СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F24J3/08 

Настоящее изобретение относится к способу хранения тепловой энергии в подземном накопителе энергии и обратного получения тепловой энергии из накопителя, соответственно.

Разнообразные районы Земли имеют различные сезонные колебания. Часто колебания заключаются в том, что определенные периоды года относительно холоднее, а другие периоды - относительно теплее. В этих случаях, часто существует необходимость в нагревании во время более холодного периода. Соответственно, часто существует необходимость в охлаждении во время более теплого периода. Эта необходимость существует в различной степени в различных частях мира, и необходимости в нагревании и охлаждении, соответственно, не всегда одной и той же величины на одном и том же месте.

Например, дома существует необходимость в нагревании и/или охлаждении. Однако следует понимать, что также другие типы зданий, например промышленные здания, в определенных случаях имеют необходимость в нагревании и/или охлаждении в зависимости от характеристик здания и сезонно зависимой средней температуры воздуха.

В настоящее время часто используются так называемые геотермальные системы, которые используют грунт в качестве накопителя энергии для нагревания и/или охлаждения здания. Это означает, что тепловая энергия забирается из грунта во время холодного периода, когда грунт в среднем теплее, чем воздух. Наоборот, холод забирается из грунта во время теплого периода, когда грунт в среднем холоднее, чем воздух. Можно рассматривать это, как будто из грунта выкачивается тепловая энергия во время холодного периода и грунт пополняется тепловой энергией во время теплого периода. Таким образом, температура в доме может, например, поддерживаться на одном и том же уровне, используя грунт в качестве выравнивающего накопителя энергии. Это уменьшает до минимума необходимость в подаваемой от внешнего источника энергии для нагревания и охлаждения здания.

В известных подобных накопителях энергии используется одно или несколько вертикальных отверстий, в которых теплоноситель, например смесь гликоля и воды, доставляется вниз в грунт и после этого обратно к поверхности по трубе, расположенной в отверстии. При этом прохождении осуществляется теплообмен с грунтом таким образом, что теплоноситель или выделяет, или получает тепловую энергию или холод в или от грунта, окружающего отверстие. Тепловые насосы могут быть использованы для извлечения тепла или холода.

Подобные обычные накопители энергии могут быть использованы или для нагревания или охлаждения, или для и того, и другого. Наиболее обычным, особенно касательно регулирования температуры в небольших домах, является то, что установки используются для нагревания во время холодного периода и что они бездействуют во время теплого периода.

В случае небольших домов наиболее распространенное применение находит одно единственное отверстие или всего лишь несколько отверстий. Однако также существуют устройства, использующие больше чем только несколько отверстий. В этих случаях трубы отверстий могут быть соединены или последовательно, или параллельно, или комбинированно и расположены, образуя различные геометрические формы, например прямую линию или сетку. Однако общим для всех этих известных устройств является то, что теплоноситель, протекающий по различным трубам, имеет одинаковую температуру и протекает во всех отверстиях в один и тот же момент во времени. Это приводит к тому, что тепловая энергия или пополняется, или забирается из всех отверстий одновременно.

Подобные накопители энергии могут быть установлены в областях, где грунт состоит из горной породы, но установка также возможна в грунт, состоящий из глины, песка и т.п. В определенных случаях, дополнительные укрепляющие трубки или другие укрепляющие устройства используются при установке.

Также общеизвестно использование накопителей энергии, в которых трубы теплоносителя частично изолированы внутри отверстия или отверстий таким образом, что достигается температурный градиент по направлению увеличения глубины отверстия. Таким образом, коэффициент полезного действия установки может быть увеличен, так как можно управлять в вертикальном направлении интенсивностью поля доступной тепловой энергии в грунте.

Существует несколько проблем, связанных с предшествующим уровнем техники.

Во-первых, тепловая энергия или холод, хранящиеся под землей вокруг отверстия, будет радиально рассеиваться по направлению от данного отверстия. Например, во время холодного сезона это приведет к тому, что меньше чем вся тепловая энергия, пополненная через отверстие во время теплого сезона, будет пригодной к использованию, так как пополненная тепловая энергия частично ушла в грунт и в сторону от отверстия. Так происходит вследствие того, что окружающий грунт охлаждает нагретый грунт вокруг отверстия. Также, конечно, имеет место обратное, т.е. если грунт, окружающий отверстие, охлаждается во время холодного сезона, не будет возможности полностью забрать этот хранящийся холод во время теплого сезона, так как окружающий грунт нагреет охлажденную область в определенной степени ко времени забирания хранящегося холода. Эта проблема также возникает с такими накопителями энергии, использующими несколько отверстий, так как эти известные накопители или нагревают, или охлаждают грунт, окружающий все отверстия, в определенный момент времени.

Во-вторых, имеет место общий охлаждающий эффект, например, в жилых микрорайонах. А именно, в таких областях геотермальные системы, нагревающие во время зимнего сезона и, в основном, бездействующие во время летнего сезона, часто расположены рядом друг с другом. Это явление имеет место, несмотря на дополнительный тепловой поток от солнца, атмосферы и окружающего грунта, направленный на охлажденную горную породу. Эффект является крайне долговременным и последовательно уменьшает коэффициент полезного действия геотермальных систем в данных областях. Следовательно, было бы желательным использовать устройства, которые осуществляют обмен теплом, а также холодом с грунтом с большей эффективностью, что предпочтительнее, чем однонаправленное забирание тепловой энергии.

Настоящее изобретение решает вышеуказанные проблемы. Таким образом, настоящее изобретение относится к способу хранения тепловой энергии в подземном накопителе (1) энергии и обратного получения тепловой энергии из подземного накопителя (1) энергии, содержащего, по меньшей мере, четыре отверстия (2), через которые перемещается теплоноситель (8) и, таким образом, нагревая или охлаждая грунт (3), при этом отверстия (2) расположены, по существу, на, по меньшей мере, двух концентричных окружностях (10, 11, 12), причем механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), выполненной с возможностью направления теплоносителя (8) к отверстиям, которые расположены на одной окружности, и тем самым нагревая или охлаждая грунт у указанной окружности. Теплоноситель (8) перемещается в замкнутой системе, при этом, когда температура теплоносителя (8) выше температуры окружающего грунта (3), внутренние окружности нагреваются раньше внешних окружностей, а когда температура теплоносителя (8) ниже температуры окружающего грунта (3), внешние окружности охлаждаются раньше внутренних окружностей, после чего охлаждаются внутренние окружности, причем глубина отверстий (2) составляет, по меньшей мере, 50 метров. При этом температуру могут измерять на каждой отдельной окружности (10, 11, 12) посредством, по меньшей мере, одного температурного датчика (25, 33, 34), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6) так, что разность температур между каждой соседней окружностью является регулируемой, причем нагревание и охлаждение следующей окружности начинают, когда разность температур между температурой теплоносителя на нагреваемой или охлаждаемой в настоящий момент окружности и на соседней окружности ниже заданного значения, кроме того, температуру могут измерять независимо в каждом отверстии (2) посредством, по меньшей мере, одного температурного датчика (25), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) таким образом, что разница между самой низкой и самой высокой температурой между каждой парой отверстий (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), держится ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12). Теплоноситель (8) пропускают по U-образной трубе (23) вниз в каждое отверстие (2) и вверх из каждого отверстия (2). Холод забирают из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии. Расстояние между отверстиями (2) составляет от 2 до 10 метров, максимальное расстояние между двумя отверстиями (2) составляет от 10 до 250 метров, глубина отверстий (2) составляет не более 200 метров, а диаметры отверстий (2) составляют от 10 до 50 сантиметров. Кроме того, при замере температуры на каждой отдельной окружности температуру могут измерять независимо в каждом отверстии (2) посредством, по меньшей мере, одного температурного датчика (25), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) таким образом, что разница между самой низкой и самой высокой температурой между каждой парой отверстий (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), держится ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12), холод при этом забирают из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.

Изобретение также относится к устройству для хранения тепловой энергии в подземном накопителе (1) энергии и обратного получения тепловой энергии из подземного накопителя (1) энергии, содержащего, по меньшей мере, четыре отверстия (2), выполненных с возможностью перемещения теплоносителя (8) через них и, таким образом, нагревая или охлаждая грунт (3), при этом отверстия (2) расположены, по существу, на, по меньшей мере, двух концентричных окружностях (10, 11, 12), а механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью направления теплоносителя (8) к отверстиям, которые расположены на одной окружности, и тем самым нагревая или охлаждая грунт у указанной окружности. При этом теплоноситель (8) перемещается в замкнутой системе, при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6) так, что внутренние окружности нагреваются раньше внешних окружностей, когда температура теплоносителя (8) выше температуры окружающего грунта (3), и таким образом, что внешние окружности охлаждаются раньше внутренних окружностей, после чего охлаждаются внутренние окружности, когда температура теплоносителя (8) ниже температуры окружающего грунта (3), причем глубина отверстий (2) составляет, по меньшей мере, 50 метров, по меньшей мере, один температурный датчик (25, 33, 34) выполнен с возможностью измерения температуры теплоносителя (8), который перемещается через отверстия (2) на каждой отдельной окружности (10, 11, 12), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью управления разностью температур между каждой соседней окружностью так, что нагревание и охлаждение следующей окружности начинается, когда разность температур между температурой теплоносителя на нагреваемой или охлаждаемой в настоящий момент окружности и на соседней окружности ниже заданного значения, или, по меньшей мере, один температурный датчик (25) выполнен с возможностью измерения температуры независимо в каждом отверстии (2), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) так, что разница между самой низкой и самой высокой температурой во всех отверстиях (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12). U-образная труба (23) выполнена с возможностью пропускания теплоносителя (8) вниз в каждое отверстие (2) и вверх из каждого отверстия (2), механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой для забирания холода из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии, расстояние между отверстиями (2) составляет от 2 до 10 метров, максимальное расстояние между двумя отверстиями (2) составляет от 10 до 250 метров, глубина отверстий (2) составляет не более 200 метров, диаметры отверстий (2) составляют от 10 до 50 сантиметров. Кроме того, в устройстве, по меньшей мере, один температурный датчик (25) выполнен с возможностью измерения температуры независимо в каждом отверстии (2), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) так, что разница между самой низкой и самой высокой температурой во всех отверстиях (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12), механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой для забирания холода из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на приведенные в качестве примера варианты осуществления изобретения и прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой упрощенный вид сверху накопителя энергии в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 представляет собой продольное сечение при рассмотрении со стороны теплового отверстия в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 представляет собой условный вид второго предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.

Накопитель 1 энергии, показанный на фиг.1, состоит из тринадцати тепловых отверстий 2, выполненных на расстоянии друг от друга, просверленных в окружающем грунте 3. Отверстия 2 эквидистантно разнесены по трем соответствующим концентричным окружностям 10, 11, 12 с различными радиусами. Как видно из фиг.1, диаметр самой внутренней окружности равен нулю, вследствие чего тепловое отверстие 4, которое расположено на этой самой внутренней окружности 10, в действительности выполнено в общем центре концентричных окружностей 10, 11, 12. Однако это условие не является необходимым, наоборот, самая внутренняя окружность 10 может иметь диаметр, не равный нулю, в соответствии с чем несколько отверстий могут быть эквидистантно разнесены по самой внутренней окружности 10.

Кроме того, количество концентричных окружностей необязательно должно быть три, например, как у накопителя 1 энергии, показанного на фиг.1, а может быть любое количество, однако, по меньшей мере, 2. Также необязательно использовать окружности, наоборот, любой набор концентричных замкнутых геометрических фигур с увеличивающимися размерами может быть использован, например концентричные прямоугольники со сторонами увеличивающегося размера.

Отверстия 2 распределены по различным окружностям 10, 11, 12 таким образом, что расстояние между каждой парой двух расположенных рядом отверстий является приблизительно одинаковым, что и расстояние между другими парами, по существу, всего накопителя 1 энергии. Это означает, что больше отверстий 2 будет предусмотрено на внешних окружностях, чем на внутренних окружностях. В настоящем варианте осуществления это означает, что больше отверстий 2 предусмотрено на внешней окружности 12, чем на средней окружности 11. В зависимости от теплопроводности окружающего грунта 3 типичное такое расстояние между двумя расположенными рядом отверстиями будет приблизительно от 3 до 10 метров, в большинстве случаев от 5 до 7 метров.

Каждое отверстие 2 накопителя 1 энергии имеет глубину приблизительно от 50 до 250 метров, в большинстве случаев от 150 до 200 метров. Диаметр самой внешней окружности приблизительно составляет от 10 до 250 метров, в большинстве случаев приблизительно 150 метров.

На фиг.2 показано одно из тепловых отверстий 2 накопителя энергии, показанного на фиг.1, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения. Отверстие 2 просверлено в грунте 3 вниз от поверхности 5 грунта. Если необходимо, в зависимости от свойств грунта, различные укрепляющие конструкции, такие как укрепляющая трубка, могут быть предусмотрены для повышения прочности отверстия (не показано). Также могут быть использованы средства для уплотнения отверстия 2 (также не показано).

Вниз по отверстию 2, по существу, вниз до дна 21 отверстия 2 и далее вверх к верхнему концу 22 отверстия 2 проходит U-образная труба 23. Труба 23 может быть выполнена из любого подходящего материала, например полиэтилена. Затем трубы 24 проходят к и от отверстия 2 от и, соответственно, к клапанной системе 6. Теплоноситель 8 проходит по трубам 24, 23 от клапанной системы 6 вниз в отверстие 2, вверх по отверстию 2 и обратно к клапанной системе 6. Теплоноситель 8 может представлять собой любую подходящую текучую среду, например смесь воды и гликоля, и предпочтительно предохранен от замерзания.

Также в отверстии 2 расположена измеряющая температуру обмотка 9, по существу, проходящая по всей длине отверстия 2. Обмотка 9 может быть расположена или внутри трубы 23, или снаружи трубы 23, или непосредственно у стенки отверстия 2. В этих соответствующих случаях измеряющая температуру обмотка 9, соответственно, измеряет температуру теплоносителя 8, температуру внутри отверстия 2 или температуру той части окружающего грунта 3, которая расположена в непосредственной близости от отверстия 2. В настоящем варианте осуществления обмотка 9 расположена на внешней поверхности трубы 23, но возможно расположить обмотку 9 любыми другими способами и тем не менее не отступать от идеи изобретения.

Измеряющая температуру обмотка 9 измеряет температуру посредством температурных датчиков 25, эквидистантно разнесенных по направлению прохождения отверстия 2, обычно с интервалом приблизительно 0,5 метра. Однако, в зависимости от других свойств устройства и типа почвы, температурные датчики также могут быть разнесены с большими интервалами, например с интервалами 1-5 метров. На фиг.2 температурные датчики 25 из соображений ясности не показаны в соответствии с масштабом. Обмотка 9 соединена с механизмом 7 управления, таким как компьютер. Таким образом, обмотка 9 регулярно измеряет температуру на различных глубинах в отверстии 2 и сообщает измеренные температуры механизму 7 управления.

Измеряющая температуру обмотка 9, содержащая температурные датчики 25, может быть любого подходящего типа, где примером является оптическое считывающее устройство, использующее обычные провода с оптическим волокном. Например, подобное устройство является доступным для приобретения от HydroResearch Sam Johansson AB, Hörnåkersvägen 14, Täby, Швеция. Другим примером является последовательность обычных температурных датчиков типа РТ100.

Кроме того, механизм 7 управления соединен с клапанной системой 6 и выполнен с возможностью управления ей. Клапанная система 6, в свою очередь, выполнена с возможностью управления независимым потоком теплоносителя 8 по трубе 23 вниз в отверстие 2. Таким образом, механизм 7 управления выполнен с возможностью управления потоком теплоносителя 8 через отверстие 2 посредством клапанной системой 6.

Кроме того, каждое отверстие 2 в накопителе 1 энергии выполнено с соответствующей, измеряющей температуру обмоткой 9, причем каждая измеряющая температуру обмотка 9 соединена с механизмом 7 управления, а каждое отверстие 2 выполнено с соответствующей клапанной системой 6, и механизм 7 управления соединен с каждой клапанной системой 6, соответственно. Таким образом, механизм 7 управления выполнен с возможностью управления распределением потока теплоносителя 8 в соответствующие отверстия 2 накопителя 1 энергии посредством непрерывного и индивидуального управления потоком через каждое отверстие 2, соответственно.

При работе механизм 7 управления управляет потоком теплоносителя 8 через отверстия 2 таким образом, что температура, измеряемая в отверстиях 2, по существу, будет одинаковой для каждого отверстия, которое расположено на одной и той же концентричной окружности. В этом контексте под термином «по существу одинаковая» подразумевается, что максимальная разность температур между двумя отверстиями, расположенными на одной и той же окружности, не превышает приблизительно 1-2°С.

На фиг.3 показан условный вид отверстий 2, расположенных на одной из концентричных окружностей 10, 11, 12 (фиг.1) в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 отверстия показаны из соображений ясности в ряд, несмотря на обстоятельство, заключающееся в том, что они на самом деле расположены на одной из концентричных окружностей 10, 11, 12 (фиг.1).

Как и на фиг.2, отверстия 2 на фиг.3 предусмотрены с U-образными трубами 23. Эти U-образные трубы 23 последовательно соединены с трубами 31. Также последовательно соединена с отверстиями 2 клапанная система 6. Следовательно, теплоноситель 8 протекает по трубам 23, 31 от клапанной системы 6 вниз в первое отверстие 2а, вверх из первого отверстия 2а, вниз во второе отверстие 2b и так далее до последнего отверстия 2d и опять обратно к клапанной системе 6.

Температура теплоносителя 8 измеряется посредством первого температурного датчика 33, расположенного между выходом клапанной системы 6 и первым отверстием 2а, а также посредством второго температурного датчика 34, расположенного между последним отверстием 2d и входом клапанной системы 6. От этих двух температурных датчиков 33, 34 отходят к механизму 7 управления, например к компьютеру, каналы 32. Температурные датчики 33, 34 могут быть любого подходящего типа, например обычные температурные датчики типа РТ100.

Кроме того, механизм 7 управления соединен с клапанной системой 6 и выполнен с возможностью управления ей. Клапанная система 6, в свою очередь, выполнена с возможностью управления потоком теплоносителя 8 по трубам 23, 31 вниз в отверстия 2. Таким образом, механизм 7 управления выполнен с возможностью управления потоком теплоносителя 8 через отверстия 2 посредством клапанной системой 6.

Кроме того, отверстия 2 на каждой концентричной окружности 10, 11, 12 в накопителе 1 энергии предусмотрены с соответствующими температурными датчиками 33, 34, каждый их которых соединен с механизмом 7 управления, причем каждая концентричная окружность 10, 11, 12 предусмотрена с соответствующей клапанной системой 6, а механизм 7 управления соединен с каждой соответствующей клапанной системой 6. Следовательно, механизм 7 управления выполнен с возможностью управления распределением потока теплоносителя 8 в отверстия 2 на каждой соответствующей концентричной окружности 10, 11, 12 в накопителе 1 энергии посредством непрерывного и индивидуального управления потоком через отверстия 2 на каждой соответствующей концентричной окружности 10, 11, 12.

В обоих, первом и втором предпочтительном, вариантах осуществления, описанных выше, тепловая энергия может или пополняться в накопитель 1 энергии, или забираться из накопителя 1 энергии.

В этом контексте под «пополнять энергию» подразумевается, что тепловая энергия подводится к накопителю 1 энергии посредством переноса тепловой энергии от теплоносителя 8, который протекает по трубе 23 в отверстиях 2 вниз в грунт 3. Это также означает, что теплоноситель 8 охлаждается при прохождении через отверстия 2 в накопителе 1 энергии и что перепад температур между температурами на входе и выходе может быть использован для охлаждения, например, дома во время относительно теплого периода года. Температура теплоносителя, протекающего вниз в отверстие 2, при охлаждении дома будет обычно равна 5-18°С, хотя могут происходить колебания вследствие условий климата, грунта и других условий. Охлажденный теплоноситель, покидающий отверстие, обычно имеет температуру, которая приблизительно на 2-6°С ниже, чем температура на входе, в большинстве случаев на 3-4°С ниже.

В этом контексте под «забирать энергию» подразумевается, что тепловая энергия передается в противоположном направлении от грунта 3 теплоносителю 8. Таким образом, нагревание теплоносителя 8, например, может быть использовано, когда необходимо (например, во время относительно холодного периода года), для нагревания дома. Температура теплоносителя, протекающего вниз в отверстие 2, при нагревании дома будет обычно равна -3-7°С, хотя могут происходить колебания вследствие условий климата, грунта и других условий. Нагретый теплоноситель, покидающий отверстие, обычно имеет температуру, которая приблизительно на 2-6°С выше, чем температура на входе, в большинстве случаев на 3-4°С выше.

Заслуживает внимания то, что при пополнении накопителя 1 энергии температура грунта 3 вокруг нагретых отверстий увеличивается, а при забирании тепловой энергии температура грунта 3 аналогично уменьшается.

При использовании накопителя 1 энергии в соответствии с настоящим изобретением достигается существенно лучшая эффективность при забирании ранее пополненной тепловой энергии, чем в случае использования накопителей энергии согласно уровню техники. Это достигается посредством постоянного пополнения тепловой энергии из центра накопителя 1 и наружу и посредством забирания тепловой энергии на периферии накопителя 1 и внутрь. Это уменьшает потери вследствие теплового рассеивания на периферии накопителя 1 энергии.

Таким образом, большую часть тепловой энергии, рассеивающейся у внутреннего отверстия или внутренних отверстий, в которых изначально началось пополнение тепловой энергии, будет возможно использовать во время забирания тепловой энергии, несмотря на то, что в этом месте часть этой энергии рассеялась у внутреннего отверстия или внутренних отверстий, так как большая часть этой рассеявшейся тепловой энергии является доступной для забирания на тех окружностях, которые расположены дальше от центра, чем те окружности, на которых тепловая энергия была первоначально пополнена. Когда теплообмен на самых внешних окружностях достаточно низкий, начинается забирание тепловой энергии на окружностях, расположенных дальше внутрь, и так далее до того момента, при котором процесс забирания тепловой энергии прошел весь путь до самых внутренних окружностей или самой внутренней окружности. Когда теплообмен у отверстий, расположенных на этих окружностях или этой окружности, упал до нуля, накопитель 1 энергии пуст, и существенно большая часть пополненной тепловой энергии была доступна для использования по сравнению с тем, что было бы в случае обычного накопителя энергии.

Таким образом, тепловая энергия пополняется и забирается, соответственно, из середины наружу и с периферии внутрь в накопителе 1 энергии при использовании концентричных окружностей 10, 11, 12 одну за другой в порядке увеличивающегося или уменьшающегося радиуса, соответственно, для пополнения или забирания тепла. В зависимости от того, где измеряется температура, могут использоваться различные условия начала пополнения или забирания тепловой энергии на следующей по порядку окружности, соответственно. В случае, когда температура измеряется в каждом соответствующем отверстии 2 на каждой соответствующей концентричной окружности 10, 11, 12, предпочтительное такое условие заключается в том, что температура в отверстиях на окружности, на которой в настоящий момент пополняется или забирается тепловая энергия, соответственно, должна быть, по существу, такой же, что и в отверстиях на предыдущей по порядку окружности. Когда температура измеряется в трубе 31, соединяющей все отверстия 2 на концентричной окружности, одно предпочтительное такое условие заключается в том, что температура в трубе, соединяющей отверстия на окружности, на которой в настоящий момент пополняется или забирается тепловая энергия, соответственно, должна быть, по существу, такой же, что и в трубе, соединяющей отверстия на предыдущей по порядку окружности. Однако следует понимать, что другие условия и возможны, и применимы в зависимости от, между прочим, устройства температурных датчиков 25, 33, 34 и от того, как клапанная система 6 управляет потоком теплоносителя 8 через отверстия 2 в накопителе 1 энергии.

В этом контексте под «по существу такая же» подразумевается, что максимальная разность температур между двумя отверстиями на соседних окружностях не превышает приблизительно 1-5°С.

Кроме того, когда в накопителе энергии заканчивается тепловая энергия, самые внешние скважины могут быть использованы в качестве обычных геотермальных отверстий для того, чтобы, таким образом, позволить забрать больше энергии, чем ранее хранилось в накопителе 1 энергии.

Выше были описаны приведенные в качестве примера варианты осуществления. Однако изобретение может быть изменено, не отступая от сущности изобретения. Поэтому настоящее изобретение не следует рассматривать, как ограниченное этими приведенными в качестве примера вариантами осуществления, а только объемом приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится способам хранения тепловой энергии в геотермальных системах, которые используют грунт в качестве накопителя энергии для нагревания или охлаждения здания. Сущность изобретения в том, что отверстия, через которые перемещается теплоноситель, расположены на, по меньшей мере, двух концентричных окружностях, при этом механизм управления выполнен с возможностью управления клапанной системой, выполненной с возможностью направления теплоносителя к отверстиям, которые расположены на одной окружности, и, тем самым, нагревая или охлаждая грунт у указанной окружности, причем, когда температура теплоносителя выше температуры окружающего грунта, внутренние окружности нагреваются раньше внешних окружностей, а когда температура теплоносителя ниже температуры окружающего грунта, внешние окружности охлаждаются раньше внутренних окружностей. Изобретение также относится к устройству, в котором реализуется заявленный способ. Предложенный способ и устройство позволяют более эффективно использовать температуру грунта. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ хранения тепловой энергии в подземном накопителе (1) энергии и обратного получения тепловой энергии из подземного накопителя (1) энергии, содержащего, по меньшей мере, четыре отверстия (2), через которые перемещается теплоноситель (8) и таким образом нагревая или охлаждая грунт (3), при этом отверстия (2) расположены, по существу, на, по меньшей мере, двух концентричных окружностях (10, 11, 12), причем механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), выполненной с возможностью направления теплоносителя (8) к отверстиям, которые расположены на одной окружности, и тем самым нагревая или охлаждая грунт у указанной окружности, отличающийся тем, что теплоноситель (8) перемещается в замкнутой системе, при этом, когда температура теплоносителя (8) выше температуры окружающего грунта (3), внутренние окружности нагреваются раньше внешних окружностей, а когда температура теплоносителя (8) ниже температуры окружающего грунта (3), внешние окружности охлаждаются раньше внутренних окружностей, после чего охлаждаются внутренние окружности, причем глубина отверстий (2) составляет, по меньшей мере, 50 м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру на каждой отдельной окружности (10, 11, 12) измеряют посредством, по меньшей мере, одного температурного датчика (25, 33, 34), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6) так, что разность температур между каждой соседней окружностью является регулируемой, причем нагревание и охлаждение следующей окружности начинают, когда разность температур между температурой теплоносителя на нагреваемой или охлаждаемой в настоящий момент окружности и на соседней окружности ниже заданного значения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру измеряют независимо в каждом отверстии (2) посредством, по меньшей мере, одного температурного датчика (25), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) таким образом, что разница между самой низкой и самой высокой температурой между каждой парой отверстий (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), держится ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплоноситель (8) пропускают по U-образной трубе (23) вниз в каждое отверстие (2) и вверх из каждого отверстия (2).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что холод забирают из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояние между отверстиями (2) составляет от 2 до 10 м.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальное расстояние между двумя отверстиями (2) составляет от 10 до 250 м.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубина отверстий (2) составляет не более 200 м.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметры отверстий (2) составляют от 10 до 50 см.

10. Способ по п.2, отличающийся тем, что температуру измеряют независимо в каждом отверстии (2) посредством, по меньшей мере, одного температурного датчика (25), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) таким образом, что разница между самой низкой и самой высокой температурой между каждой парой отверстий (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), держится ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12).

11. Способ по п.2, отличающийся тем, что холод забирают из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.

12. Способ по п.3, отличающийся тем, что холод забирают из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.

13. Устройство для хранения тепловой энергии в подземном накопителе (1) энергии и обратного получения тепловой энергии из подземного накопителя (1) энергии, содержащего, по меньшей мере, четыре отверстия (2), выполненных с возможностью перемещения теплоносителя (8) через них и таким образом нагревая или охлаждая грунт (3), при этом отверстия (2) расположены, по существу, на, по меньшей мере, двух концентричных окружностях (10, 11, 12), а механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью направления теплоносителя (8) к отверстиям, которые расположены на одной окружности, и тем самым нагревая или охлаждая грунт у указанной окружности, отличающееся тем, что теплоноситель (8) перемещается в замкнутой системе, при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6) так, что внутренние окружности нагреваются раньше внешних окружностей, когда температура теплоносителя (8) выше температуры окружающего грунта (3), и таким образом, что внешние окружности охлаждаются раньше внутренних окружностей, после чего охлаждаются внутренние окружности, когда температура теплоносителя (8) ниже температуры окружающего грунта (3), причем глубина отверстий (2) составляет, по меньшей мере, 50 м.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один температурный датчик (25, 33, 34) выполнен с возможностью измерения температуры теплоносителя (8), который перемещается через отверстия (2) на каждой отдельной окружности (10, 11, 12), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью управления разностью температур между каждой соседней окружностью так, что нагревание и охлаждение следующей окружности начинается, когда разность температур между температурой теплоносителя на нагреваемой или охлаждаемой в настоящий момент окружности и на соседней окружности ниже заданного значения.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один температурный датчик (25) выполнен с возможностью измерения температуры независимо в каждом отверстии (2), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) так, что разница между самой низкой и самой высокой температурой во всех отверстиях (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12).

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что U-образная труба (23) выполнена с возможностью пропускания теплоносителя (8) вниз в каждое отверстие (2) и вверх из каждого отверстия (2).

17. Устройство по п.13, отличающееся тем, что механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой для забирания холода из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.

18. Устройство по п.13, отличающееся тем, что расстояние между отверстиями (2) составляет от 2 до 10 м.

19. Устройство по п.13, отличающееся тем, что максимальное расстояние между двумя отверстиями (2) составляет от 10 до 250 м.

20. Устройство по п.13, отличающееся тем, что глубина отверстий (2) составляет не более 200 м.

21. Устройство по п.13, отличающееся тем, что диаметры отверстий (2) составляют от 10 до 50 см.

22. Устройство по п.14, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один температурный датчик (25) выполнен с возможностью измерения температуры независимо в каждом отверстии (2), при этом механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой (6), которая, в свою очередь, выполнена с возможностью независимого управления оказываемым нагревающим или охлаждающим эффектом каждого отверстия (2) так, что разница между самой низкой и самой высокой температурой во всех отверстиях (2), расположенных, по существу, на одной и той же концентричной окружности (10, 11, 12), ниже заданного значения на всей окружности (10, 11, 12).

23. Устройство по п.14, отличающееся тем, что механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой для забирания холода из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.

24. Устройство по п.15, отличающееся тем, что механизм (7) управления выполнен с возможностью управления клапанной системой для забирания холода из накопителя (1) энергии на окружности или окружностях, на которых в настоящий момент находится наименьший запас тепловой энергии в накопителе (1) энергии.