CN102549353A - 用于含水层热能储存、加热和冷却系统的双向阀系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于含水层热能储存、加热和冷却系统的双向阀系统。具体地，用于含水层热能储存系统的双向阀系统包括与含水层泵和管道流体连接的液压控制阀。控制泵被选择地致动以液压地打开和关闭该液压控制阀的流体出口。当该流体出口关闭时，全部水流能够从含水层泵送，或者该系统管道中的压力被保持或增加。但是当流体压力需要减小或水被再引入到含水层中时，该液压控制阀的流体出口被选择地打开。

Description

用于含水层热能储存、加热和冷却系统的双向阀系统

技术领域

本发明涉及一种阀系统，具体地涉及一种双向阀系统。

背景技术

土地具有长时间储存热能的能力。在二十世纪70年代，为了能源保护和提高能效研发了地下热能储存系统。虽然在地面上存在很大的温度变化，特别是在夏季和冬季月份之间，但是地下温度没有那么大的变化。例如，地下的含水层可以具有10℃-15℃的水温，而地面上温度可以在0℃-35℃的范围。这种温度差能够有利地用于给建筑物降温或加热。实际上，这种系统已经包含在各种建筑物的加热和冷却系统中，主要是在欧洲。

现在参考图1-3，图1-3示出常用的开路含水层热能储存系统。它依赖于含水层中的冷的和/或温的地下水的季节性储存。含水层能量储存、加热和冷却系统10需要合适的含水层，在含水层中建立至少两个热力井(thermal well)12和14。在图1中，热力井12表示冷水井，而参考数字14表示热水井。本领域的技术人员应当明白，井12和14实际上可以是同一含水层的一部分，但是分开足够远以便保持其冷的和热的特性。每个井12和14包括延伸到地面上的结构/建筑物(structure)24的至少两个管道16-22。应当明白，该建筑物24可以包括单个建筑物、多个建筑物、温室、或需要被冷却或加热的任何其他建筑物。

具体参考图2和图3，解释现有技术的冷井12需要两个独立的管道16和18而温井需要两个独立的管道20和22的理由。如图2所示，在较热的季节期间，水从较冷的含水层或井12泵送到需要冷却的建筑物24中。在许多情况下，该系统包括换热器26，其中冷水通过该换热器26，使水的温度升高而建筑物24变凉。现在较温的水例如通过管道20被输送给较温水含水层或井14。在较冷的季节期间，如图3所示，来自含水层的较温部分14的水，例如通过井或管道22，泵送给现在需要加热的建筑物24。水可以通过如上所述的换热器26。现在较冷的水，例如通过管道或井18输送给含水层的较冷的部分12。这就是所谓的开路含水层热能储存系统。这种循环季节性地重复。

含水层热能储存系统是非常节能的，因为它不需要根据要求燃烧矿物燃料或利用电加热或冷却水。而是，含水层热能储存系统利用在夏季和冬季期间能够得到的天然的加热和冷却，并且将热储存在含水层中直到当它能够被使用时的后面的冷却和加热的季节。水的热容量特别高并且地下水流的性质和多孔的媒质使含水层成为储存和恢复热的极好的媒质。该循环季节性地重复，并且没有对含水层系统纯粹抽取或添加水。

包括含水层热能储存系统的合适的含水层可以是从几英尺到几百英尺的地下。比起如果单个井和管道能够插入每个冷的和温的含水层，含水层的每个冷部分和热的部分除了连接管等之外还需要钻多个井等，二者使整个系统变复杂又使系统变的更昂贵。因此，仍然需要一种用于含水层热能储存、加热和冷却系统的阀系统，该阀系统允许水通过单个管道或井双向流动到每个冷的和温的含水层。本发明满足这种需要并且提供其他相关的优点。

发明内容

本发明涉及双向阀系统或含水层热能储存、加热和冷却系统。这种含水层热能储存系统包括与含水层流体连通的含水层泵，和用于通过含水层泵将水从含水层引向建筑物的管道，以便根据季节需要加热或冷却该建筑物。

该双向阀系统一般包括与含水层泵流体连接的液压控制阀和该含水层热能储存、加热和冷却系统的管道。该液压控制阀具有与选择地致动的控制泵流体连通的压力调节室。液压控制阀的流体出口随着压力调节室的流体压力增加或减少选择地被打开和关闭。当水从含水层沿着第一方向经由含水层泵，通过液压控制阀的通道并进入该管道并最终到建筑物时，液压控制阀的流体出口关闭。但是当水沿着第二方向，例如，从建筑物经由管道朝着含水层流动时，由于液压控制阀的流体出口打开，水流进含水层。因此，同一管道或井能够用来从含水层泵送水以及接收到含水层的水。

液压控制阀具有与含水层泵流体连通的第一开口端和与管道流体连通的第二开口端。液压控制阀的第一开口端和第二开口端之间的通道构造成使得当液压控制阀的流体出口关闭并且水从含水层向建筑物泵送时，在含水层泵和管道之间不存在流量限制。

液压控制阀包括具有与压力调节室流体连通的第一部分的活塞。当该活塞运动时它打开和关闭液压控制阀的流体出口。压力补偿室与活塞的第二部分流体连通。压力补偿室与一体积流体(a volume of fluid)流体地连通，该体积流体通向大气并且对该压力补偿室提供静压力。弹簧用来朝着关闭液压控制阀的流体出口的位置偏置活塞，例如当压力补偿室的流体压力和液压控制阀的压力调节室的压力相等时。

通常，电子控制器用来选择地操作该控制泵。传感器将感测的含水层热能储存、加热和冷却系统的流体状况和输送给该电子控制器。这种感测的流体状况通常是管道的流体压力状况。

阀由电子控制器致动以允许液压控制阀的调节室增压或减压。通常，该阀包括诸如电磁阀的多向(multi-way)电子控制阀。

从下面参考附图更详细的描述本发明的其他特征和优点将变得很面白，附图以举例的方式示出本发明的原理。

附图说明

附图示出本发明，在附图中：

图1是示出现有技术的含水层热能储存、加热和冷却系统的示意图；

图2是示出利用图1的系统冷却建筑物的示意图；

图3是示出利用图1的系统加热建筑物的示意图；

图4是示出用在根据本发明的含水层热能储存、加热和冷却系统中的管形液压控制阀，同时泵从含水层抽水的示意图；

图5是类似于图4的示意图，但是示出水返回到含水层；

图6是实施本发明的双向阀系统的示意图；

图7是实施本发明的管形液压控制阀的正透视图；

图8是大致沿着图7的线8-8截取的管形液压控制阀的剖视视图；

图9是图8的区域“9”的放大的剖视图，示出在关闭状态的控制阀的流体出口；

图10是类似于图8的剖视图，但是稍微打开以露出液压控制阀的流体出口的一部分；

图11是本发明的液压控制阀的剖视图，示出其流体出口被打开；

图12是图11的区域“12”的放大的剖视图。

具体实施方式

如附图中所示，为了说明，本发明涉及含水层热能储存、加热和冷却系统的双向阀系统。特别是本发明包括液压控制阀，有时候也称为液压管阀，其具有选择地打开和关闭的流体出口，以便适应含水层的单个井或管道中的双向流体流动，以便不需要如上所述的用于含水层的每个温的和冷的部分的两个井或两个管道。正如文中更详细地描述的，本发明的双向阀系统也能够控制该系统的压力调节。

现在参考图4和图5，标准的含水层热能储存、加热和冷却系统的成本通过利用双向流动能够最小化，其中在空调/冷却(夏季)期间水沿着一个方向流动，在加热(冬季)期间水沿着相反的方向流动。因此，单个井12或14和单个管道18或20可以用于每个冷井和温井或含水层的部分12或14。这使钻两口或更多竖井(well shaft)以及用于附加管道的附带需要所必须的时间和成本最小化。

继续参考图4和图5，每个井或含水层4和5包括用于将水从含水层泵送到建筑物的含水层泵28，如图4所示。例如，在温暖的夏季月份期间，含水层泵28从冷含水层部分或井12泵送水，使得冷水能够，例如经由换热器装置等输送到建筑物，以便冷却该建筑物，如上所述。但是，如上所述，在较冷的冬季月份，在温含水层的竖井(well or shaft)或井14中的含水层泵28从含水层14泵送温水通过管道并且到建筑物，以加热该建筑物。如上所述，在现有技术系统中，在水已经通过换热器、建筑物等之后，需要附加的井和管道以便输送水到另外的井或含水层的部分。

但是，本发明包括利用液压控制阀100，其能够沿着两个流动方向运行/工作，用作直接安装在水下泵28的出口的开口管，如图4所示，或沿着相反的流动方向，如图5所示，其中水返回到含水层。

参考图6，双向阀系统一般包括液压控制阀100，这种阀100能够像管子一样起作用，并且因此可以准确地被称为液压管阀。控制泵102选择地致动以操作控制阀100。更具体地说，电子控制器104可操作地连接于控制泵102，用于选择地为控制泵102供给能量。传感器106将感测的含水层热能储存、加热和冷却系统的流体状况输送给电子控制器。通常，传感器感测液压控制阀100与其连接的管道18或20的流体压力状态。第一流体输送管/导管(conduit)108，本文有时候称为调节输送管，将泵102流体地连接于控制阀100的调节室140。第二流体输送管110流体地连接于控制阀100的补偿室138。第二流体补偿输送管110与大气压力相通。多向阀112流体地连接于第一调节流体输送管108。通常，阀112是诸如电磁阀的电子控制阀。这个阀112能够选择地打开和关闭以便使泵102能够对控制阀100增压，或打开/关闭以允许第一流体输送管108中的流体暴露于大气并且排放。

参考图7和图8，液压控制阀100包括上下止动导座/导件(stop guide)114和116，每个止动导座114和116包括孔118和120，优选孔118和120彼此对齐并且具有相同的截面积。通常，泵28的出口将连接于下止动导座116而管道18或20连接于上止动导座114，其内径大致相互对应，以便形成通过控制阀100的流动路径，其在泵28和管道18或20之间通常不妨碍，并且没有限制或压力变化。

通常为管状结构的空心壳体122，在上下止动导座114和116之间延伸，以便大致形成管子结构。流体出口孔124形成在该壳体122中，通常靠近下止动导座116。在特别优选的实施例中，如图所示，具有大致围绕管形壳体122的下部周边以彼此空间间隔开的关系形成的多个流体出口124。但是，应当明白该流体出口124的形状、结构、尺寸可以修改并且仍然实现本发明的目的。

活塞126可滑动地设置在该管形壳体122中，如图8所示。优选，活塞126是空心的并且其内径大体对应于止动导座114和116的孔118和120的内径。弹簧120将活塞126偏置到封闭流体出口孔124的关闭位置，如图8所示。在所示的实施例中，弹簧128设置在活塞的上止动导座114的凸肩130和下止动导座116的凸肩132之间。虽然弹簧128示为设置在活塞126内，但是应当明白，弹簧128可以可选地围绕活塞126的外部设置。

参考图8和图9，可以看到活塞126的外径通常小于管形壳体122的内径，以便在其之间形成空间。活塞126包括圆周导座134，通常具有与其相关的O形环136，该O形环136延伸成与管形壳体122接触。这在图9中更清楚地看到。活塞导座134将该空间分成通常在该活塞导座134上方的成补偿室138，和通常在该活塞导座134下方的调节室140。该补偿室138和调节室140彼此流体地分开并且是独立的，因此它们具有不同的压力。入口/出口142形成为通过该管形壳体以便使第二流体补充输送管110设置成与补偿室138流体连通。同样，入口/出口144形成为通过管形壁122，以便将第一流体输送管108设置成与控制阀100的调节室140流体连通。

当水被抽取通过泵28并且通过阀100向上进入加热和冷却系统时，该控制阀100是关闭的。如图8和图9所示。即，活塞126被向下偏置以便封闭流体出口124，因此活塞的下端146移动成与下止动导座116接触，并且更通常与止动导座116的O形环或密封元件148接触。这防止流体或水流过流体出口孔124。这也能够使未限制的水流通过控制阀100，正如图8中的向上指向的箭头所示。

参考图6至图9，为了加热和冷却该建筑物，在当水从含水层经由含水层泵28，并通过液压控制阀100，向上引导到管道18或20并且最终到建筑物的情况下，该控制泵102不泵送水到调节室140。替代地，该补偿室138和调节室140之间的水压相等或接近相等并平衡。如果需要，电子阀112打开，以便能够从调节室140和第一输送管108排放流体，以形成平衡。在这种情况下，弹簧128向下偏置活塞126以便封闭并完全关闭流体出口孔124。输送管108和110中的流体压力的平衡，并且因此补偿室138和调节室140的压力平衡在图8中由近似相同大小的箭头示出进入这些室138和140的进口/出口142和144。

再次参考图9，能够看到，活塞导座(guide)134的上部几何形状150和下部几何形状152优选基本相同并相等。在这种情况下，这便于平衡上部补偿室138和下部调节室140之间的压力。

如图4所示，当从含水层到建筑物通过水时，流体出口124不仅被关闭，而且还作为增加管道18或20中的流体压力的一种装置(means)。情况是这样，液压控制阀100设置在井中并且设置在泵上，这个泵未接通并且不从含水层泵送水，而是另一个井和泵从含水层抽水并且朝着液压控制阀100移动水。在这种情况下，在每个井12和14中的每个液压控制阀100的流体出口完全关闭。在第一个井中允许不受限制的水流通过它，并且在第二个井中以便防止水回流到与第二个井相关的含水层。该附属泵28的回止阀将防止水沿着相反的方向流动通过它。

现在参考图6和图10，当希望在系统中的水压稍微减小时，电子控制器104致动泵102以将流体注入控制阀100的调节室140中。这在图10中示出，其中较大的方向箭头表示进入到调节压力室140的入口/出口144的流体压力增加。这能够以一种控制方式来实现，即，使活塞126稍微向上移动以便仅仅露出一部分流体出口124。以这种方式，非常低的水流能够渗出管道18或20并且进入含水层12或14。本领域的技术人员应当明白，这样做以便调节系统内的总的压力。这样作，例如，能够形成比较低的水流通过该系统使得在加热或冷却建筑物时能够产生最大的能量输送。

参考图7和图10，在特别优选的实施例中，凹槽154形成在一个或多个流体出口124的下部，以便凹槽154在流体出口124之前被露出。这样做以便起初形成小的露出的出口，以便增加流出到含水层的水的整体控制。应当明白，同样的目的可以通过其他手段实现，例如通过交错排列流体出口124，使得一些流体出口比另一些形成在管形壳体122的更下端。出口的其他结构，例如V形形状的狭槽也能够实现这个目的。

参考图11和图12，当希望水流到含水层时，如图5所示，控制泵102被致动以通过将流体注入其中增加控制阀100的调节室140中的流体压力，如图11的进口/出口144的上方的增加尺寸的箭头所示。这迫使活塞126向上运动并逐渐露出流体出口124直到流体出口124完全露出，如图11和图12所示。由于该附属含水层泵28的回止阀防止流体流入其中，所以水流出该流体出口124并流进含水层12或14。应当明白这减小系统的压力并增加通过其的流体流。

参考图4和图5，假设图4表示含水层12或14的一个井或一部分，并且图5表示含水层12或14的另一个井或另一部分，其组合形成一个开路含水层热能储存、加热和冷却系统。图4的液压控制阀100的流体出口124被关闭使得含水层泵28能够从含水层通过水向上进入系统和将被加热或冷却的建筑物中。水将流动到连接于含水层12或14的另一个井的管道18中。在图5的情况下，液压控制阀100的流体出口孔124基本打开以便允许水比较自由地流到含水层12或14。在这种情况下，液压控制阀100处在图11和12所示的位置。

如果希望进入含水层的水流减少，或系统的压力增加，则调节室140(和第一输送管108)中的流体压力能够稍微或逐渐减小使得弹簧128将活塞126偏置到逐渐关闭或部分地关闭流体出口124的位置。例如，这能够通过致动阀112以与大气相通并且使给定体积的流体能够从调节室140和调节输送管108排出来实现。电子控制器104将致动电子阀112，以使调节室实质上减压直到达到系统管道中希望的流体流或流体压力。

再一次参考图4和图5，本领域的技术人员应当明白，这些图可以表示冷的或温的部分的第一和第二井，或含水层的井，示出从图4的含水层流出的流体被泵送到系统中，并且排出到图5的含水层。可选地，图4和图5可以视为表示相同的井和含水层，但是在第一种情况含水层泵28被致动以从含水层向系统泵送水，例如在夏季期间以冷却建筑物，并且在冬季接收来自含水层的温井或温部分的水并且将现在变冷的水排出到冷含水层为了以后在夏季使用。正如上面所说明的，本发明的合并能够实现双向流动以及单个或较少的井和管道，与含水层的每个井或温的或冷的部分一起使用。

本发明领域的技术人员应当明白，储存含水层的深度可以从几英尺到几百英尺变化。为了避免与一个安装工地与另一个安装工地相比的深度有关的压力变化，如上所述液压控制阀100被液压地偏移。补偿室138由与大气相通的流体填充管110连接，其产生补偿室的静气压。连接于调节室140的输送管108也用流体填充。当输送管108和110与大气相通时，并且当控制泵102不致动时，补偿室和调节室中的压力平衡。这是由于补偿室138和调节室140的几何面积相等从而作用在活塞导座134上的力相等。当这些压力平衡时，弹簧128克服调节室140的压力并迫使活塞向下以关闭流体出口124。但是，当流体借助于控制泵102注入调节室时，调节室140中的压力的增加克服弹簧128的偏置并且向上移动活塞，并且逐渐打开流体出口124以允许流体流通通过流体出口。当泵102停止并且电子控制阀112打开以减小输送管108和调节室140的压力时，输送管108和110以及室138和140中的体积和压力再一次变成平衡，使弹簧128能够关闭活塞126。这能够使用同样的弹簧而与含水层的深度、含水层泵28以及液压控制阀100无关。这种设置也使比较小的泵102能够用于将一定量的流体注入到调节室140中，因此，不需要很大的流体压力克服弹簧128的偏置，以便向上移动活塞并且到打开位置。当每个室138和140的压力平衡时，弹簧128唯一作用是密封来自两个室的流体的流动。

虽然为了说明已经描述了若干实施例，但是在不脱离本发明的范围和精神实质的情况下可以进行各种修改。因此，除了权利要求之外本发明不被限制。

Claims (19)

1.一种含水层热能储存、加热和冷却系统的双向阀系统，其具有与含水层流体连接的含水层泵和用于经由所述含水层泵从含水层将水引向建筑物的管道，所述双向阀系统包括：

选择地致动的控制泵；和

液压控制阀，其被流体连接到所述含水层热能储存、加热和冷却系统的所述含水层泵和管道，并且具有与控制泵流体连通的压力调节室，其中随着所述压力调节室的流体压力增加或减少所述液压控制阀的流体出口被选择地打开和关闭；

其中当水从所述含水层经由所述含水层泵沿着第一方向流动，或希望增加管道压力时，所述液压控制阀的流体出口被关闭；并且

其中当水沿着第二方向朝着所述含水层流动时，由于所述液压控制阀的流体出口被打开，水流进所述含水层。

2.根据权利要求1所述的系统，包括用于选择地操作所述控制泵的电子控制器。

3.根据权利要求2所述的系统，包括将感测的所述含水层热能储存、加热和冷却系统的流体状况输送给所述电子控制器的传感器。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述传感器感测管道的流体压力状况。

5.根据权利要求1所述的系统，包括由所述电子控制器致动的阀，以允许所述液压控制阀的调节室增压或减压。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述阀包括多向电子控制阀。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述液压控制阀包括活塞，该活塞具有与所述压力调节室流体连通的第一部分，并且所述第一部分随着活塞的运动打开和关闭所述液压控制阀的流体出口。

8.根据权利要求7所述的系统，包括朝着关闭所述液压控制阀的流体出口的位置偏置所述活塞的弹簧。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述液压控制阀包括与所述活塞的第二部分流体连通的压力补偿室。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述压力补偿室与一体积流体流体连通，该体积流体通向大气并且为所述压力补偿室提供静压力。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述液压控制阀具有与所述含水层泵流体连通的第一开口端和与管道流体连通的第二开口端以及在所述第一开口端和第二开口端之间的通道，以便当所述液压控制阀的流体出口被关闭并且水从所述含水层泵送给建筑物时在所述含水层泵和管道之间不存在流量限制。

12.一种含水层热能储存、加热和冷却系统的双向阀系统，其具有与含水层流体连通的含水层泵和用于从含水层经由所述含水层泵将水引到建筑物的管道，所述双向阀系统包括：

电子控制器；

将所述含水层热能储存、加热和冷却系统的流体状况输送给所述电子控制器的传感器；

由所述电子控制器选择地致动的控制泵；

液压控制阀，其被流体连接到所述含水层泵和所述热能储存、加热和冷却系统的管道，并且具有与所述控制泵流体连通的压力调节室，其中随着所述压力调节室的流体压力增加或减少所述液压控制阀的流体出口被选择地打开和关闭；以及

由所述电子控制器致动以允许所述液压控制阀的调节室增压或减压的阀；

其中当水从所述含水层经由所述含水层泵沿着第一方向流动，或希望增加管道压力时，所述液压控制阀的流体出口被关闭；并且

其中当水沿着第二方向朝着所述含水层流动时，由于液压控制阀的流体出口被打开，水流进所述含水层。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述传感器感测所述管道的流体压力状况。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述阀包括多向电子控制阀。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述液压控制阀包括活塞，该活塞具有与所述压力调节室流体连通的第一部分，并且当所述活塞移动时该第一部分打开和关闭所述液压控制阀的流体出口。

16.根据权利要求15所述的系统，包括朝着关闭所述液压控制阀的流体出口的位置偏置所述活塞的弹簧。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述液压控制阀包括与所述活塞的第二部分流体连通的压力补偿室。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述压力补偿室与一体积流体流体连通，该体积流体通向大气并且为所述压力补偿室提供静压力。

19.根据权利要求12所述的系统，其中所述液压控制阀具有与所述含水层泵流体连通的第一开口端和与所述管道流体连通的第二开口端以及在所述第一开口端和第二开口端之间的通道，以便当所述液压控制阀的流体出口被关闭并且水从所述含水层泵送给建筑物时在所述含水层泵和所述管道之间不存在流量限制。

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