СПОСОБ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ДЛЯ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2016 года по МПК F28D20/00 

Область техники

Изобретение относится к способу обеспечения функционирования (работы) системы для аккумулирования тепловой энергии.

Уровень техники

В сфере современных энергетических технологий существует потребность в эффективном аккумулировании тепловой энергии.

Тепловая энергия может аккумулироваться преимущественно в текучей среде, например, такой как вода, находящаяся в термоизолированных наземных резервуарах, в изолированных шурфах в земле или в искусственных подземных полостях с использованием окружающей земли в качестве термоизоляции. Тепловая энергия текучей среды может в значительной степени сохраняться в течение длительного периода времени. В настоящее время данные подходы применяются в различных частях мира, чтобы удовлетворить потребность в аккумулировании тепловой энергии между различными сезонами, например при аккумулировании временно избыточного тепла, которое будет использовано позднее, когда на него возникнет спрос и, предпочтительно, когда повысится его финансовая оценка. Главным переходом в отношении энергии является переход от летнего полугодия, когда потребность в нагреве меньше, к зимнему полугодию, когда эта потребность намного больше. Однако можно получить значительный выигрыш, если использовать аккумулирование в связи с краткосрочными колебаниями и всегда активно аккумулировать избыточное тепло. Эти типы аккумулирования применимы и к более холодной текучей среде, служащей для охлаждения, а также к текучей среде, имеющей промежуточную температуру, такой как текучая среда, используемая в низкотемпературных системах.

Существенным недостатком устройств для подземного аккумулирования тепловой энергии, поставляемых в настоящее время, являются большие объемы энергии, имеющие в процессе применения устройства промежуточную температуру. Такая температура недостаточно высока для использования в различных модификациях нагрева и недостаточна низка для использования с целью охлаждения.

В шведской патентной заявке 0950576-9 описан эффективный вариант аккумулирования тепловой энергии. Тем не менее, существует потребность в еще более эффективных подземных средствах аккумулирования этой энергии.

Раскрытие изобретения

Согласно одному своему аспекту изобретение направлено на разработку способа обеспечения функционирования системы, аккумулирующей тепловую энергию, который во время применения системы обеспечивает ее повышенную эффективность.

Согласно данному аспекту изобретения эта задача решена разработкой способа обеспечения функционирования системы указанного назначения, содержащей аккумулятор энергии (далее - аккумулятор), который обладает вертикальным температурным градиентом. Предлагаемый способ включает выведение, посредством выведения текучей среды, из аккумулятора энергии, соответствующей первой температуре и предназначенной для использования в первой теплопоглощающей системе. В результате в аккумуляторе энергии образуется свободное пространство для энергии, соответствующей второй температуре, которая превышает первую температуру.

Образование в аккумуляторе, в результате выведения энергии, соответствующей первой температуре, свободного пространства для энергии, соответствующей второй температуре, является полезным. По сравнению с энергией, соответствующей первой температуре, данная энергия более востребована и может иметь более широкое применение. Так, предусмотрена возможность использовать ее во второй теплопоглощающей системе, которая может быть высокотемпературной. Первая и вторая температуры могут лежать в интервалах, составляющих соответственно 15-65°C и 50-100°C. Эти интервалы являются предпочтительными для первой и второй температур.

Способ может дополнительно включать возвращение в аккумулятор энергии из первой теплопоглощающей системы. Эта энергия соответствует третьей температуре, которая ниже первой и второй температур. В результате обеспечивается наличие энергии на уровне аккумулятора, соответствующем третьей температуре. После использования энергии в первой теплопоглощающей системе температура текучей среды понижается, и энергия, таким образом, будет соответствовать такому уровню аккумулятора, на котором температура ниже первой и второй температур. Третья температура может лежать в интервале 4-25°C. Впоследствии энергию, соответствующую этой температуре, можно использовать в охлаждающей системе, такой, например, как змеевик для охлаждения подаваемого воздуха, комнатный охлаждающий змеевик, змеевик с вентиляторным обдувом, охлаждающий змеевик, проходящий под полом, и потолочный охлаждающий змеевик.

Способ может дополнительно включать получение из теплопроизводящей системы энергии, соответствующей второй температуре, и подачу энергии на уровень аккумулятора, соответствующий второй температуре. Теплопроизводящая система может быть выбрана из группы, в которую входят промышленные предприятия или другие источники сбросного тепла, система для совместного производства тепла и электроэнергии, солнечные панели, применяемые для генерирования нагрева или для совместного генерирования электроэнергии и нагрева, тепловой насос, котел на биотопливе, электрический нагреватель и бойлер на органическом топливе. Поскольку при выведении энергии, имеющей первую температуру, в аккумуляторе образуется свободное пространство для энергии, соответствующей второй температуре, оно может быть заполнено этой второй модификацией энергии, т.е. энергией, которая по сравнению с энергией, соответствующей первой температуре, имеет более широкое применение.

Способ может дополнительно включать также получение из теплопроизводящей системы энергии, соответствующей первой температуре, и подачу энергии на уровень аккумулятора, соответствующий первой температуре.

Способ может дополнительно включать выведение из аккумулятора энергии, соответствующей второй температуре и предназначенной для использования во второй теплопоглощающей системе, из которой затем получают энергию, соответствующую первой температуре, и подачу энергии на уровень аккумулятора, соответствующий первой температуре. После использования энергии, соответствующей второй температуре, во второй теплопоглощающей системе температура понижается, и энергия, таким образом, будет соответствовать такому уровню аккумулятора, на котором температура ниже второй температуры.

Кроме того, способ может дополнительно включать выведение из аккумулятора энергии, соответствующей третьей температуре и предназначенной для использования в теплопроизводящей охлаждающей системе, из которой затем получают энергию, соответствующую первой температуре, и подачу энергии на уровень аккумулятора, соответствующий первой температуре. После использования энергии, соответствующей третьей температуре, в теплопроизводящей охлаждающей системе температура повышается, и энергия, таким образом, будет соответствовать такому уровню аккумулятора, на котором температура выше третьей температуры. Охлаждающая система может быть выбрана из группы, в которую входят змеевик для охлаждения подаваемого воздуха, комнатный охлаждающий змеевик, змеевик с вентиляторным обдувом, охлаждающий змеевик, проходящий под полом, и потолочный охлаждающий змеевик. Следует отметить, что, когда энергию, соответствующую третьей температуре, выводят из аккумулятора, а затем, после приведения ее в соответствие с более высокой температурой, возвращают обратно, функцию источника тепла по отношению к аккумулятору, накапливающему энергию для возможного последующего ее использования, выполняют, по существу, такие источники тепла, как люди сами по себе, осветительные системы и прочее оборудование здания. В этом контексте охлаждающая система является теплопроизводящей.

Способ может дополнительно включать получение энергии из источника, находящегося вне системы, и подачу энергии на уровень аккумулятора, соответствующий третьей температуре. Например, в аккумуляторе может аккумулироваться также энергия, полученная из снега или льда, расплавление которого приводит к получению энергии, соответствующей низкой температуре, т.е. соотносящейся с интервалом третьей температуры. Таким образом, данная энергия может быть подана на уровень аккумулятора, соответствующий третьей температуре. Такая энергия может поступать также от системы централизованного холодоснабжения.

Первая теплопоглощающая система может относиться к низкотемпературному типу. Ее можно выбрать из группы, в которую входят радиатор, змеевик для нагрева подаваемого воздуха, нагревающий змеевик, проходящий под полом, потолочный или стенной нагревающий змеевик, причем все эти устройства представляют собой предпочтительные варианты.

Вторая теплопоглощающая система может относиться к высокотемпературному типу.

Теплопроизводящую систему можно выбрать из группы, в которую входят промышленное оборудование или другие источники сбросного тепла, система для совместного производства тепла и электроэнергии, солнечные панели, служащие для нагрева или для сочетания генерирования электричества и нагрева, тепловой насос, бойлер на биотопливе, электронагреватель или бойлер на ископаемом топливе.

Теплопроизводящая охлаждающая система может быть выбрана из группы, в которую входят змеевик для охлаждения подаваемого воздуха, комнатный охлаждающий змеевик, змеевик с вентиляторным обдувом, охлаждающий змеевик, проходящий под полом, и потолочный охлаждающий змеевик.

Чтобы уменьшить расход электрической энергии во время забора тепловой энергии, в одном из вариантов осуществления в аккумуляторе использован принцип вертикальной температурной стратификации. Вследствие различий по плотности между различными слоями текучей среды аккумулятора в нем возникает самоциркулирующее перемещение текучей среды.

Кроме того, вертикальная температурная стратификация может быть использована для генерирования электрической энергии во время забора тепловой энергии. Как уже упоминалось, из-за различий по плотности между различными слоями текучей среды аккумулятора данная среда в нем перемещается. Это свойство очень полезно в условиях более холодного климата, где возможность такого генерирования электрической энергии, как правило, лучше себя оправдывает во время периодов с высокой потребностью в электричестве, в особенности зимой.

Согласно одному из вариантов осуществления, чтобы повысить аккумулирующую способность аккумулятора в нем применена внутренняя (т.е. входящая в состав аккумулятора) комбинированная холодильно-нагревательная машина. В ней используется главным образом энергия, соответствующая промежуточной температуре, что позволяет освободить пространство для аккумулирования большего количества энергии, соответствующей высокой и низкой температурам.

Все термины, используемые в формуле изобретения, должны интерпретироваться согласно их обычным значениям в соответствующей технической области, если их иные значения не разъяснены подробно в тексте. При отсутствии определенных разъяснений все ссылки на "элемент, устройство, компонент, средство и т.д." должны интерпретироваться как указания на наличие по меньшей мере одного указанного элемента, устройства, компонента, средства и т.д. При этом термины "содержащий/содержащая/содержащее" в описании и формуле означают "не вносящее ограничений наличие".

Краткое описание чертежа

Далее эти и другие признаки и свойства изобретения будут описаны более подробно, со ссылками на прилагаемый чертеж, иллюстрирующий вариант изобретения, предпочтительный на дату подачи заявки.

На чертеже схематично представлена система для аккумулирования тепловой энергии, выполненная согласно варианту изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 проиллюстрирована система 1 для аккумулирования тепловой энергии, выполненная согласно варианту изобретения и содержащая аккумулятор 2. Таким аккумулятором может быть наземный резервуар или аккумулятор типа подземной полости. Аккумулятор 2 через теплообменники 9 подключен к первой, второй и третьей теплопоглощающим системам (соответственно, системы 3, 4 и 5), к первой и второй теплопроизводящим системам (соответственно, системы 6 и 7) и к охлаждающей системе 8.

В данном варианте осуществления первая теплопоглощающая система 3 относится к низкотемпературному типу, такому как нагревающая система для обогрева зданий, и подключена к теплообменнику 10. Энергию, соответствующую первой температуре T₁, выводят из аккумулятора 2 и используют для обогрева зданий, применяя для этого теплообменник 10. Хотя на фиг. 1 показано только одно здание, можно и даже желательно подсоединить систему к множеству зданий.

Охлаждающая система 8 применяется для охлаждения зданий посредством теплообменника 10. Энергию, соответствующую третьей температуре Т₃, выводят из аккумулятора 2 и используют для охлаждения зданий, применяя для этого теплообменник 10.

Третья теплопоглощающая система 5 представляет собой водопроводную систему горячего водоснабжения зданий. Энергию, соответствующую первой температуре T₁, выводят из аккумулятора 2 и используют для данной системы.

Вторая теплопоглощающая система 4 относится к высокотемпературному типу и в данном примере является системой централизованного теплоснабжения. От аккумулятора 2 система 4 заряжается энергией, соответствующей температуре T₂.

Первая теплопроизводящая система 6 представляет собой по меньшей мере один солнечный коллектор. Из одного или более солнечных коллекторов может быть сформирована система солнечного отопления. Солнечный коллектор заряжается энергией, которая затем подается в аккумулятор 2, на уровень температуры T₂ или T₁. Вторая теплопроизводящая система 7 является системой централизованного теплоснабжения, которая снабжает аккумулятор 2 энергией, соответствующей температуре Т₂. Кроме того, система 7 может снабжать аккумулятор 2 энергией, соответствующей температуре T₁ (чтобы, например, повысить электрическую энергию на выходе агрегата, производящего совместно тепло и электроэнергию), используя, например, тепло, полученное в процессе конденсации отработанных топливных газов. При желании может быть применена первая теплопроизводящая система 6, т.е. солнечные коллекторы. Для подключения солнечных коллекторов к теплопроизводящей и/или теплопоглощающей системам здания предусмотрена возможность применения различных приспособлений.

Должно быть понятно, что к системе 1, аккумулирующей тепловую энергию, может быть подключено любое количество теплопроизводящих, теплопоглощающих и охлаждающих систем любого типа.

В аккумуляторе 2 может аккумулироваться энергия, соответствующая различным температурам. По сравнению с более холодными нижними зонами аккумулятора 2 его верхние зоны имеют повышенную температуру. Это происходит вследствие того, что слои текучей среды, например жидкой воды, имеют различные температуры. При этом в переходной зоне между верхними и нижними зонами расположены слои с промежуточными температурами. Чтобы полностью реализовать потенциал аккумулятора, важно обеспечить эффективное использование различных доступных температур. Одно из условий для этого состоит в том, чтобы аккумулятор имел входы и выходы на различных уровнях. В связи с этим предусмотрены средства 11 для осуществления сообщения по энергии, например телескопические трубы, которые проходят от зоны 12 обработки и выполнены с возможностью выведения части энергии из аккумулятора 2 на подходящих уровнях аккумулятора 2 по высоте, чтобы обеспечить возможность обработки энергии по меньшей мере в одном теплообменнике. В контексте данного варианта средства 11, осуществляющие сообщение по энергии, являются средствами, осуществляющими сообщение по текучей среде. Эти средства 11, осуществляющие сообщение по текучей среде, обеспечивают также возврат энергии после ее обработки в аккумулятор 2 на подходящий вертикальный уровень. Например, энергия, соответствующая первой температуре T₁, может быть выведена из аккумулятора 2 на его уровне, соответствующем данной температуре, с целью применения в первой теплопоглощающей системе 3 для того, чтобы обогревать здания. После использования энергии в первой теплопоглощающей системе 3 температура, соответствующая энергии, понижается до третьей температуры Т₃ или до нижней границы температуры T₁. Затем энергию возвращают в аккумулятор 2 на соответствующий температурный уровень. Другим примером является ситуация, когда энергию, соответствующую первой температуре T₁, выводят из аккумулятора 2 на его уровне, соответствующем первой температуре T₁. Затем соответствующую энергии температуру повышают посредством одного из теплообменников 9 до второй температуры Т₂ или до верхней границы температуры T₁, получая требуемое для этого тепло от солнечного коллектора. После этого энергию возвращают в аккумулятор 2 на соответствующий температурный уровень. Первая температура Т₁ и вторая температура T₂ находятся в интервалах, соответственно, 15-65°C и 50-100°C, а третья температура Т₃ находится в интервале 4-25°C.

Аккумулятор 2 может быть использован как для нагрева (в этом случае энергия, возвращаемая в аккумулятор 2, соответствует более низкой температуре, чем при заборе энергии), так и для охлаждения (в этом случае энергия, возвращаемая в аккумулятор 2, соответствует более высокой температуре, чем при заборе энергии).

Энергия для охлаждения может быть получена из источника 13, находящегося вне системы 1, с возможностью обеспечить наличие этой энергии на уровне аккумулятора 2, соответствующем третьей температуре Т3. Например, энергия может поступать от холодной воды или генерироваться внешним источником 14, подключенным к другим источникам холода, таким как лед, снег, холодный воздух, озеро/река/море, холодильник или централизованная система холодоснабжения. Если энергия поступает от расплавленного льда или растопленного снега, предпочтительно собрать лед или снег на уровне, находящемся выше уровня грунтовой воды. Тогда загрязненную и талую воду можно отвести. Плавление может быть выполнено с использованием энергии, соответствующей температуре Т₃.

Кроме того, энергию можно получить также за счет наружного холодного источника 16, такого как второй (отдельный) аккумулятор для льда или снега, подключенный к аккумулятору 2. Лед или снег в аккумуляторе 16 может быть образован посредством замораживания воды, поступающей из аккумулятора 2, причем наиболее тяжелая фракция воды с температурой 4°C сосредотачивается у нижней части аккумулятора, в то время как лед, имеющий по сравнению с водой пониженную плотность, всплывает на поверхность аккумулятора.

В одном из вариантов осуществления энергию для охлаждения и нагрева подают через внутреннюю комбинированную холодильно-нагревательную машину 15, такую, например, как тепловой насос. Машина 15 выводит энергию из аккумулятора 2 с уровня температуры T₂, T₁ или Т₃ и возвращает в аккумулятор 2 энергию, соответствующую повышенной температуре, на уровень температуры T₂ или T₁, а энергию, соответствующую температуре после охлаждения, на уровень температуры T₂, T₁ или Т₃. Специалисту в этой области будет понятно, что комбинированную холодильно-нагревательную машину можно выполнить согласно многим различным конфигурациям, обеспечивающим высокую эффективность и возможность гибкой настройки.

В одном из вариантов система 1 не имеет уровня с температурой Т₃. Вместо этого предусмотрены только уровни с температурами T₁ и T₂.

В одном из вариантов холодную воду (например, питьевую), имеющую температуру Т₃ и поступившую из внешнего источника, нагревают в теплообменнике 9а до температуры T₁. Теплообменник 9а снабжается энергией, соответствующей, например, температуре через средство 11а для осуществления сообщения по энергии. Затем воду с температурой T₁ нагревают в теплообменнике 9b до температуры, лежащей в верхней части интервала T₁ или, альтернативно, в нижней части интервала T₂. Теплообменник 9b снабжается энергией, соответствующей, например, температуре T₁ или T₂, через средство 11b для осуществления сообщения по энергии. Затем вода с температурой T₁ или T₂ может быть применена в водопроводной системе горячего водоснабжения зданий. В качестве примера, не имеющего ограничительного характера, можно привести ситуацию, когда температура холодной воды, поступающей из внешнего источника 13, может лежать в интервале 5-15°C, температура в нижней части интервала T₁ может лежать в интервале 25-35°C, а температура в верхней части интервала T₁ или, альтернативно, в нижней части интервала T₂ может лежать в интервале 55-65°C.

Плотность теплой жидкой воды ниже, чем воды, охлажденной до уровня около 4°C. В результате массы воды с различными температурами будут находиться в аккумуляторе на различных вертикальных уровнях, т.е. имеет место вертикальная стратификация температуры. Различия по плотности генерируют градиентный поток при извлечении тепла из аккумулятора 2, поскольку теплая вода, имеющая меньшую плотность, течет по аккумулятору вверх, к теплообменнику, в котором она охлаждается. Различия по плотности генерируют также направленный вниз поток более холодной воды по возвратной трубе. Это приводит к наличию двух столбов из воды различной плотности, вызывающих появление гравитационной силы, которую можно использовать для градиентного течения, чтобы сократить потребление электроэнергии.

При зарядке аккумулятора энергии теплом данный эффект реверсируется, так что для создания требуемых потоков требуется дополнительный электрический источник энергии, такой как насос или двигатель.

Зарядка аккумулятора энергии проводится, в основном, в течение лета, тогда как его разрядка осуществляется, в основном, зимой. Отсюда следует, что дополнительная электроэнергия для прокачки требуется летом, но может генерироваться зимой, когда потребность в ней и ее стоимость выше, поскольку это соответствует периоду сезонного аккумулирования электроэнергии. Дополнительная электроэнергия будет обеспечиваться летом посредством насоса, связанного с электродвигателем. Зимой тот же самый электродвигатель будет использоваться в качестве комбинации турбины и электрогенератора. Данный эффект будет усиливаться за счет большого вертикального размера аккумулятора.

Специалисту будет понятно, что изобретение никоим образом не ограничено его предпочтительными вариантами, описанными выше. Напротив, изобретение охватывает и многие другие модификации и усовершенствования в объеме прилагаемой формулы.

Изобретение относится к способу работы системы (1) для аккумулирования тепловой энергии. Система (1) содержит аккумулятор (2) энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, а способ включает выведение из аккумулятора (2) текучей среды, имеющей первую температуру (T₁) и предназначенной для использования в первой теплопоглощающей системе (3). При этом в аккумуляторе (2) после вывода текучей среды образуется свободное пространство для текучей среды, имеющей вторую температуру (T₂), которая выше, чем первая температура (T₁). 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обеспечения функционирования системы (1) для аккумулирования текучей среды, при этом система (1) содержит аккумулятор (2) энергии, обладающий вертикальным температурным градиентом, а способ включает:
выведение из аккумулятора (2) текучей среды, имеющей первую температуру (T₁) и предназначенной для использования в первой теплопоглощающей системе (3), причем в аккумуляторе (2) образуется свободное пространство для текучей среды, имеющей вторую температуру (Т₂), которая выше, чем первая температура (Т₁),
выведение из аккумулятора (2) текучей среды, имеющей вторую температуру (Т₂) и предназначенной для использования во второй теплопоглощающей системе (4),
и подачу текучей среды, имеющей вторую температуру (Т₂), на уровень аккумулятора (2), соответствующий второй температуре (Т₂),
отличающийся тем, что дополнительно включает выведение из аккумулятора (2) текучей среды, имеющей третью температуру (Т₃) и предназначенной для использования в теплопроизводящей охлаждающей системе (8), и подачу текучей среды, имеющей третью температуру (Т₃), которая ниже, чем первая и вторая температуры (T₁, Т₂), на уровень аккумулятора (2), соответствующий третьей температуре (Т₃),
при этом первая теплопоглощающая система (3) является низкотемпературной системой, а вторая теплопоглощающая система (4) является высокотемпературной системой.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий получение из первой теплопоглощающей системы (3) текучей среды, имеющей третью температуру (Т₃), и подачу полученной текучей среды на уровень аккумулятора (2), соответствующий третьей температуре (Т₃).

3. Способ по п. 1, дополнительно включающий получение из теплопроизводящей системы (6, 7) текучей среды, имеющей вторую температуру (Т₂), и подачу указанной текучей среды на уровень аккумулятора (2), соответствующий второй температуре (Т₂).

4. Способ по п. 1, дополнительно включающий получение из теплопроизводящей системы (6, 7) текучей среды, имеющей первую температуру (Т₁), и подачу полученной текучей среды на уровень аккумулятора (2), соответствующий первой температуре (T₁).

5. Способ по п. 1, дополнительно включающий получение из второй теплопоглощающей системы (4) текучей среды, имеющей первую температуру (T₁), и подачу полученной текучей среды на уровень аккумулятора (2), соответствующий первой температуре (T₁).

6. Способ по п. 1, дополнительно включающий получение из теплопроизводящей охлаждающей системы (8) текучей среды, имеющей первую температуру (Т₁), и подачу полученной текучей среды на уровень аккумулятора (2), соответствующий первой температуре (Т₁).

7. Способ по п. 1, дополнительно включающий получение текучей среды от источника (13, 14), находящегося вне системы (1), и подачу полученной текучей среды на уровень аккумулятора (2), соответствующий третьей температуре (Т₃).

8. Способ по п. 1, в котором первая температура (T₁) находится в интервале 15-65°С.

9. Способ по п. 1, в котором вторая температура (Т₂) находится в интервале 50-100°С.

10. Способ по п. 1, в котором третья температура (Т₃) находится в интервале 4-25°С.

11. Способ по п. 1, в котором в аккумуляторе (2) используют вертикальную температурную стратификацию, чтобы понизить расход электрической энергии во время забора тепловой энергии за счет использования градиентного потока, создающегося в результате различий по плотности между вертикальными уровнями.

12. Способ по п. 11, в котором вертикальную температурную стратификацию используют, в сочетании с электрогенератором, для генерирования электрической энергии из указанного градиентного потока во время забора тепловой энергии.

13. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором используют внутреннюю комбинированную холодильно-нагревательную машину для увеличения аккумулирующей способности аккумулятора (2) за счет выведения текучей среды из аккумулятора (2) с уровня, соответствующего первой, второй или третьей температуре (T₁, Т₂, Т₃), с возвращением в аккумулятор (2) нагретой текучей среды на уровень, соответствующий первой или второй температуре (Т₁, Т₂), а охлажденной текучей среды на уровень, соответствующий первой, второй или третьей температуре (Т₁, Т₂, Т₃).