CN104813132B - 用于操作储存热能的装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于操作储存热能的装置(1)的方法。装置(1)包括具有垂直温度梯度的能量储存器(2)。所述方法包括从能量储存器(2)中取出第一温度(T1)的能量，用于在第一吸热系统(3)中使用，使得在能量储存器(2)中产生用于第二温度(T2)的能量的自由空间。第二温度(T2)高于第一温度(T1)。
Description
发明领域
本发明涉及用于操作储存热能的装置的方法。
发明背景
存在对在现代能量技术领域内有效储存热能的需求。
例如，热能可以有利地储存在诸如水的流体中，其中流体在地面之上的绝缘贮水池中、在地面上的绝缘槽中或在地下的使用周围的大地作为绝缘的开凿的洞穴里。在很长的时间段中以很大程度保存流体的热能。现今，这些方法被用在世界的不同部分以便满足在不同季节之间储存热能的需求，例如储存暂时过剩的热量，之后在对过剩的热量存在需求时且优选地在其金融值更高时进行使用。主要的能量转换是从夏天的一部分(此时对供暖需求较低)到冬天的一部分(此时对供暖的需求更高)的转换。然而，通过将储存器用于短期变化并总是积极地储存过剩热量也大有获益。这些类型的储存器还可以用于储存将被用于冷却的冷却器的流体，以及用于具有中间的温度的流体，诸如在低温系统中使用的流体。
现今市场上可用的储存地下热能的装置具有的显著缺点是，在使用过程中其包含具有中间温度的大量能量。中间温度既没有高到足以用于不同类型的加热也没有低到足以用于冷却。
瑞典专利申请0950576-9公开了一种有效的热能储存器。然而，仍然存在对用于储存地下热能的更改进的装置的需求。
发明内容
根据本发明的一方面的目的是提供用于操作储存热能的装置的方法，该方法使装置在使用中更高效。
根据本发明的第一方面，通过用于操作储存热能的装置的方法来实现这些目的，所述装置包括具有垂直温度梯度的能量储存器，并且其中所述方法包括从能量储存器中取出第一温度的能量，用于在第一吸热系统中使用，使得在能量储存器中产生用于第二温度的能量的自由空间，并且其中第二温度高于第一温度。
由于从能量储存器中取出第一温度的能量，在能量储存器中产生了用于第二温度的能量的自由空间，这是有利的。第二温度的能量可以比第一温度的能量具有更广的应用范围且可以在可以是高温系统的第二吸热系统中使用。第一温度可以在15℃到65℃的范围内，且第二温度可以在50℃到100℃的范围中。这是第一温度和低温温度的优选温度区间。
该方法还可以包括从第一吸热系统接收能量，该能量具有低于第一温度和第二温度的第三温度，并且在能量储存器的具有第三温度的水平处提供该能量。当在第一吸热系统中使用该能量时，流体的温度被降低且因此在能量储存器中的温度低于第一温度和第二温度的水平处提供该能量。第三温度可以在4℃到25℃的范围内。然后具有该第三温度的能量可以诸如被用在冷却系统中，例如，用于进气的冷却盘管、房间的冷却盘管、风机盘管、地板下冷却盘管以及天花板冷却盘管。
该方法还可包括从放热系统接收第二温度的能量，并且在能量储存器的具有第二温度的水平处提供该能量。放热系统可以选自包括下列项的组：废热的工业设施或其它源、用于加热或用于组合式发电和加热的热电联产站(CHP)、太阳能电池板、热泵、生物燃料锅炉、电加热器或化石燃料锅炉。由于在取出第一温度的能量时在能量储存器中产生了用于第二温度的能量的自由空间，该空间可以填充第二温度的能量，即，填充比第一温度的能量具有更广的应用范围的能量。
该方法还可包括从放热系统接收第一温度的能量，并且在能量储存器的具有第一温度的水平处提供该能量。
该方法还可以包括从能量储存器中取出第二温度的能量，用于在第二吸热系统中使用，并且此后，从第二吸热系统接收第一温度的能量并且在能量储存器的具有第一温度的水平处提供该能量。当第二温度的能量被用在第二吸热系统中，温度被降低且因此在能量储存器中的温度低于第二温度的水平处提供该能量。
该方法还可以包括从能量储存器中取出第三温度的能量，用于在放热冷却系统中使用，并且此后，从放热冷却系统接收第一温度的能量并且在能量储存器的具有第一温度的水平处提供该能量。当第三温度的能量被用在放热冷却系统中，温度被升高且因此在能量储存器中的温度高于第三温度的水平处提供该能量。该冷却系统可以选自包含下列项的组：用于进气的冷却盘管、房间的冷却盘管、风机盘管、地板下冷却盘管以及天花板冷却盘管。应注意，当从能量储存器中取出第三温度的能量并且接着将其以更高的温度返回时，诸如人类和照明系统以及建筑物中的其它设备的热源本质上充当能量储存器的热源，用于之后可能的使用。在这个意义上，冷却系统是放热系统。
该方法还可以包括从装置的外部接收能量，并且在能量储存器的具有第三温度的水平处提供能量。作为一个例子，来自冰或雪的能量也可以被储存在能量储存器。当冰或雪融化时，这导致能量具有低的温度，即在第三温度的温度区间之中。因此，该能量可以被放置在能量储存器的具有第三温度的水平处。还可以从区域冷却系统中接收该第三温度的能量。
第一吸热系统可以是低温系统。第一吸热系统可以选自包括下列项的组：散热器、进气加热盘管、地板下加热盘管、天花板加热盘管、或墙壁加热盘管，所有这些都是优选的实施例。
第二吸热系统可以是高温系统。
放热系统可以选自包括下列项的组：废热的工业设施或其它源、用于加热或用于组合式发电和加热的热电联产站(CHP)、太阳能电池板、热泵、生物燃料锅炉、电加热器或化石燃料锅炉。
放热冷却系统可以选自包括下列项的组：用于进气的冷却盘管、房间的冷却盘管、风机盘管、地板下冷却盘管以及天花板冷却盘管。
在一个实施例中，在能量储存器中使用了垂直温度分层，以便降低提取热能时的电能消耗。储存器内的流体的自循环运动由于储存器中的不同流体层之间的密度差而产生。
此外，可以使用垂直温度分层以便产生电能同时提取热能。如上所述，储存器内的流体的运动由于储存器中的不同流体层之间的密度差而产生。这在寒冷气候中特别有用，在寒冷气候下，以此方式发电的可能性通常在电力需求高的时期中，特别是冬季时期中更好。
在一个实施例中，使用内组合式加热与冷却机以便增强能量储存器的能量储存能力。这种加热与冷却机主要使用中间温度的能量，释放空间用于储存更多高温和低温的能量。
通常，除非本文另有明确规定，否则权利要求中使用的所有术语将根据其在本技术领域中的普通含义进行解释。除非另有明确陈述，否则对“一种(a)/一种(an)/所述(the)(元件、设备、组件、构件等)”的所有提及将被开放地解释为指所述元件、设备、组件、构件等中的至少一个示例。此外，在整个说明书提到的术语“包括”，其表示“包括但不限于”。
附图的简要说明
现在将参考示出本发明的当前优选的实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其它方面。
图1示出了根据本发明的第一实施例的、用于储存热能的装置的示意图。
详细描述
图1示出了根据本发明的第一实施例的用于储存热能的装置1。装置1包括能量储存器2，其可以为贮水池或诸如地下洞穴的能量储存器。能量储存器2通过热交换器9连接到第一、第二及第三吸热系统3、4、5，第一和第二放热系统6、7以及冷却系统8。
在该示例性的实施例中，第一吸热系统3是低温系统，例如用于对建筑物供暖的供暖系统。第一吸热系统3被连接到热交换器10。从能量储存器2中取出第一温度T1的能量并且使用热交换器10将其用于对建筑物供暖。虽然图1仅示出了一个建筑物，但可能(或者甚至优选)将该装置连接到多个建筑物。
冷却系统8用于通过热交换器10对建筑物制冷。从能量储存器2中取出第三温度T3的能量并且使用热交换器10将其用于对建筑物制冷。
第三吸热系统5是用于建筑物的热自来水系统。从能量储存器2中取出第一温度T1的能量并且将其用于热自来水系统。
第二吸热系统4是高温系统并且在该例子中是区域供暖系统。从能量储存器2向第二吸热系统4充入温度T2的能量。
第一放热系统6是至少一个太阳能采集器。一个或多个太阳能采集器可以形成太阳能供暖系统。太阳能采集器被充入能量，此后在能量储存器2中在温度T2或T1的水平处提供该能量。第二放热系统7是区域供暖系统。第二放热系统7向能量储存器2提供温度T2的能量。第二放热系统7也可向能量储存器2提供温度T1的能量，例如以便增加热电联产站中的电输出或使用来自排出的烟道气的冷凝的热量。第一放热系统6，即太阳能采集器的使用是可选的。有可能使用不同的应用来将太阳能采集器连接到建筑物的放热和/或吸热系统。
应理解，可将任意数量的和任意类型的放热系统、吸热系统和冷却系统连接到用于储存热能的装置1。
在能量储存器2中储存了不同温度的能量。能量储存器2的上部具有相比较凉的下部高的温度。这是由于具有不同温度的流体(即液态水)之间的密度差。存在在中间的过渡区中的具有中间温度的层。为了使用储存器的全部潜能，有效地使用不同的、可变的温度是重要的。一个情况是储存器配备有位于不同高度处的入口和出口。因此，存在一些能量连通构件11，例如伸缩管，其从处理区12延伸且其被布置为在能量储存器2的合适的垂直水平处从能量储存器2取出一部分能量，以便允许通过至少一个热交换器来处理能量。提及的能量连通构件11在本实施例中表示流体连通构件。能量连通构件11还被布置为将处理的能量在能量储存器2的合适的垂直水平处返回到能量储存器2。作为例子，可以在具有所述第一温度的所述能量储存器2的水平处从能量储存器2取出第一温度T1的能量，用于在第一吸热系统3中使用以便对建筑物供暖。当在第一吸热系统3中使用该能量时，能量的温度被降低到第三温度T3或温度T1的较低部分。接着将能量返回到能量储存器2的相应温度水平处。另一个例子是在具有第一温度T1的能量储存器2的水平处从能量储存器2取出第一温度T1的能量。然后该能量经由热交换器9中的一个通过来自太阳能采集器的热量被加热到第二温度T2或温度T1的较高部分。此后，将能量返回到能量储存器2的相应温度水平处。第一温度T1在15℃到65℃的范围内，第二温度T2在50℃到100℃的范围内，且第三温度T3在4℃到25℃的范围内。
能量储存器2可以相应地用于加热与用于冷却，加热即返回到能量储存器2的能量具有比其被提取时低的温度，冷却即返回到能量储存器2的能量具有比其被提取时高的温度。
可以从装置1的外部13接收用于冷却的能量，且可在具有第三温度T3的能量储存器2的水平处提供该能量。例如，该能量可以来自冷水。还可以通过连接到其它冷源的外部源14来产生能量，冷源为例如冰、雪、冷空气、湖/河/海、冷冻器、区域冷却系统。如果能量来自融化的冰或雪，则优选将冰或者雪储存在高于地下水位的水平处，使得可以排泄受污染的、融化的水。可以使用温度T3的能量进行融化。
此外，还可以通过连接到能量储存器2的、例如用于冰或雪的第二独立储存器的外部冷源16来产生能量。可以通过将来自能量储存器2的水冻结来产生储存器16中的冰或雪，由此具有4℃的温度的最重的水位于储存器的底部而具有比水的密度小的密度的冰漂浮在储存器的表面。
在一个实施例中，例如通过诸如热泵的内组合式加热与冷却机15来供应用于冷却和加热的能量。加热与冷却机15从能量储存器2中的温度T2、T1或T3的水平提取能量，同时其将加热的能量返回到能量储存器2中的温度T2或T1的水平且将冷却的能量返回到温度T2、T1或T3的水平。能量领域的技术人员应认识到，可以将组合式加热与冷却机以许多不同的配置进行布置以实现高的效率和灵活性。
在一个实施例中，装置1不包括具有温度T3的水平。而是，装置1仅包括温度水平T1和T2。
在一个实施例中，来自外部13的例如可以为饮用水的温度T3的冷水通过交换器9a被加热到温度T1。例如，通过能量连通构件11a来向热交换器9a供应温度T1的能量。在此之后，温度T1的水通过热交换器9b被加热到一定温度，该温度处于T1的范围的较高部分中，可替代地，处于范围T2的的较低部分中。例如，通过能量连通构件11b来向热交换器9b供应温度T1或T2的能量。此后，温度T1或T2的水可被用在用于建筑物的热自来水系统中。作为非限制的例子，来自外部13的冷水的温度可以在5-15℃的范围中。T1的范围的较低部分中的温度可以在25-35℃的范围中。T1的范围的较高部分中(可替代地，范围T2的较低部分中)的温度可以在55-65℃的范围中。
在4℃以上范围内，热液态水相比较凉的水具有更低的密度，这使得不同温度的水将被放置在能量储存器内的不同垂直水平处，即垂直温度分层。在从能量储存器2中提取热量期间，密度差产生梯度流动，因为具有较低密度的热水向上流动通过储存器到达热交换器，在热交换器中，热水被冷却。在回流管中，密度差异使产生较冷的水的向下流动。这导致不同密度的两个水柱产生可被用于梯度流动的重力，以便降低电能的消耗。
当对能量储存器充入热量时，效应被逆转，并且必须增加诸如泵或电动机的额外的电能源以驱使流动。
由于主要在夏天期间执行对能量储存器的充能，而主要在冬天期间执行放能，这意味着在夏天期间需要额外的电能用于泵送，但在需求和成本更高的冬天期间可以产生额外的电能，即季节性的电能储存。在夏天将通过泵与电动机供应额外的电能。同一个泵-电动机在冬天期间将被用作涡轮机-发电机。垂直高度大的能量储存器将增强该效应。
本领域技术人员认识到，本发明绝不受限于上述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内的许多修改和变化是可能的。
Claims (13)
1.一种用于操作储存水的装置(1)的方法，所述装置(1)包括具有垂直温度梯度的能量储存器(2)，所述方法包括从所述能量储存器(2)中取出第一温度(T1)的水，用于在第一吸热系统(3)中使用，使得在所述能量储存器(2)中产生用于第二温度(T2)的水的自由空间，其中所述第二温度(T2)高于所述第一温度(T1)，
从所述能量储存器(2)中取出所述第二温度(T2)的水，用于在第二吸热系统(4)中使用，
在所述能量储存器(2)的具有所述第二温度(T2)的水平处提供所述第二温度(T2)的水，
其特征在于，所述方法还包括
从所述能量储存器(2)中取出第三温度(T3)的水，用于在放热冷却系统(8)中使用，并且
在所述能量储存器(2)的具有所述第三温度(T3)的水平处提供所述第三温度(T3)的水，所述第三温度(T3)低于所述第一温度(T1)和所述第二温度(T2)，
其中所述第一吸热系统(3)是低温系统并且所述第二吸热系统(4)是高温系统。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述第一吸热系统(3)中接收所述第三温度(T3)的水并且在所述能量储存器(2)的具有所述第三温度(T3)的水平处提供所述第三温度(T3)的水。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括从放热系统(6、7)接收所述第二温度(T2)的水，并且在所述能量储存器(2)的具有所述第二温度(T2)的水平处提供所述第二温度(T2)的水。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括从放热系统(6、7)接收所述第一温度(T1)的水，并且在所述能量储存器(2)的具有所述第一温度(T1)的水平处提供所述第一温度(T1)的水。
5.根据权利要求1或2所述的方法，还包括从所述第二吸热系统(4)中接收所述第一温度(T1)的水并且在所述能量储存器(2)的具有所述第一温度(T1)的水平处提供所述第一温度(T1)的水。
6.根据权利要求1或2所述的方法，还包括从所述放热冷却系统(8)接收所述第一温度(T1)的水并且在所述能量储存器(2)的具有所述第一温度(T1)的水平处提供所述第一温度(T1)的水。
7.根据权利要求1或2所述的方法，还包括从所述装置(1)的外部(13、14)接收水，并且在所述能量储存器(2)的具有所述第三温度(T3)的水平处提供所述水。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一温度(T1)在15℃到65℃的范围内。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第二温度(T2)在50℃到100℃的范围内。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第三温度(T3)在4℃到25℃的范围内。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述能量储存器(2)中使用了垂直温度分层，以便通过由于垂直水平之间的密度差而产生的梯度流动来降低提取热能时的电能消耗。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，使用所述垂直温度分层以便在提取热能的同时产生电能。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用内组合式加热与冷却机(15)以便通过从所述能量储存器(2)中的具有第一温度(T1)、第二温度(T2)或第三温度(T3)的水平提取水，同时将加热的水返回到所述能量储存器(2)中的具有第一温度(T1)或第二温度(T2)的水平且将冷却的水返回到所述能量储存器(2)中的具有第一温度(T1)、第二温度(T2)或第三温度(T3)的水平来增强所述能量储存器(2)的能量储存能力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20161130 Termination date: 20181101 |