CN111868457A - 用于热井的最佳能量存储和重获的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热井的最佳能量存储和重获的装置和方法。这种装置由地下的中心储器(2，12)和以基本上同心且圆形的方式围绕中心储器的孔井(3)构成，其中存在两个或更多个这样的圆形部(4)。中心储器井和孔井布置成通过管线(6)彼此流动连通并且与一个或多个热源(9)流动连通，从而将热能引导至系统，所述圆形部设有阀(8)，以便将传热流体依次引导至一个圆形部或圆形部的一部分。

Description

用于热井的最佳能量存储和重获的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的装置，通过该装置，可以以最佳的热经济效果补充和收获用作蓄热器的地下热井。

本发明还涉及根据权利要求4的前序部分所述的方法，通过该方法，可以实现这种最佳存储和重获。

背景技术

存储热能变得越来越重要，使得太阳能潜力的可行性可得到进一步提高。在北纬地区，尤其是在诸如北欧国家和美国最北地区，在这些国家和地区，太阳能通常仅在夏季可用而冬季对供暖的需求最高，从而使得可行的存储起着重要作用。在过去的几十年中，用于存储热能的各种技术已成为许多研究的目标。在上述工作中，大多数使用经验是从存储能量和利用来自在基岩中形成的孔井中的地热获得。

在地热系统中，环绕孔井的基岩在正常加载时长时间会冷却约3度。通过将在加热系统中产生的多余热量导引至基岩，可能减少从自然存在于基岩中的热能收获的能量的量，从而可以保持乃至升高基岩的温度。这样，可以提高所谓的热回收COP值。

井筒热能蓄热器(BTES)通常用于在岩石状土壤和土壤层中存储热量。在这样的基岩蓄热器内的系统中使用的孔井的深度通常为大约100米至150米。在土壤层中，孔井的深度在很大程度上取决于土壤层的质量。孔井的热能蓄热器可被称为“开放式”或“封闭式”的蓄热器，在封闭式孔井蓄热器中，传热流体在封闭回路(地面换热器-GHX)中循环，其中通过安装在封闭回路中的管的壁的传导将热量转移至土壤层或基岩。在专利公开US 2010/0307734中示出了一种这样的方案。在可在基岩中实现的开放式孔井蓄热器中，在系统中循环的水与孔井的岩石壁直接接触。已经注意到的是，开放式孔井蓄热器的传热效率优于封闭式孔井蓄热器的传热效率。然而，由于金属和固体溶解在水中，开放式系统中可能会出现化学问题，例如，参见Nordell,B.&

M.,(2006),Solar Energy and HeatStorage(太阳能和热存储)。

例如，在加拿大艾伯塔省的奥科托克斯已经进行了这种孔井蓄热器的研究，其中，2007年在该地区建立了Drake Landing太阳能社区，将夏季获得的多余太阳能存储在地下。

现有技术方案的主要问题是加热孔井蓄热器花费大量时间。例如，在所述DrakeLanding地点，只有在从存储开始起三年之后，蓄热器的温度才变得稳定。第二个主要问题是蓄热器的热损失非常大。据估计，由于泄漏到土壤或基岩的结构层，导引到蓄热器的能量中的40％损失掉。如果在蓄热器中发生的地下水流动显著，则热量损失远不止于此。

在已知类型的方案中，进一步的问题源自以下事实：当使用更大的孔井场时，管线的数量变得非常大。这意味着热分配系统及其控制变得非常复杂。

发明内容

因此，本发明的目的是开发一种装置和一种利用这种装置的方法以使上述问题能够得到最大程度解决。因此，本发明的目的通过方法和系统来实现，所述方法和系统的特征在于独立权利要求1至4的特征部分所公开的内容。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明的基本思想是，通过监测孔井蓄热器的不同部分中的温度，可以在温度降低到可单独定义的阈值以下的情况下主要加热蓄热器的所述部分。

利用本发明，可以实现与现有技术相比明显的优点。因此，根据本发明的系统例如允许在没有特定热交换器的情况下利用热能。因为能很好地获知蓄热器各部分中的温度，所以与其连接的加热系统的循环流体可被引导至蓄热器的确切区域，从该区域可收获目标量的能量。

因为本发明的系统连续监测蓄热器的不同部分中的温度，并且在温度已降低到可单独定义的阈值以下的情况下主要加热蓄热器的所述部分，所以能量的存储更加有效。导引到系统的热能始终到达蓄热器的能够接收所传送的热能的这一部分。

由于可能有效地利用传送到蓄热器中的能含量，因此还可能避免对趋于增加孔井热能蓄热器成本的将不同类型的临时或缓冲蓄热器连接到系统的需要。

通过将系统的井连接到独立可控的扇区，可以在使孔井中的管线和收集器中的载体流体的流动压力均匀的同时，大幅减少系统所需的管线的数量。这样的装置还允许简化热分配系统，更好地实现热存储和重获。

下面通过对本发明的特定实施例的更详细描述来呈现本发明的其他优点。

附图说明

在下文中，将参照附图更详细地解释本发明的一些优选实施例，附图中

图1是装置的第一实施例的流程图，

图2示出了图1的实施例的变型，示出孔井及其管线在其执行过程中的示意性定位，

图3是在孔井中执行流动的实施示例，

图4示出了图1的实施例的第二变型，示出了孔井及其管线的扇形连结，

图5a和图5b是装置的不同实施例的流程图，和

图6示出了在图5a和图5b的实施例中的储罐和孔井的示意性定位。

具体实施方式

当前附图没有按比例示出用于热井的最佳能量存储和重获的装置，而且是附图是示意性的，其示出了优选实施例的总体结构和操作。附图中由附图标记表示的结构部件于是对应于在本说明书中由附图标记标识的结构部件。

根据图1和图2的装置的第一实施例包括蓄热器1，该蓄热器1具有由以圆形方式布置的孔井3环绕的中心储器2。在该实施例中，有利地将圆形部布置成基本上同心，其中存在两个或更多个圆形部4。图1以示例的方式示出了三个圆形部，并且图2示出了环绕中心储器的两个圆形部。如图1所示，在场中间存在形成中心储器的一个孔井，并且由具有6个孔井的圆形部环绕，下一个圆形部有12个孔井，最外面的圆形部具有18个孔井，在该图中仅显示了其一部分。在图2中，另一方面，在场中间有形成中心储器的7个孔井，其由具有12个孔井和18个孔井的圆形部环绕。显然，圆形部可能有更多个井，并且根据需要可以仅有两个圆形部或三个以上的圆形部。此外，根据该图，圆形部不必是圆形的圆形部，而是更有组织的形状也是一种选择。圆形部的数量主要取决于可以从与之连接的太阳能收集器或其他合适热源传输到系统的能量的量。

有利的是，至少在芬兰的基岩中，钻制上述孔井不超过60米深。原因是基岩中的水流明显比这更强更深。由于上述原因，从孔井到其周围环境的不受控地发生的热散发在更深的深度处变得如此之高，以致于导引到孔井的热能将大部分损失掉。当在除了芬兰的土壤和基岩以外的其他条件下使用该装置时，必须检查每个位置处的地热特性，以确保有利的钻制深度。在所执行的测试中，在芬兰已使用相当普通的钻头钻出该孔井，即，该孔井在岩石上方的土壤层上直径为140毫米，在基岩中直径为115毫米。孔井的孔直径基本上受要安装在孔井中的市售收集器的结构影响，因此可以成功使用其他孔尺寸。

安装在孔井中的收集器5布置成借助于管线6彼此流体连通以形成闭合的流动回路。这种流动的路径可以主要由适配于每个圆形部中的阀8控制并由控制单元7调节。当然，每个孔井3也可以配备有其自己的阀，由此圆形部4和单个孔井3两者都可以精确地调节流动。如图1所示，在该实施例中，存在沿每个圆形部适配的两条并行管线，一条管线具有与其连接的收集器输入流，另一条管线具有与其连接的收集器输出流，也参见图3。这样，沿同一圆形部的孔井彼此并行连接，从而可能将温暖的载体流体沿着管线分别引导至每个孔井。在本实施例中，上述载体流体被称作传热流体，其目的是加热环绕孔井的蓄热器1。

根据本实施例的孔井2、3以及连接至系统的太阳能收集器或其他热源9甚至可以利用共同的流动系统。因此，整个系统可以使用相同的传热流体，诸如丙二醇。这样可能避免使用一个或多个热交换器10，否则所述热交换器10安装在孔井和热源之间。

图1和图2的装置起作用，使得从适于此目的的系统的太阳能收集器或另一热源9(例如诸如工业废热)以已知方式将热能存储到传热流体中。该热能主要用于加热连接至系统的不动产11或类似物和/或用于产生生活热水。在主要使用之后，留在传热流体中的热能被引导至根据本实施例的蓄热器1。在这种情况下，热能被传递到中心储器2和布置成环绕中心储器的孔井3。在根据图1的实施例中，中心储器包括一个孔井，而在图2的实施例中，中心储器包括多个孔井。当中心储器处的温度达到传热流体的温度时，从最内层圆形部上的孔井开始并且随后沿着最外层圆形部进行到孔井，依次对井和/或扇区和/圆形部开始进一步的热能传递。传热流体的流动借助于控制单元7以及常规的闸门和三通阀8控制，所述常规的闸门和三通阀8一个接一个地打开通向圆形部、扇区甚至单个孔井的流动路径。

因此，大部分热能被存储在蓄热器1的中心储器2中，其因而获得最高温度值。随着距中心储器的径向距离增大，允许孔井3的温度值逐渐降低。因此，在所讨论的装置的最外围孔井中测得的温度值明显低于在中心储器中测得的温度。根据蓄热器1中的高斯曲线性质的热量分布保证了中心储器总是可以保持足够温暖。同时，通过尽可能少的热传递来实现保持中心储器的温度。

因此，中心储器1的加热已经进行到最外圆形部，该装置开始维持由中心储器2和环绕中心储器的圆形部4的孔井3形成的热能存储。在这种情况下，控制单元7将来自热源的传热流体的温度与所讨论的孔井、圆形部或圆形部的一部分的温度进行连续比较。当到达的传热流体的温度超过所遇到的蓄热器部分的现行温度时，阀8打开，并且到达的传热流体首先被引导至该蓄热器部分。因此，从蓄热器中心径向向外的蓄热器部分(即孔井或一组孔井)被加热，所述蓄热器部分的自身温度低于到达的传热流体的温度。之后，包含在传热流体中的热能的传递沿径向向外地依次延续到圆形部或圆形部的一部分。这建立尽可能均匀的热量分布，其中蓄热器的中心部分始终是最热的，其中，温度朝着蓄热器的外边缘均匀降低。这种均匀的热量分布确保最大且暂时最长的热能存储。

在蓄热器1中保持的热量分布取决于基岩或土壤层的地热特征，并且在本装置的特定实施例中，该热量分布与来自一个或多个热源9的热能的量一起形成了蓄热器的温度曲线。这样的温度曲线继而形成用于控制单元7的基本设定。通过控制蓄热器的阀8，控制单元根据温度曲线将传热流体的流动改变成流至从储存的角度来看最佳的孔井3或孔井组。在存储过程期间，该载体流体杯引导至从蓄热器的中心储器径向向外的孔井。当到达的传热流体的温度超过所遇到的蓄热器部分的现行温度时，载体流体被引导至该蓄热器部分，以增加其温度从而匹配设定的温度曲线。

中心储器1的加热因此已经进行到最外圆，该装置开始维持由中心储器2和环绕中心储器的圆形部4的孔井3形成的热能存储。在这种情况下，控制单元7将来自热源的传热流体的温度与所讨论的孔井、圆形部或圆形部的一部分的目标温度进行连续比较。当到达的传热流体的温度超过所遇到的蓄热器部分的现行温度时，阀8打开，并且到达的传热流体首先被引导至该蓄热器部分。在装置的该实施例中，通过将传热流体引导至该蓄热器部分(即自身温度低于到达的传热流体的温度的孔井或一组孔井)，也从中心径向向外加热蓄热器。此后，包含在传热流体中的热能的传递沿径向向外依次延续到圆形部或圆形部的一部分。

图2描述了该装置的第二优选实施例。其中，管线6不适于仅以圆形方式环绕孔井3，而是圆形部被分成多个扇区，这些扇区由专用的成对管线服务。利用这种布置，可以更快且更精确地很好地控制针对期望孔井的传热流体的分布。通过这样的布置，也更容易按扇区实现传热流体与存储场之间的传热。这样的扇区之一在图2中用附图标记S示意性地示出。扇区的尺寸可以变化，其具有大约15度至180度的中心角，有利地所述中心角为45度至60度。像上面一样，从蓄热器1的圆形部的温度低于到达的传热流体的温度的第一部分开始，从蓄热器的中心径向向外加热蓄热场。此后，热能向蓄热器的传递在扇区中沿径向向外依次延续到圆形部或圆形部的一部分。当最外面的圆扇区已达到其目标温度时，开始下一个相邻扇区的加热。基于这项研究，与将传热流体同时沿同一圆形部引导至所有孔井的可替代方法相比，这种方法有可能达到甚至更高的传热效率。

本装置的控制单元7也可以是适应性的。当蓄热器1被加热时，目标是提高每个孔井、圆形部或圆形部的一部分的温度，以尽可能好地匹配由控制单元7的基本设定所指示的预定目标温度。

在这种情况下，适应性意味着装置的控制单元7连续监测由蓄热器1、全部蓄热器或部分蓄热器接收的能量。因此，控制单元的任务是始终保持由蓄热器接收的能量的量尽可能大。这导致例如当供应到蓄热器的扇区的传热流体与从那里返回的传热流体之间的温度差低于预设阈值时，传热流体的流动被引导至下一个扇区。但是，目标是要从一个扇区切换到下一扇区，使得接收到的能量的量始终保持尽可能高。

可以通过利用连接到系统的上述太阳能收集器或其他热源9来实现对传统地连接到系统的不动产11的加热和产生热水。特别地，在秋季和冬季，由太阳能收集器产生的热能的量通常太小，需要额外的热源。在这种情况下，可以从如上所述设计的蓄热器1中取回热能。因此，代替将包含多余热量的传热流体引导至蓄热器中的是，开始对在其中循环的较冷的传热流体进行加热。当利用蓄热器的能含量时，该过程相对于先前的过程以相反的顺序进行，即，传热流体首先在该装置中被引导至就其热含量而言最冷的孔井或孔井组，该过程从该最冷的孔井或孔井组沿径向朝向蓄热器的中心延续，有利的是依次延续至圆形部4、圆形部的一部分或孔井2、3。

当蓄热器1的温度明显高于用于加热不动产11和产生热水的热源9时，对于不动产11的热交换器10而言，可以获得比以前明显更好的效率。

在图2的实施例中，扇形控制主要用指定井的阀实现。通过根据图4的实施例来实现该装置的更简单的第二优选实施例。在这种情况下，孔井3通过管线6连接成单独的组。这些单独控制的组形成以圆形方式环绕中心储器2的扇区S。在该图的示例性实施例中，沿着一个圆形部4存在环绕中心储器的四个扇区。通过这样的布置，甚至更容易通过扇区实现传热流体与存储场之间的热传递。还在该实施例中，由所实施的孔井组形成的扇区的尺寸可以变化，其中心角大约为15度至180度。在根据附图的实施例，扇区的中心角为90度。像上面一样，从温度低于到达的传热流体的温度的蓄热器1的圆形部的第一部分开始，从蓄热器的中心沿径向向外加热存储场。此后，热能向蓄热器传递的沿径向向外依次延续至扇区和圆形部。

在根据图5a、图5b和图6的第四优选实施例中，已经设置了这样的布置，其中，中心储器2由封闭的并且有利的是地下的储罐12形成。在附图的实施例中，储罐被孔井3以基本同心和圆形的方式环绕，有两个或更多个圆形部4。当然，孔井的位置可以与所公开的不同，而没有针对操作的任何主要缺点。在该实施例中，代替了最里面的孔井或由图2或图4的最里面的孔井形成的中心储器的储罐的容积的大小可以从几立方米变化到几十甚至数百立方米。在进行的测试中已经发现：小储罐(有利地是3到4立方米)产生直到并联的第63蓄热器的充分缓冲蓄热。在这种情况下，储罐有利地通过常规隔热材料完全隔热，以避免不必要的热损失。

图5d和图6通过示例的方式示出了环绕所述储罐12的三个圆形部4，最里面的圆形部具有六个孔井3，中心的圆形部具有12个孔井，而最外面的圆形部具有18个孔井。显然，一个圆形部可能有更多的井，并且根据需要，可仅有两个圆形部，或者另一方面具有三个以上的圆形部。圆形部的数量以及中心井的大小主要取决于可以从与之连接的太阳能收集器或其他热源传递给系统的能量的量。

孔井3被布置成借助于管线6彼此流体连通。如上所述，安装在孔井中的收集器5被布置成借助于管线6彼此流动连通，以形成闭合的流动回路，也参见图3。这种流动的路线主要可以由适于每个回路的阀8控制并由控制单元7调节。如图5b和图6所示，每个圆形部中有两条并行的管线，其中一条管线具有与其连接的收集器输入流，另一条管线具有与其连接的收集器输出流。这样，沿同一圆形部的孔井彼此并联连接。流动的路线可主要由适配于每个圆形部中的闸门(shutter)和三通阀控制。这样，可能沿着管线将温暖的载体流体引导至孔井，其目的是加热环绕孔井的蓄热器。当然，每个孔井也可以配备其自己的阀，从而圆形部、圆形部的一部分和单个孔井3都可以精确地调节流动。

系统进行操作，以使储罐12中的载体流体(在该实施例中被称为存储流体，其可以是普通(地下)水)被从外部热源获得的热能加热，如上所述。为了将热量传递到储罐12中的存储流体，已经在其中适配了第一热交换器线圈13及其泵14。如果借助于多个产生热能的热源9加热储罐中的存储流体，则需要在储罐中为每个热源布置专用的热交换器。

当储罐11中存储流体的温度超过根据预定热曲线的目标温度时，源自热源9的热能沿着下一个圆形部被引导至孔井或孔井组。在这种情况下，例如，通过下述方式开始通过泵15从储罐中传递由太阳能收集器产生的能量：例如，借助于存储流体依次沿着管线6从最里面的圆形部开始并且行进到最外面的圆形部传递到以圆形方式布置的孔井，但是持续保持已经加热的蓄热器的温度。

当加热已进行到最外圆形部4时，系统开始维持由储罐12和孔井3形成的热能蓄热器1。在这种情况下，连续比较储罐中储存流体的温度与每个孔井或孔井组中的现行温度。比较总是依次一口井或一组井地实施，存储场中从中心沿径向向外进行。当所遇到蓄热器的第一部分的当前温度低于储罐中存储流体的温度时，阀8打开，因此存储流体被引导至蓄热器的这一部分。此后，热能向孔井的传递沿径向向外依次延续至孔井或圆形部。因此，从蓄热器中心径向向外的其自身温度低于储罐中存储流体的温度的蓄热器部分总是被加热。这将建立尽可能均匀的热量分布，在该热量分布中，位于中心的储罐的存储流体始终是最热的，其中温度朝着蓄热器的外边缘均匀降低。这种均匀的热量分布可确保尽可能最广泛地存储热能。

同样，在该实施例中，显然可能应用上述的装置，其中将传热流体依次引导至孔井、圆形部及其扇区。扇区的大小可以变化，该扇区的中心角大约为15度至180度，有利地为45度至60度。同样在该实施例中，从蓄热器的圆形部的其温度低于储罐中存储流体的温度的这一部分开始，存储场因而从蓄热器的中心开始沿径向向外加热。此后，热能向蓄热器的传递在扇区中沿径向向外依次延续至圆形部或圆形部的一部分。当最外面的圆扇区已达到其目标温度时，开始对下一个相邻扇区的加热。

传统上，可以通过利用上述太阳能收集器来实现对不动产11的加热和产生热水。特别是在秋季和冬季，由太阳能收集器产生的热能的量太少，需要额外的热源。在这种情况下，可能从蓄热器1中重获热能，该蓄热器1的温度明显高于用于加热不动产11和产生热水的热源9，这实质上提高了不动产的热交换器10的效率。在该装置的实施例中，发生了热能的传递，使得当储罐12中存储流体的温度降低到特定设定值以下时，开始在储罐12和孔井3之间的由泵15控制的流动，由此，通过存储流体依次一个地从以圆形方式布置的孔井或孔井组流回到储罐而从蓄热器传递热能。

另一方面，储罐12中存储流体的温度可以通过与储罐连接的热泵16升高。有利地，以上面提到的方式使用同一热泵来加热不动产并产生热水。

本领域技术人员将发现：显而易见的是，随着技术的进步，可以以许多不同的方式来实现本发明的基本思想。因此，本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内改变。

Claims (10)

1.一种用于热井的最佳能量存储和重获的装置，

所述装置包括：

地下的中心储器(2，12)，

以基本上同心的方式环绕所述中心储器(2，12)的孔井(3)，存在两个或更多个圆形部(4)，其中

所述中心储器(2，12)和所述孔井(3)布置成借助于管线(6)彼此流动连通并且与将热能引导至系统的一个或多个热源(9)流动连通，

所述圆形部(4)设有阀(8)，由控制单元(7)控制，以将传热流体依次引导至一个圆形部，

其特征在于

沿所述圆形部(4)的所述孔井(3)通过所述管线(6)按组连接，使得来自扇区(S)的这些组以圆形方式环绕所述中心储器(2)并分别接收热能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心储器(2)包括由中心井形成的封闭的储罐(12)，该储罐有利地是地下储罐。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，由所述中心井形成的所述储罐(12)通过隔热材料与其周围环境隔离开。

4.一种用于热井的最佳存储和重获的方法，其中，

从一个或多个热源(9)收集到传热流体中的热能通过管线(6)被引导至地下的中心储器(2，12)并且被进一步引导至孔井(3)，所述孔井与所述中心储器流体连通且以基本上圆形方式布置，使得

从所述中心储器(2，12)开始且沿着最外面的圆形部进行到所述孔井，将热能依次传递到孔井的圆形部的一个孔井(3)和圆形部(4)，

其特征在于

将所述传热流体首先引导至所述中心储器(2，12)，然后从所述中心储器进一步引导至一个孔井、孔井组或圆形部(4)，沿径向最外面的圆形部进行至所述孔井，

将由所述热源(9)产生的传热流体的温度与所述蓄热器各部分的现行温度连续比较，

当所述传热流体的温度超过所遇到的蓄热器部分的现行温度时，将所述传热流体引导至所述蓄热器部分，以使温差均匀，并且

继续将所述传热流体依次传送到在圆形部的一部分或圆形部的径向外部的孔井。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过将所述传热流体延伸到与热源连接的热交换器(10)来形成所述传热流体。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过所述中心储器(2，12)中的存储流体来形成所述传热流体。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，将所述传热流体依次引导至所述孔井(3)一个圆形部(4)及其扇区(S)，其中，

当每个最外侧的圆扇区已根据设定温度曲线达到其目标温度时，发生移动以加热下一个相邻的扇区(S)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述扇区(S)的中心角能够设定为从15度到90度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述扇区(S)的中心角能够最有利地设定为从45度至60度。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其特征在于，通过将传热流体主要引导至具有最冷的热含量的孔井圆形部而从所述蓄热器(1)中获取热能。

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