SE409239B

SE409239B - SYSTEM FOR STORAGE OF HEAT IN A LIQUID HEAT STORAGE MEDIUM

Info

Publication number: SE409239B
Application number: SE7805059A
Authority: SE
Inventors: B Bjorklund
Original assignee: Svenska Flaektfabriken Ab
Priority date: 1978-05-02
Filing date: 1978-05-02
Publication date: 1979-08-06
Also published as: FI791275A7; DE2917231A1; NO791148L; NL7902862A; DK181579A

Description

7805059-8 volym. En låg höjd hos magasinet försvårar emellertid naturligt nog möjligheten att utnyttja den naturliga temperaturskiktningen hos lagringsmediet för tillförsel och uttagning av mediet vid rätt avpassad temperatur. 7805059-8 volume. However, a low height of the magazine naturally complicates the possibility of using the natural temperature stratification of the storage medium for supply and removal of the medium at a properly adjusted temperature.

Avsikten med uppfinningen är att åstadkommaeﬁi värmelagringssystem, som tillåter användning av magasin med låg höjd och stor volym, vid vilka den naturliga temperaturskiktningen kan utnyttjas för tillförsel och uttagning av mediet vid önskad temperatur.The object of the invention is to provide ﬁ in heat storage systems which allow the use of magazines with low height and large volume, at which the natural temperature stratification can be used for supply and removal of the medium at the desired temperature.

Detta åstadkommes genom att systemet enligt uppfinningen erhållit de i bifogade krav 1 angivna kännetecknen.This is achieved by the system according to the invention obtaining the characteristics stated in appended claim 1.

Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen framgår därvid av de respektive underkraven.Advantageous embodiments of the invention appear from the respective subclaims.

Uppfinningen ska nu beskrivas närmare nedan med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. l-3 schematiskt visar tre olika utföringsformer av anläggningen enligt uppfinningen, varvid samma eller liknande delar i de olika utföringsformerna givits samma hänvisningsbeteckningar. Alla tre utföringsformerna kan tänkas utnyttjade vid exempelvis en värmeutvinningsanläggning av den välkända typ, som arbetar i princip med minst en värmepump, som användes för alstring av varmvatten och/eller drift av en klimati- seringsanläggning. Anläggningen kan även innefatta en eller flera ytterligare värmekällor för lågvärdigt värme, varav en exempelvis kan vara en solfångare. Hela anläggningen arbetar med ett gemensamt värmemagasin.The invention will now be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which Figs. 1-3 schematically show three different embodiments of the plant according to the invention, the same or similar parts in the different embodiments being given the same reference numerals. All three embodiments can conceivably be used in, for example, a heat recovery plant of the well-known type, which operates in principle with at least one heat pump, which is used for the generation of hot water and / or the operation of an air-conditioning plant. The plant may also include one or more additional heat sources for low-grade heat, one of which may be, for example, a solar collector. The entire plant works with a common heating magazine.

I fig. 1 visas en ackumulatortank 2 för varmvatten, vilken upp- visar en förhållandevis ringa höjd men stor utsträckning i horison- tell riktning, och därigenom stor lagringsvolym. Tanken 2 är medelst mellanväggar 4 uppdelad i fem lagringsvolymer 6, 8, 10, 12 och 14.Fig. 1 shows an accumulator tank 2 for hot water, which has a relatively small height but a large extent in the horizontal direction, and thereby a large storage volume. The tank 2 is by means of partitions 4 divided into five storage volumes 6, 8, 10, 12 and 14.

Dessa lagringsvolymer är avsedda för lagring av det flytande värme- lagringsmediet, företrädesvis vatten, vid var sitt variabelt tem- peraturområde. Sålunda kan lagringsvolymen 6 vid ett tillfälle vara avsedd för lagring av c.a 15-gradigt vatten och volymerna 8, 10, 12 och l4'i nu nämnd ordning avsedda för lagring vid successivtlfkme, temperaturer, så att volymen 14 lagrar exempelvis 100-gradigt vatten. 7805059-8 I fulladdat” magasin är även volymen 6 uppe i en högre temperatur- nivå. Mellanväggarna 4 innehåller en övre backventil Bvl riktad mot den varmare volymen och en undre backventil BV2 riktad mot den 'kallare volymen.These storage volumes are intended for storing the liquid heat storage medium, preferably water, at their respective variable temperature ranges. Thus, the storage volume 6 may at one time be intended for storage of approximately 15-degree water and the volumes 8, 10, 12 and 14 'in the order now mentioned intended for storage at successive temperatures, temperatures, so that the volume 14 stores, for example, 100-degree water. 7805059-8 In a fully loaded magazine, volume 6 is also at a higher temperature level. The partitions 4 contain an upper non-return valve Bvl directed towards the warmer volume and a lower non-return valve BV2 directed towards the colder volume.

Volymerna 6-14 är via reglerbara avstängningsventiler AVl anslutna till en gemensam uttagsledning 16. Närmare bestämt styrs ventilerna AVl från en reglercentral Rl i beroende av ett temperaturvärde, som avkänns medelst en temperaturkännare TGl i tillhörande lagringsvolym.Volumes 6-14 are connected via controllable shut-off valves AV1 to a common outlet line 16. More specifically, the valves AV1 are controlled from a control center R1 in dependence on a temperature value which is sensed by means of a temperature sensor TG1 in the associated storage volume.

Styrningen sker så att enbart den ventil AVl är öppen, som leder till den lagringsvolym, vars temperatur är närmast över ett önskat värde på vattnet i uttagsledningen 16. Detaljerna hos reglercentra- len Rl och styrningen, som antyds med streckade linjer 18, utgör ej någon del av uppfinningen, och är självklara för fackmannen, varför de ej behöver beskrivas närmare här.The control takes place so that only the valve AV1 is open, which leads to the storage volume, the temperature of which is closest to a desired value of the water in the outlet line 16. The details of the control center R1 and the control, which are indicated by dashed lines 18, do not constitute any part of the invention, and are obvious to the person skilled in the art, why they do not need to be described in more detail here.

En ledning 20 användes på nedan närmare beskrivet sätt antingen för returvatten vid uttag via ledningen 16, eller för laddning av tanken från en ej närmare visad solfångaranläggning. För detta ändamål är ledningen 20 via en reglerbar treportsventil 3V2 anslutbar till en till volymen 6 ledande returledning 22 eller till en laddningsledning 24.A line 20 is used in the manner described in more detail below either for return water when withdrawing via line 16, or for charging the tank from a solar collector system (not shown in more detail). For this purpose, the line 20 can be connected via a controllable three-port valve 3V2 to a return line 22 leading to the volume 6 or to a charging line 24.

En ledning 26 leder från kondensorsidan hos en ej närmare visad värme- pump och är via en reglerbar treportsventil 3Vl anslutbar till ladd- ningsledningen 24 via en ledning 28 eller till en ledning 30 ledande till volymen 6. En returledning till värmepumpens kondensorsida är ' betecknad med 32..Laddningsledningen 24 är via ledningen 30 ansluten till volymen 6 och via reglerbara treportsventiler 3V3 anslutbar till volymerna 8, 10, 12 och 14 genom vardera en fyllningsledning 34.A line 26 leads from the condenser side of a heat pump (not shown) and is via a controllable three-port valve 3Vl connectable to the charge line 24 via a line 28 or to a line 30 leading to the volume 6. A return line to the heat pump condenser side is denoted by 32..The charge line 24 is connected via the line 30 to the volume 6 and via adjustable three-port valves 3V3 connectable to the volumes 8, 10, 12 and 14 through a filling line 34 each.

Treportsventilerna 3V3 styrs av var sin reglercentral R3. Styrningen sker närmare bestämt i beroende av avkännning dels av temperaturen i motsvarande volym medelst en temperaturkännare TG3 och dels av temperaturen i det närmast föregående ledningsavsnittet av laddnings- ledningen 24 medelst en temperaturkännare TG4. Denna styrning har antytts med de streckade linjerna 36.The three-port valves 3V3 are each controlled by a control center R3. The control takes place more precisely in dependence on sensing partly on the temperature in the corresponding volume by means of a temperature sensor TG3 and partly on the temperature in the immediately preceding line section of the charging line 24 by means of a temperature sensor TG4. This guide is indicated by the dashed lines 36.

Treportsventilerna 3Vl och 3V2 styrs från en reglercentral R2 i beroende av temperaturavkänning vid solfångaren och avkänning av vattentemperaturen i volymen 6 medelst en temperaturkännare TG2. c a 'reusose-e Denna styrning har i fig. l antytts med de streckade linjerna 38.The three-port valves 3V1 and 3V2 are controlled from a control center R2 in dependence on temperature sensing at the solar collector and sensing the water temperature in volume 6 by means of a temperature sensor TG2. c a 'reusose-e This guide has been indicated in Fig. 1 by the broken lines 38.

En samordning av styrfunktionerna 18 och 38 föreligger även, såsom antyds med den streckade linjen 40 till reglercentralen Rl.A coordination of the control functions 18 and 38 is also present, as indicated by the dashed line 40 to the control center R1.

Den ovan beskrivna lagringsanläggningen enligt fig. 1 arbetar på följande šätt. 6 Till att börja med kan det konstateras att vattentemperaturen i kon- densvattenledningen 26 normalt är konstant, t.ex. ca. 50°C. Vatten- temperaturen i ledningen 32 är lägst av storleksordningen l5°C och vattnet från solfångaren via ledningen 20 kan vara mellan 15 och 1oo°c.The above-described storage facility according to Fig. 1 operates in the following manner. 6 To begin with, it can be stated that the water temperature in the condensate water line 26 is normally constant, e.g. ca. 50 ° C. The water temperature in the line 32 is the lowest of the order of 15 ° C and the water from the solar collector via the line 20 can be between 15 and 100 ° C.

Vid laddning av ackumulatortanken 2 med kondensorvärme från värme- pumpen leds varmvattnet i ledningen 26 via 3Vl och ledningen 28 till laddningsledningen 24. Vattnet styrs sedan in i den av tankvoly- merna 6-14, vid vars motsvarande treportsventil 3V3 en avkänning av temperaturerna vid TG3 och TG4 ger vid handen att den förstnämnda temperaturen är mindre än den sistnämnda. I annat fall leds vattnet vidare i laddningsledningen till nästa treportsventil 3V3 vid tank- volymen för nästföljande lägre temperatur, o.s.v.When charging the accumulator tank 2 with condenser heat from the heat pump, the hot water in the line 26 is led via 3V1 and the line 28 to the charging line 24. The water is then directed into that of the tank volumes 6-14, at the corresponding three-port valve 3V3 a sensing of the temperatures at TG3 and TG4 indicates that the former temperature is less than the latter. Otherwise, the water is led on in the charging line to the next three-port valve 3V3 at the tank volume for the next lower temperature, and so on.

Vid direktladdning med överskottsvärme från solfångaren leds det varma vattnet i_lednïngen 20 via 3V2 in i laddningsledningen 24.In the case of direct charging with excess heat from the solar collector, the hot water in the line 20 is led via 3V2 into the charging line 24.

Ventilerna 3V3 utnyttjas sedan på samma sätt som vid den ovan beskriv- ina laddningen med kondensorvärme. Returvatten till solfångaren leds via AVl i volym 6 till ledningen 16. Vid direktladdning från sol- fångaren är sträckan 26-30 öppen över treportsventilen 3Vl, i övriga. fall sträckan 26-28.The valves 3V3 are then used in the same way as for the charge with condenser heat described above. Return water to the solar collector is led via AV1 in volume 6 to the line 16. When charging directly from the solar collector, section 26-30 is open via the three-port valve 3Vl, in the rest. fall section 26-28.

Vid upphämtning av värme från ackumulatortanken, styrs som förut nämnts reglercentralen Rl avstängningsventilerna AVl via avkänning av volymtemperaturerna vid TGl sä, att enbart den ventil är öppen, som leder till den volym, vars temperatur är närmast över önskat värde. Ventilen 3V2 är vid upphämtning av värme öppen för ledning av returvatten sträckan 20-22.When collecting heat from the accumulator tank, as previously mentioned, the control center R1 controls the shut-off valves AV1 via sensing the volume temperatures at TG1 so that only the valve is open which leads to the volume whose temperature is closest above the desired value. When collecting heat, the valve 3V2 is open for the line of return water, section 20-22.

Utföringsformen enligt'fig. 2 skiljer sig från den enligt fig. l i princip endast genom att treportsventilerna 3Vl och 3V2 utelämnats och ledningarna 20 och 26 innehåller var sin uppsättning treports- 7805059-8 ventiler 3V3 resp 3V3' och temperaturkännare TG3 och TG4, resp TG3' och TG4', på samma sätt som för laddningsledningen 24 i fig. 1.The embodiment according to FIG. 2 differs from the principle according to Fig. 1 only in that the three-port valves 3V1 and 3V2 are omitted and the lines 20 and 26 each contain their own set of three-port valves 3V3 and 3V3 'and temperature sensors TG3 and TG4, respectively TG3' and TG4 ', in the same way as for the charging line 24 in Fig. 1.

Tankvolymerna kan således här laddas parallellt från solfångaren och från värmepumpens kondensorsida utan användning av någon övergripande styrning.The tank volumes can thus be charged in parallel from the solar collector and from the condenser side of the heat pump without the use of any overall control.

Anläggningen enligt fig. 3 baserar sig på en anläggning enligt fig. 1 kombinerad med en ytjordvärmeanläggning, men skulle även kunna basera sig på utförandet enligt fig. 2. Ytjordvärmeanläggningen innefattar en värmepump 50 vars förângarsida är ansluten till i jorden förlagda rörslingor antydda vid 52. En vätska i rörslingorna 52 cirkuleras medelst en pump 54. Värmepumpens 50 kondensorsida är ansluten till ledningen 28 via ledningar 56 och 58, den sistnämnda över en reglerbar treportsventil 3V6. Ledningen 58 innehåller även en cirkulationspump 60.The plant according to Fig. 3 is based on a plant according to Fig. 1 combined with a surface geothermal heating system, but could also be based on the embodiment according to Fig. 2. The surface geothermal heating system comprises a heat pump 50 whose evaporator side is connected to grounded pipe loops indicated at 52. A liquid in the pipe loops 52 is circulated by means of a pump 54. The condenser side of the heat pump 50 is connected to the line 28 via lines 56 and 58, the latter via an adjustable three-port valve 3V6. Line 58 also contains a circulation pump 60.

Arbetsprincipen för en ytjordvärmeanläggning av den beskrivna typen är väl känd och behöver därför ej beskrivas i detalj här.The working principle for a surface geothermal heating system of the type described is well known and therefore does not need to be described in detail here.

Tilledningen till rörslingorna 52 innehåller ett shuntavsnitt, som är till-och frånkopplingsbart medelst en reglerbar trevägsventil 3V5. Närmare bestämt utgöres shuntavsnittet av en värmeupptagande del 62 i en värmeväxlare 64. Värmeväxlarens 64 värmeavgivande del är via ledningar 66 och 68 anslutningsbar, medelst en treportsventil 3V4, för uttag och cirkulering av vattnet från volymen 6. ; Vid direktladdning från solfångaren via ledningarna 20, 24 på sätt som beskrives ovan i anslutning till utföringsformen enligt fig. l gäller följande för ventilerna 3V4 och 3V5. 3V4 är öppen till led- ningen 66 (annars till ledningen 16) och 3V5 är öppen för tillkopp- ling av shuntdelen 62. Vid frysrisk i ledningen 68, eller värme- växlaren, shuntas endast en begränsade del av vätskan in i shunt- delen 62. Pumpen 54 arbetar och returvatten från tankvolymen 6 för värme till jorden via ledningen 66, värmeväxlaren 64 och rör- slingorna 52.The supply to the pipe loops 52 contains a shunt section which can be connected and disconnected by means of an adjustable three-way valve 3V5. More specifically, the shunt section consists of a heat-absorbing part 62 in a heat exchanger 64. The heat-emitting part of the heat exchanger 64 can be connected via lines 66 and 68, by means of a three-port valve 3V4, for withdrawing and circulating the water from the volume 6.; When charging directly from the solar collector via the lines 20, 24 in the manner described above in connection with the embodiment according to Fig. 1, the following applies to the valves 3V4 and 3V5. 3V4 is open to line 66 (otherwise to line 16) and 3V5 is open for connection of the shunt part 62. In case of risk of freezing in the line 68, or the heat exchanger, only a limited part of the liquid is shunted into the shunt part 62 The pump 54 operates and returns water from the tank volume 6 for heating to the ground via the line 66, the heat exchanger 64 and the pipe loops 52.

Vid drift av värmepumpen 50 arbetar båda pumparna 54 och 60. 3V5 är i läge, vilket shuntdelen 62 är frånkopplad. Ventilerna 3V6 och 3Vl är i sådana lägen att ledningarna 30 och 58 kommunicerar. I detta fall laddas således ackumulatortankvolymerna från ytjordvärmeanlägg- ; , *zsﬂsusæs w. “ ningen via laddningsledningen 24.When operating the heat pump 50, both pumps 54 and 60 operate. 3V5 is in position, which shunt part 62 is disconnected. Valves 3V6 and 3V1 are in such positions that lines 30 and 58 communicate. In this case, the accumulator tank volumes are thus charged from surface geothermal heating systems; , * zs ﬂ susæs w. “ningen via the charging line 24.

Av ovanstående beskrivning av ett antal utföringsformer torde fram- gått att genom uppfinningen erhålles en värmelagringsanläggning, som uppfyller de önskemål, som omnämndes inledningsvis. a Ehuru utföringsformerna enligt fig. l-3 beskrivits ovan såsom till- lämpade vid en värmeutvidgningsanläggning av en bestämd typ, inser man lätt att en värmelagringsanläggning enligt uppfinningen är mång- sidigt användbar i samband med ett önskat antal godtyckliga värme- källor för hög- och/eller lågvärdigt värme. Lagringstanken 2 har beskrivits ovan såsom innefattande fem lagringsvolymer, men även detta antal kan naturligtvis variera.From the above description of a number of embodiments, it should be apparent that by means of the invention a heat storage plant is obtained which fulfills the wishes mentioned in the introduction. Although the embodiments of Figs. 1-3 have been described above as being used in a thermal expansion plant of a particular type, it is readily appreciated that a heat storage plant of the invention is versatile in connection with a desired number of arbitrary heat sources for high and / or low-grade heat. The storage tank 2 has been described above as comprising five storage volumes, but this number can of course also vary.

Backventilerna mellan lagringsvolymerna kan vara mycket enkla. Vid relativt litet antal tankvolymer och/eller relativt stor höjd hos tanken anordnas företrädesvis ej närmare visade ledorgan i anslutning till backventilerna för att vid de övre backventilerna leda inström- mande medium i riktning mot den varmare volymens botten och vid de undre backventilerna leda inströmmande medium i riktning uppåt i den kallare volymen.The non-return valves between the storage volumes can be very simple. In the case of a relatively small number of tank volumes and / or a relatively large height of the tank, guide means not shown in more detail are arranged in connection with the non-return valves in order to guide inflowing medium at the upper non-return valves towards the bottom of the warmer volume and direct inflowing medium in the lower non-return valves. upward direction in the colder volume.

Ehuru en av de_betydande fördelarna med uppfinningen är att den medger användning av stora lagringsvolymer med förhållandevis ringa utrymmesbehov på höjden, är det även tänkbart att tillämpa uppfinningen vid vertikala tankar. I detta fall utnyttjas företrädes- vis det strömmande värmelagringsmediets naturliga tendens till temperaturskiktning, och de eventuella mellanväggarna mellan lag; ringsvolymerna kan exempelvis enkelt bestå av perforerade plåtarlAlthough one of the significant advantages of the invention is that it allows the use of large storage volumes with relatively small space requirements at height, it is also conceivable to apply the invention to vertical tanks. In this case, the natural tendency of the flowing heat storage medium to temperature stratification, and the possible partitions between layers, are preferably utilized; The ring volumes can, for example, easily consist of perforated sheet metal

Claims

7805059-8 P A T E N T K R A V

1. A plant for storing heat in a liquid heat storage medium, characterized in that an accumulator tank (2) for the medium comprises a number of storage volumes (6-14) connected in succession for rising temperature ranges, with overflow means (BV1, BV2) between volumes whose temperature ranges are adjacent to each other, wherein at least one filling line (34) to each volume is connected via a temperature-controlled filling valve (3V3) to at least one common charge line (24) and wherein temperature-sensing valve control means (R3, TG3 , TG4) are arranged to, in connection with each filling valve, sense the medium temperature in the charge line and the medium temperature in the corresponding storage volume} and cause the filling valve (3V3) to let medium through to the volume if the medium temperature of the charge line is higher than the volume, and otherwise bypass the medium to the filling valve at a storage volume of the next lower temperature.

Plant according to Claim 1, characterized in that at least two parallel charging lines are arranged, each with a set of filling lines (34, 34 ') with associated resp. filling valve (3V3, 3V3 ') and temperature sensing valve control means (R3, TG3, TG4, R3', TG3 ', TG4').

Plant according to Claim 1 or 2, characterized in that at least two external supply lines (20, 26) can be connected via a connection valve (3V1, 3V2) to a common charging line with filling valves (3V3) and associated respective valve control means (R3). , moss, m4) and filling lease (34). '

Plant according to claim 3, characterized in that a connection valve (3V1, 3V2) is arranged for each external supply line (20, 26), and that the connection valves are arranged to alternatively connect the corresponding external supply line to the storage volume (6 ) of the lowest temperature.

Plant according to one of Claims 1 to 4, characterized in that at least two supply lines (20, 26, 56) are arranged to supply heat energy to the tank (2) from each heat source, one of which is the condenser of a heat pump (50). ), whose evaporator takes heat from surface geothermal heating coils (52), the supply of which contains a switchable and detachable shunt section (62) constituting the heat-absorbing part of a heat exchanger (64), the heat-emitting part of which can be connected for extraction and circulation of medium from -8 _- (6) of the storage volumes, e.g. return water.

Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the accumulator tank (2) consists of an elongate tank intended for horizontal use divided into the storage volumes (6-14) through the partitions (4), and that the overflow means consist of upper non-return valves (BV1) in the upper part of the partitions, directed from colder to warmer volume, and oppositely directed lower non-return valves (BV2) in the lower part of the partitions.

7. A system according to claim 6, characterized in that guide means are arranged to guide medium which flows through said upper and lower non-return valves down resp. up in storage volumes.

Plant according to one of the preceding claims, with at least two supply lines (20, 26, 56), each conducting from a heat source, characterized by a control system (R2, 38, 40, 3V1, 3V2, 3V6) arranged to connect the supply line for charging the accumulator tank, which is connected to the currently most economically usable and / or most easily accessible heat source.

System according to one of the preceding claims, characterized in that controllable outlet valves (AVI) can be connected to a common outlet line (16) in order to enable regulated withdrawal of medium of a certain temperature. PUBLICATIONS MADE: