CN114623712B - 一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置，包括分流区和汇流区，分流区位于汇流区的上层；分流区包括一个一级单元格，一级单元格的左右两侧对称设置有二级单元格，每个二级单元格的前后两侧对称设置有三级单元格，按此类推排布至末级单元格并使所有单元格沿水平方向阵列分布；各级单元格之间依次连通供工质逐级流过；各单元格中设置有导流装置使工质在相邻级单元格之间通过时，沿着竖直方向上下折弯流动；汇流区与分流区的结构上下镜像设置，分流区与汇流区的末级单元格上下对应连通。还涉及一种蓄能方法，通过从分流区至汇流区的正向、逆向流动，完成蓄热蓄冷过程。本发明实现了地下废弃空间的高效利用，提高了蓄能效率，改善了蓄能效果。

Description

一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置及方法

技术领域

本发明涉及出储能技术领域，尤其是一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置及方法。

背景技术

蓄能技术是指通过介质或设备把能量存储起来。工质蓄能是最简单的物理储能技术，通常在电力低谷时将热量或冷量通过蓄能工质储存，在电力高峰时放出能量。

在传统的区域功能项目中，通常在能源站附近的绿地单独建立一座或多座蓄能装置，这样的设置虽能获得较好的蓄能效果，但蓄能装置占地面积大，在城市用地紧张的背景下会大大提高工程造价。

为降低蓄能系统建造成本，研究者根据项目实际情况，利用建筑物地下空间设计蓄能装置，这样可以节省建筑空间，降低初始投资成本，又不影响环境的整洁。但常规的蓄能装置通常只是将地下空间用隔板简单地分割成若干个蓄能单元，蓄能工质沿水平方向依次流过每个单元，这样的布置方式由于蓄能工质流动方向与流体的重力和浮力方向不一致容易导致比较大的斜温层，降低蓄能效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置及方法，目的是解决现有蓄能装置占地面积大、蓄能效果差的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置，包括分流区和汇流区，所述分流区位于所述汇流区的上层；

所述分流区包括一个一级单元格，一级单元格的左右两侧对称设置有二级单元格，每个二级单元格的前后两侧对称设置有三级单元格，每个三级单元格的左右两侧对称设置有四级单元格，每个四级单元格的前后两侧设置有五级单元格，按此规律类推排布至末级单元格并使所有单元格沿水平方向阵列分布；

分流区的各级单元格之间依次连通，可供工质逐级流过；各单元格中设置有导流装置，使工质在相邻级单元格之间通过时，沿着竖直方向上下折弯流动而非沿水平方向流动；

所述汇流区与所述分流区的结构上下镜像设置，即：汇流区也包括一个一级单元格，一级单元格的左右两侧对称设置有二级单元格，每个二级单元格的前后两侧对称设置有三级单元格，按此规律类推排布至末级单元格，且汇流区的各级单元格之间依次连通可供工质逐级流过；

分流区与汇流区的末级单元格上下对应连通。

进一步技术方案为：

所述分流区中，沿分流流动方向的前后两级单元格的布置结构为：

前后两级单元格内均形成有沿竖直方向的顺流通道，前级单元格和位于其两侧的后级单元格之间，分别形成有逆流通道，逆流通道与顺流通道依次连通，工质在所述逆流通道与所述顺流通道内的流向相反。

每个单元格内，位于所述顺流通道的上游进口、下游出口分别设有分流装置，所述分流装置用于将单元格的来流分流成两部分，并使其均匀分流至后级单元格。

所述顺流通道内的上下游位置，分别设有多孔板。

所述逆流通道与所述顺流通道的连通位置处，设有导流板。

顺流通道的横截面与逆流通道的横截面的比值范围为5～12。

对于分流区的末级单元格，其顺流通道向下延伸至所述汇流区的末级单元格中。

分流区的所有单元格沿水平方向阵列分布，形成排列数量相同的矩形结构；对于位于矩形结构边上中间位置的次末级单元格，其顺流通道向下延伸至所述汇流区的次末级单元格中。

一种利用所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置的蓄能方法，包括：

蓄热时，工质从分流区的一级单元格流入，先分流至两侧的二级单元格、从二级单元格分流至两侧的三级单元格，依此类推逐级流动直至末级单元格，然后竖直向下流入所述汇流区的末级单元格，再在汇流区中从末级单元格汇流至次末级单元格，逐级流动直至一级单元格，最终从汇流区的一级单元格流出；

蓄冷时，工质从汇流区的一级单元格流入，先分流至两侧的二级单元格、从二级单元格分流至两侧的三级单元格，依此类推逐级流动直至末级单元格，然后沿竖直向上流入所述分流区的末级单元格，再在分流区中从末级单元格汇流至次末级单元格，逐级流动直至一级单元格，最终从分流区的一级单元格流出。

本发明的有益效果如下：

本发明整体设置成上下两层，能充分利用筏板型地下建筑空间，根据地下空间的不规则形状灵活调整组合单元格的级数，有利于实现地下废弃空间的高效利用。同传统的设置矮胖型的单罐或多罐容器置于地面空间的蓄能装置相比，极大地节约占地、提高了装置布局的灵活性。

本发明通过“一分二”的分流流动规则，降低流动表观速度，尽可能降低流动的不均匀，有助于改善蓄能效果。

本发明通过顺流通道和逆流通道的设置形成上下折流结构，引导蓄能工质沿竖直方向上下流动，由于流动方向与流体重力及浮力方向一致，可降低密度差和浮力引起的掺混，减小斜温层的厚度，提高蓄能效率。

本发明通过多孔板和导流板实现工质均流，防止流动不均匀导致冷热蓄热工质的掺混。

附图说明

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的工质分流区内分流流动方向的示意图。

图3为本发明实施例的工质汇流区内汇流流动方向的示意图。

图4为本发明实施例的分流及汇流流动原理示意图。

图5为本发明实施例蓄热状态下分流区的相邻级单元格的结构示意图。

图6为本发明实施例蓄热状态下分流区与汇流区连通位置处单元格的结构示意图。

图中：1、分流器；2、第一左隔板；3、第一右隔板；4、第一中隔板；5、第一上多孔板；6、第一下多孔板；7、第一顺流通道；8、第一逆流通道；9、第一导流板；

10、第二上多孔板；17、第二顺流通道；18、第二上逆流通道；19、第二下逆流通道；20、第二下多孔板；27、第二左隔板；28、第二右隔板；29、第二上中隔板；30、第二下中隔板；31、第二导流板。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

可参考图1，本实施的一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置，包括分流区和汇流区，分流区位于汇流区的上层；分流区和汇流区的结构上下镜像设置。

如图1和图2所示，分流区包括一个分流一级单元格11，分流一级单元格11的左右两侧对称设置有分流二级单元格12，每个分流二级单元格12的前后两侧对称设置有分流三级单元格13，每个分流三级单元格13的左右两侧对称设置有分流四级单元格14，每个分流四级单元格14的前后两侧设置有分流五级单元格15(151)，以此类推可排布至N级单元格，使所有单元格沿水平方向呈阵列分布；本实施例N取值6，即排布至分流六级单元格16；

如图1和图3所示，本实施例的汇流区与分流区上下镜像设置，即汇流区也包括一个汇流一级单元格21，汇流一级单元格21的左右两侧对称设置有汇流二级单元格22，每个汇流二级单元格22的前后两侧对称设置有汇流三级单元格23……按此规律排布至N′级单元格，显然地，N′＝N，即本实施例汇流区单元格排布至汇流六级单元格26；

作为一种实施方式，整个分流区及汇流区的单元格均布局成5排5列的矩形结构。

如图1所示，分流区的六级单元格16与汇流区的六级单元格26上下对应连通；从图1可以看出，分流区的位于矩形结构边缘中部的分流五级单元格15，由于其前、后及左边已经布局了前级单元格，为了维持矩形结构，即不再在其右侧布置对应的六级单元格(即此处分流五级单元格15即为末级单元格)。

针对本实施例的矩形结构，位于矩形结构边缘中部的分流五级单元格15旁不存在相应的六级单元格，为了将其中的工质排入汇流区，本领域技术人员可以理解，分流区中位于矩形结构边缘中部的分流五级单元格15与汇流区的汇流五级单元格25也上下对应连通。

一种实施方式下，可参考如图1、及图2和图3中箭头方向所示。蓄能工质从分流区的分流一级单元格11流入，先分流至两侧的分流二级单元格12、从分流二级单元格12分流至两侧的分流三级单元格13，逐级分流流动直至分流六级单元格16(以及位于矩形结构边缘中部的分流五级单元格15)，然后分别流入下层汇流区对应的单元格内，再在汇流区中的汇流六级单元格26(以及位于矩形结构边缘中部的汇流五级单元格25)汇流至次一级单元格逐级汇流流动(如图3所示，依次汇流至24/23/22)，直至汇流一级单元格21，最终从汇流区的汇流一级单元格21流出。

如图4所示，为本实施例的工质流动的原理示意图。本领域技术人员可以理解，其中六级单元格的数量没有继续扩展是受限于本实施例的矩形结构。实际应用中，单元格级数可根据所在空间的结构形状自由设计和调整。即整个蓄能装置可做成不规则结构。

为了使工质流动方向与重力及浮力保持方向一致，本实施例各单元格中设置有导流装置，使工质在相邻级单元格之间流动时，沿竖直方向上下折弯流动，而非沿水平方向流动。

如图5所示，以分流区为例，沿分流流动方向的一级、二级单元格的布置结构为：

前后两级单元格内均形成有沿竖直方向的顺流通道，前级单元格和位于其两侧的后级单元格之间，分别形成有逆流通道，逆流通道与顺流通道依次连通，工质在逆流通道与顺流通道内的流向相反。

具体的，整个分流区具有一个矩形外壳，壳体内通过壁面和隔板形成分隔且按照规律连通的单元格结构。如图5所示的局部结构，中部两侧分别设有第一左隔板2、第一右隔板3，第一左隔板2、第一右隔板3固定于外壳上、前、后壁面，并在底部留有间隙。在第一左隔板2、第一右隔板3之间形成分流一级单元格11的第一顺流通道7，在第一左隔板2、第一右隔板3两侧各设有由一分隔板，分隔板固定于外壳的下壁面，并在顶部留有间隙。在两侧分隔板与左右侧壁面之间形成了两个分流二级单元格12，在分流二级单元格12内也形成有第一顺流通道7。在第一左隔板2和第一右隔板3隔板与相应的分隔板之间形成第一逆流通道8。分流一级单元格11的第一顺流通道7与左右两侧的第一逆流通道8之间的连通，第一逆流通道8又和分流二级单元格12的第一顺流通道7连通，使工质沿图中箭头所示方向上下折流。同样的，每个分流二级单元格12和与其相邻的两个分流三级单元格13之间的布置结构类似。

一种实施方式下，工质分流流动方向如图5中箭头所示。

具体的，分流一级单元格11的第一顺流通道7和分流二级单元格12的第一顺流通道7截面积相等为S₂，第一逆流通道8的截面积为S₁，S₂/S₁＝5～12。

具体的，每个单元格内，第一顺流通道7的上游进口设置有分流器1、第一顺流通道7的下游出口设有第一中隔板4，其固定于蓄能单元的下、左和右壁面，位置为第一顺流通道7的正中间，与上壁面距离一定高度。分流器1用于将单元格的来流分流成两部分，第一中隔板4则用于将流体分流至两侧的分流二级单元格12内，分流器1和第一中隔板4的位置位于分流一级单元格11的中心，使工质均匀分流。

具体的，第一顺流通道7与第一逆流通道8之间在连通位置处形成折弯区，折弯区内设有第一导流板9，保证流场均匀。

具体的，第一顺流通道7内的上下游位置，分别设有第一上多孔板5和第一下多孔板6。

优选地，多孔板上布置多个小孔，孔的面积根据沿程阻力和边壁效应改变，蓄热工质沿程阻力大的流程上孔径大，程阻力小的流程上孔径小，有边壁效应的地方孔径大。

以分流区的分流六级单元格16和汇流区的六级单元格26为例，说明分流区与汇流区之间连通单元格的结构。如图6所示，布局结构与图5所示的结构基本相同，只是在高度方向有连通的通道。具体的，包括第二左隔板27、第二右隔板28，第二左隔板27、第二右隔板28竖直延伸，两者之间形成通过第二顺流通道17连通的六级单元格16和六级单元格26。

其中，上层分流区的分流六级单元格16左右两侧分别为与其连通的分流五级单元格151(15)，两级单元格之间形成有第二上逆流通道18；下层汇流区的六级单元格26左右两侧分别为与其连通的汇流五级单元格251(25)，其中，分流五级单元格15与汇流五级单元格25也连通，理由如前文所示。两级单元格之间形成有第二下逆流通道19。

其中，第二顺流通道17上下两端分别设有第二上中隔板29第二下中隔板30。第二顺流通道17内沿流动方向上下游分别也布置有第二上多孔板10、第二下多孔板20。顺流通道与个逆流通道之间也设有第二导流板31。

一种实施方式下，工质流动方向如图6中箭头所示。

优选地，蓄能装置的外壳其内部的分隔壁面及各类隔板导流板和分流器等采用导热系数较低的材料制成，如玻璃纤维板、聚氨酯发泡板、PVC板等。

优选地，分流器为H型。

本实施例的一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置的蓄能方法，包括：

蓄热时，蓄能工质为60℃的热水。可参考图5，工质从分流区的分流一级单元格11流入，流经其中的分流器1后经过第一上多孔板5的均流作用，进入第一顺流通道7一分为二，经过第一导流板9的作用先分流至两侧的第一逆流通道8，热水在第一逆流通道8自下而上快速流过，通过顶部第一上多孔板5的均流作用进入二级单元格，从二级单元格分流至两侧的三级单元格，依此类推逐级分流流动直至分流六级单元格16。然后竖直向下流入汇流区的汇流六级单元格26，可参考图6，再在汇流区中从汇流六级单元格26经过第二下逆流通道19自下而上快速通过，从顶部流至汇流五级单元格25(251)，之后以同样流程逐级汇流流动直至汇流一级单元格21，最终从汇流区的汇流一级单元格21流出，完成蓄热过程。

蓄冷时，蓄能工质为10℃的冷水，流动方向与蓄热时相逆。冷水从汇流区的汇流一级单元格21流入，经过分流器后流经多孔板，自下而上流入，然后通过两侧的逆流通道分流至两侧的汇流二级单元格22，同样地从汇流二级单元格22分流至两侧的汇流三级单元格23，依此类推逐级分流流动直至汇流六级单元格26，然后竖直向上流入分流区的分流六级单元格16，再在分流区中从分流六级单元格流至分流五级单元格，逐级流动直至分流一级单元格11，最终从分流区的分流一级单元格11流出，完成蓄冷过程。

Claims (9)

1.一种双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，包括分流区和汇流区，所述分流区位于所述汇流区的上层；

所述分流区包括一个一级单元格，一级单元格的左右两侧对称设置有二级单元格，每个二级单元格的前后两侧对称设置有三级单元格，每个三级单元格的左右两侧对称设置有四级单元格，每个四级单元格的前后两侧设置有五级单元格，按此规律类推排布至末级单元格并使所有单元格沿水平方向阵列分布；

分流区的各级单元格之间依次连通，可供工质逐级流过；各单元格中设置有导流装置，使工质在相邻级单元格之间通过时，沿着竖直方向上下折弯流动而非沿水平方向流动；

所述汇流区与所述分流区的结构上下镜像设置，即：汇流区也包括一个一级单元格，一级单元格的左右两侧对称设置有二级单元格，每个二级单元格的前后两侧对称设置有三级单元格，按此规律类推排布至末级单元格，且汇流区的各级单元格之间依次连通，可供工质逐级流过；

分流区与汇流区的末级单元格上下对应连通。

2.根据权利要求1所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，所述分流区中，沿分流流动方向的前后两级单元格的布置结构为：

前后两级单元格内均形成有沿竖直方向的顺流通道，前级单元格和位于其两侧的后级单元格之间，分别形成有逆流通道，逆流通道与顺流通道依次连通，工质在所述逆流通道与所述顺流通道内的流向相反。

3.根据权利要求2所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，每个单元格内，位于所述顺流通道的上游进口、下游出口分别设有分流装置，所述分流装置用于将单元格的来流分流成两部分，并使其均匀分流至后级单元格。

4.根据权利要求2所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，所述顺流通道内的上下游位置，分别设有多孔板。

5.根据权利要求2所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，所述逆流通道与所述顺流通道的连通位置处，设有导流板。

6.根据权利要求2所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，顺流通道的横截面与逆流通道的横截面的比值范围为5～12。

7.根据权利要求2所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，对于分流区的末级单元格，其顺流通道向下延伸至所述汇流区的末级单元格中。

8.根据权利要求7所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置，其特征在于，分流区的所有单元格沿水平方向阵列分布，形成排列数量相同的矩形结构；对于位于矩形结构边上中间位置的次末级单元格，其顺流通道向下延伸至所述汇流区的次末级单元格中。

9.一种利用权利要求1-8之一所述的双层多级均布的迷宫式蓄能装置的蓄能方法，其特征在于，包括：

蓄热时，工质从分流区的一级单元格流入，先分流至两侧的二级单元格、从二级单元格分流至两侧的三级单元格，依此类推逐级流动直至末级单元格，然后竖直向下流入所述汇流区的末级单元格，再在汇流区中从末级单元格汇流至次末级单元格，逐级流动直至一级单元格，最终从汇流区的一级单元格流出；

蓄冷时，工质从汇流区的一级单元格流入，先分流至两侧的二级单元格、从二级单元格分流至两侧的三级单元格，依此类推逐级流动直至末级单元格，然后沿竖直向上流入所述分流区的末级单元格，再在分流区中从末级单元格汇流至次末级单元格，逐级流动直至一级单元格，最终从分流区的一级单元格流出。