换热器组lu₁、lu₂...lu_n和下半边地下换热器组ld₁、ld₂...ld_n，24-外圈区回路上半边单向阀组Wu₁、Wu₂...Wu_n和下半边单向阀组Wd₁、Wd₂...Wd_n，25-外圈区回路上半边地下换热器组了wu₁、wu₂...wu_n和下半边地下换热器组wd₁、wd₂...wd_n，26-中心区回路，27-内环区回路，28-中环区回路，29-外圈区回路，30-中心区回路回水三通阀，31-内环区回路回水阀，32-中环区回路回水阀，33-外圈区回路回水阀，34-热源1回水泵，35-热源2回水泵，36-回水集水器。

图2中：地下换热器布置分区支路连接截面图。其中，不同阴影剖面线形式表示蓄能体的主要分区，小圆圈表示地下换热器，虚线框之内为有效蓄能区域。41-外圈区，42-中环区，43-内环区，44-中心区，45-内环区上半边L型组合连接支路，46-1、46-2-中环区上半边L型支路，47-外圈区上半边L型支路，48-中心区环绕型连接支路，49-外圈区下半边L型支路，50-1、50-2-中环区下半边L型支路，51-内环区下半边L型回馈支路。各换热器组数量差异大于75％时，建议采用组合连接支路及环绕连接型支路。

图3中：表示换热器组并联形式形成各循环支路。推荐换热器并联成组，遵循各换热器组流动阻力一致或相近的原则。

具体实施方式

在夏季太阳能利用或余热利用的蓄能过程中，由不同热源而至的循环介质，根据热源实时的温度条件置于热源1或2存储器，通过四通阀3或四通阀4控制，分别缓存于高温集水箱8、中温集水箱9、低温集水箱10，形成三种温位的能量分级，或根据地下蓄能区域规模和热源情况选择分级数量。此后，由高温集水箱8、中温集水箱9、低温集水箱10流出的循环介质，通过四通阀11、四通阀12和三通阀13控制，分别输入地下蓄能体的不同环型区域，即中心区44回路26、内环区43回路27、中环区42回路28和外圈区41回路29的地下换热器联接单元。控制蓄能区域“内高外低”的温度场总体形态，减少蓄存能量向周边扩散；动态蓄能改变各环状区域的局域温度场形态，有利于形成环间的动态温度场等温面，达到进一步抑制能量的向外传输能力。

存在地下水流动的地下蓄能过程中，分别控制外圈区41、中环区42和内环区43的地下换热器群联接的上半边47、46-1、46-2、45支路与下半边49、50-1、50-2、51的半边支路负荷比例分配，阻止上游地下水来流或下游地下水来流造成的能量流失影响。

小周期或大周期内存在由间歇时段划分的基本蓄能阶段，实施例中包括四个阶段。第一阶段(高、高、高、低)，第二阶段(高、高、中、低)，第三阶段(高、中、中、低)，第四阶段(高、中、低、低)，其中括号内顺序分别表征中心区26、内环区27、中环区28和外圈29的温位，其中高代表来自于高温集水箱8、中代表来自中温集水箱9和低代表来自低温集水箱10。高、中之间温位差为30-20℃，中、低之间温位差为25-15℃。间歇性阶段控制形成波动性的环区域之间的动态等温面，其绝热性有力阻止能量向外扩散。

在能量梯级利用中，除利用热源温位主动控制的能量梯级利用，还采用高位能量的梯级再利用。经高温集水箱8、四通阀11和中心区回路循环泵14，单向阀组18控制分流，进入地下蓄能体中心区换热器组19，经换热向蓄能体中心区域地下注入热量；此后，通常循环介质温度仍然会高于蓄能体外圈区温度，介质再经过三通阀30和外圈区循环泵17，经过单向阀组24控制分流，进入地下蓄能体外圈区换热器组25，向外圈区外围换热注入地位热量，后经回流集水箱36、循环泵34或35，返回热源1或2进行循环加热。

该系统和控制流程方法不但有利于实现太阳能热源、生活/生产余热热源和自然冷源的地下蓄能过程高效控制，还有利于实现夏季和冬季热泵运行工况的地下传热和蓄能过程高效控制。

Claims (8)

1.能量地下存储动态控制系统和方法，其特征在于循环介质根据热源实时的温位条件，实现能量分布梯级利用，通过热源1、或热源2，通过四通阀3、四通阀4，根据热源实时的温度条件，分别流入高温集水箱8、中温集水箱9、低温集水箱10，形成三种温位的能量分级利用。

2.能量地下存储动态控制系统和方法，其特征在于循环介质根据不同温位的能量分布实施地下蓄积，由高温集水箱8、中温集水箱9、低温集水箱10流出的循环介质，通过四通阀11、四通阀12和三通阀13控制，分别输入地下蓄能场的不同环状区域，即中心区26、内环区27、中环区28和外圈区29。

3.能量地下存储动态控制系统和方法，其特征在于小周期或大周期内存在由间歇时段划分的基本蓄能阶段。

4.能量地下存储动态控制系统和方法，其特征在于环区域内的地下换热器群联接采用上半边和下半边分离支路形式，实施上半区和下半区支路的负荷分配。

5.根据权利要求1所述的能量地下存储动态控制系统和方法，其特征在于所述的热源为广义概念，包括来自于太阳能集热、生产/生活余能(热量或冷量)、自然冷量等能源。

6.根据权利要求3，所述的周期概念，其特征在于根据能源的实时性划分的周期性。

7.根据权利要求3，所述的间歇时段，其特征在于利用时段性停止地下能量的传输过程。

8.根据权利要求4，所述上半边和下半边分离支路形式均由地下换热器组21或23或25组成，其特征在于地下换热器间距可采用不同节距，各支路间地下换热器组成数量差异应小于70％。

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