專利名稱：能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明屬于可再生能源與蓄能利用技術領域，特別涉及能量地下存儲、季節(jié)性蓄
能和大空間傳熱控制問題。
背景技術：
長期儲能是大規(guī)模利用可再生能源和余熱資源可再生化利用的有效途徑。自然界 可再生能源中的很多能源形式具有季節(jié)性和應時性，其有效利用途徑之一是季節(jié)性長期蓄 能，地下蓄能技術具有良好的季節(jié)性長期蓄能特點。能量地下存儲達到能量補充和再利用 的目的，為更多種能源形式協(xié)同應用提供有效途徑，實現(xiàn)節(jié)能減排。 在地下蓄能過程中，規(guī)?；M織在一起的地下?lián)Q熱器群的控制模式對蓄能效果起 到舉足輕重的作用，不但需要能量的高效注入，更重要是存儲的能量有效保存。其關鍵是能 量存入、保存和輸出過程中的能量擴散控制問題。通常，能量存入過程要求高的存入速率和 能力，存入后的能量又要求低的擴散流失，能量提取還要高的釋放和擴散輸出能力，顯然傳 熱擴散促進與抑制成為蓄能的基本問題。為此，本專利提出利用蓄能過程的地下?lián)Q熱器熱 源群的負荷分配動態(tài)控制，實現(xiàn)地下蓄能過程的溫度場動態(tài)重整，達到地下空間內的熱傳 輸控制，既最大限度提高地下蓄能功效，又保證能源的梯級利用。 地下蓄能已有發(fā)明，如中國專利"豎式地熱蓄能空調系統(tǒng)(01116085. 3)"涉及空調 運行的能量地下存儲，得到一定的能量再利用。中國專利"土壤蓄熱式太陽能熱泵供熱系 統(tǒng)及供熱方法(02146305. 0)"和"土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)(200510010379. 5)" 等均提到地下巖土蓄能，但是這些專利沒有涉及蓄能的地下?lián)Q熱器群的控制模式，以便提 高地下蓄能有效性問題。中國專利"分級熱屏式地下蓄能控制方法(200710300347.8)" 提出熱屏控制方法，利用蓄能后期低負荷蓄能的周邊熱屏障或冷屏障，抑制能量擴 散。美國專利"Integrated Thermal System(20070214815)、歐洲專利"Heat Storage System(EP1224357B1)"和國際專利"Heat Storage System(W02001029320A1)"也涉及使用 地下巖土作為蓄能體，但是沒有闡述大空間地下?lián)Q熱器群多熱源協(xié)同控制方式問題。實際 上，地下蓄能技術已經在能源領域開始得到應用，國際上也開展了許多實驗示范應用。但迫 于能量地下存儲的有效保存問題，一直制約地下蓄能技術的快速發(fā)展。因此，高效蓄能的控 制方法問題是地下蓄能應用深層次發(fā)展的關鍵技術。 能量地下存儲動態(tài)控制問題就是依據(jù)熱源群熱負荷分配的動態(tài)調整，形成動態(tài)的 溫度場形態(tài)，適時控制能量傳輸，在熱流強化和抑制兩個方面起到作用，為建立地下蓄能最 佳效率優(yōu)化控制奠定應用基礎。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的提供一種能量地下存儲系統(tǒng)和基于該系統(tǒng)的高效控制方法，利用動 態(tài)蓄能過程，實現(xiàn)能源的分布梯級利用；同時，利于分級式能量地下存儲，形成動態(tài)蓄能和 溫度場重整，提高蓄能傳輸和能量保持能力；再者，利用負荷分配解決地下水流動影響地下蓄能的問題。針對現(xiàn)有地下蓄能技術存在的問題，通過提高蓄能效率，保證更有效的能量蓄 入和能量保存。 本專利通過提出周期性地下蓄能分布梯級過程的負荷和溫度分配概念，利用溫度 場重整的動態(tài)等溫面絕熱性和溫度場波動性控制熱流傳輸，利用地下?lián)Q熱器群的負荷分配 偏置性抑制地下水流動造成的能量流失。 在蓄能過程中，能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)的循環(huán)介質由不同的熱源加熱，示例 圖1系統(tǒng)中以二個熱源1和2為例，根據(jù)熱源的實時溫度條件，通過四通閥3、四通閥4控 制，分別緩存于高溫集水箱8、中溫集水箱9、低溫集水箱10形成三種溫位的能量分級利用； 此后由高溫集水箱8、中溫集水箱9、低溫集水箱10流出的循環(huán)介質，通過四通閥11、四通閥 12和三通閥13控制，再分別輸入地下蓄能場的不同區(qū)域，即中心區(qū)44回路26、內環(huán)區(qū)43 回路27、中環(huán)區(qū)42回路28和外圈區(qū)41回路29的地下?lián)Q熱器聯(lián)接支路各單元。根據(jù)不同 溫位的能量分布式實施地下蓄積，利用流程控制的周期性蓄能和溫度場重整的等溫面絕熱 性和溫度場波動性動態(tài)控制熱流傳輸，實時提高蓄能傳輸和能量保持能力，其中利用小周 期或大周期間各階段過程，形成不斷的動態(tài)波動型溫度場重整過程。關于小周期可謂太陽 能的一天晝夜周期，大周期可謂太陽能的季節(jié)性周期，或者其它工業(yè)/生活余熱或自然冷 源所表現(xiàn)的一定周期。 在大或小周期內存在由間歇時段劃分的基本蓄能階段，實施例中包括四個基本階 段。第一階段(高、高、高、低)，第二階段(高、高、中、低)，第三階段(高、中、中、低)，第 四階段(高、中、低、低)，其中括號內順序分別表征中心區(qū)44、內環(huán)區(qū)43、中環(huán)區(qū)42和外圈 區(qū)41的溫位，并分別來自于高溫集水箱8、中溫集水箱9和低溫集水箱10。該控制方法塑 造了蓄能區(qū)域"內高外低"的溫度場總體形態(tài)，減少蓄存能量向周邊擴散；同時，不斷動態(tài)改 變各環(huán)狀區(qū)域的局域溫度場形態(tài)，有利于形成環(huán)間的動態(tài)溫度場等溫面，達到進一步抑制 能量的向外傳輸能力。此外，間歇時段是利用時段性停止地下能量的傳輸過程，緩解地下傳 熱能力低的影響，適當擴散局部能量，減輕地下?lián)Q熱器熱源處的能量堆積。
在外圈區(qū)41、中環(huán)區(qū)42和內環(huán)區(qū)43的地下?lián)Q熱器群聯(lián)接方式中，提出半邊"L型" 聯(lián)接形式，解決地下水流動造成的存儲能量流失影響問題。其中，包括外圈區(qū)41上半邊支 路47和下半邊支路49，中環(huán)區(qū)42上半邊支路46-1、46-2和下半邊支路50_1、50_2，以及內 環(huán)區(qū)43上半邊支路45和下半邊支路51 。其中內環(huán)區(qū)43地下?lián)Q熱器較少，采用兩圈或多圈 組合連接型支路形式，即上半邊支路45和下半邊支路51。中心區(qū)45采用環(huán)繞連接型支路 48。半邊"L型"聯(lián)接形式，形成了右上、左下半區(qū)的以圖2左上角和右下角對角線為分割的 劃分線，劃分線右上部分為上游，左下部分為下游。若由上游至下游的地下水流動(劃分線 右上邊0-180° )，需降低外圈區(qū)41、中環(huán)區(qū)42和內環(huán)區(qū)43下游半邊支路49、50、51的能量 負荷比例；若由下游至上游的地下水流動(劃分線左下邊0-180° )，需降低外圈區(qū)41、中 環(huán)區(qū)42和內環(huán)區(qū)43上游半邊支路47、46、45的能量負荷比例。利用右上半區(qū)或左下半區(qū) 的半邊支路的地下?lián)Q熱器的負荷分配，實現(xiàn)半區(qū)的負荷偏置，控制地下水流動造成的能量 流失。 該系統(tǒng)和方法通過地下蓄能體蓄能中形成四個或多個溫位不同的環(huán)狀區(qū)域，實現(xiàn) 能量的梯級分布，進一步利用各環(huán)狀區(qū)域動態(tài)蓄能控制的溫度場重整，實時形成環(huán)間逐級 動態(tài)等溫面，其絕熱性控制熱流傳輸，提高蓄能傳輸和能量保持能力；同時，提出環(huán)型對置
4的兩個半區(qū)的L型聯(lián)接形式，其實現(xiàn)抑制地下水流動造成的存儲能量流失問題。 在能量梯級利用中，一方面利用熱源溫位進行分級，另一方面利用高溫位熱源的
梯級再利用。經高溫集水箱8、四通閥11和中心區(qū)回路循環(huán)泵14，單向閥組18控制分流，
進入地下蓄能體中心區(qū)換熱器組19，經換熱向蓄能體中心區(qū)域地下注入熱量；此后，通常
循環(huán)介質溫度仍然會高于蓄能體外圈區(qū)溫度，介質再經過三通閥30和外圈區(qū)循環(huán)泵17，通
過單向閥組24控制分流，進入地下蓄能體外圈區(qū)換熱器組25，向外圈區(qū)外圍換熱器注入低
位熱量，后經回流集水箱36、循環(huán)泵34或35，返回熱源1或2進行循環(huán)加熱。 該系統(tǒng)和控制流程方法不但有利于實現(xiàn)太陽能熱源、生活/生產余熱熱源和自然
冷源的地下蓄能過程高效控制，還有利于實現(xiàn)夏季和冬季熱泵運行工況的地下傳熱和蓄能
過程高效控制。其中，不論地下蓄熱還是地下蓄冷，共性的概念和技術是一致的，只是控制
熱流的方向不同。


圖1為能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法系統(tǒng)流程圖。 圖2為能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法地下?lián)Q熱器布置分區(qū)支路連接截面圖 (示例圖)。 圖3為能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法地下?lián)Q熱器連接圖(示例圖)
圖中各部件的編號和對應名稱如下 圖1中l(wèi)-熱源I存儲器，2-熱源II存儲器，3-熱源I四通閥，4-熱源II四通 閥，5_高溫集水箱循環(huán)泵，6-中溫集水箱循環(huán)泵，7-低溫集水箱循環(huán)泵，S-高溫集水箱， 9_中溫集水箱，10-低溫集水箱，11-高溫集水箱四通閥，12-中溫集水箱四通閥，13-低溫 集水箱三通閥，14-中心區(qū)循環(huán)泵，15-內環(huán)區(qū)循環(huán)泵，16-中環(huán)區(qū)循環(huán)泵，17-外圈區(qū)循環(huán) 泵，18-中心區(qū)回路單向閥組&、 C2. . . Cn(n隨地下蓄能系統(tǒng)規(guī)模而變的整數(shù))，19-中心區(qū) 回路地下?lián)Q熱器組c2. . . cn，20-內環(huán)區(qū)回路上半邊單向閥組HUl、 Hu2. . . Hiin和下半邊單 向閥組Hdp Hd2. . .Hdn，21-中環(huán)區(qū)回路上半邊地下?lián)Q熱器組hup hu2. . .hiin和下半邊地下 換熱器組hdp hd2. . .hdn，22-中環(huán)區(qū)回路上半邊單向閥組Lup Lu2..丄Un和下半邊單向閥 組LdpL4. . . Ldn，23-中環(huán)區(qū)回路上半邊地下?lián)Q熱器組lUl、lu2. . . lUn和下半邊地下?lián)Q熱器
組ldp ld2. . . ldn，24-外圈區(qū)回路上半邊單向閥組WUp WU2. . .WUn和下半邊單向閥組Wdp
Wd2. . . Wdn，25-外圈區(qū)回路上半邊地下?lián)Q熱器組了 wUl、 wu2. . . wun和下半邊地下?lián)Q熱器組 wdp wd2. . . wdn，26-中心區(qū)回路，27_內環(huán)區(qū)回路，28_中環(huán)區(qū)回路，29-外圈區(qū)回路，30-中 心區(qū)回路回水三通閥，31-內環(huán)區(qū)回路回水閥，32-中環(huán)區(qū)回路回水閥，33-外圈區(qū)回路回水 閥，34-熱源1回水泵，35-熱源2回水泵，36-回水集水器。 圖2中地下?lián)Q熱器布置分區(qū)支路連接截面圖。其中，不同陰影剖面線形式表示蓄 能體的主要分區(qū)，小圓圈表示地下?lián)Q熱器，虛線框之內為有效蓄能區(qū)域。41-外圈區(qū)，42-中 環(huán)區(qū)，43-內環(huán)區(qū)，44-中心區(qū)，45-內環(huán)區(qū)上半邊1^型組合連接支路，46-1、46-2-中環(huán)區(qū)上 半邊L型支路，47-外圈區(qū)上半邊L型支路，48-中心區(qū)環(huán)繞型連接支路，49-外圈區(qū)下半邊 L型支路，50-1、50-2-中環(huán)區(qū)下半邊L型支路，51-內環(huán)區(qū)下半邊L型回饋支路。各換熱器 組數(shù)量差異大于75%時，建議采用組合連接支路及環(huán)繞連接型支路。 圖3中表示換熱器組并聯(lián)形式形成各循環(huán)支路。推薦換熱器并聯(lián)成組，遵循各換熱器組流動阻力一致或相近的原則。
具體實施例方式
在夏季太陽能利用或余熱利用的蓄能過程中，由不同熱源而至的循環(huán)介質，根據(jù)熱源實時的溫度條件置于熱源1或2存儲器，通過四通閥3或四通閥4控制，分別緩存于高溫集水箱8、中溫集水箱9、低溫集水箱10，形成三種溫位的能量分級，或根據(jù)地下蓄能區(qū)域規(guī)模和熱源情況選擇分級數(shù)量。此后，由高溫集水箱8、中溫集水箱9、低溫集水箱10流出的循環(huán)介質，通過四通閥11、四通閥12和三通閥13控制，分別輸入地下蓄能體的不同環(huán)型區(qū)域，即中心區(qū)44回路26、內環(huán)區(qū)43回路27、中環(huán)區(qū)42回路28和外圈區(qū)41回路29的地下?lián)Q熱器聯(lián)接單元?？刂菩钅軈^(qū)域"內高外低"的溫度場總體形態(tài)，減少蓄存能量向周邊擴散；動態(tài)蓄能改變各環(huán)狀區(qū)域的局域溫度場形態(tài)，有利于形成環(huán)間的動態(tài)溫度場等溫面，達到進一步抑制能量的向外傳輸能力。 存在地下水流動的地下蓄能過程中，分別控制外圈區(qū)41 、中環(huán)區(qū)42和內環(huán)區(qū)43的地下?lián)Q熱器群聯(lián)接的上半邊47、46-1、46-2、45支路與下半邊49、50_1、50_2、51的半邊支路負荷比例分配，阻止上游地下水來流或下游地下水來流造成的能量流失影響。
小周期或大周期內存在由間歇時段劃分的基本蓄能階段，實施例中包括四個階段。第一階段(高、高、高、低)，第二階段(高、高、中、低)，第三階段(高、中、中、低)，第四階段(高、中、低、低)，其中括號內順序分別表征中心區(qū)26、內環(huán)區(qū)27、中環(huán)區(qū)28和外圈29的溫位，其中高代表來自于高溫集水箱8、中代表來自中溫集水箱9和低代表來自低溫集水箱10。高、中之間溫位差為30-2(TC，中、低之間溫位差為25-15t:。間歇性階段控制形成波動性的環(huán)區(qū)域之間的動態(tài)等溫面，其絕熱性有力阻止能量向外擴散。 在能量梯級利用中，除利用熱源溫位主動控制的能量梯級利用，還采用高位能量的梯級再利用。經高溫集水箱8、四通閥11和中心區(qū)回路循環(huán)泵14，單向閥組18控制分流，進入地下蓄能體中心區(qū)換熱器組19，經換熱向蓄能體中心區(qū)域地下注入熱量；此后，通常循環(huán)介質溫度仍然會高于蓄能體外圈區(qū)溫度，介質再經過三通閥30和外圈區(qū)循環(huán)泵17，經過單向閥組24控制分流，進入地下蓄能體外圈區(qū)換熱器組25，向外圈區(qū)外圍換熱注入地位熱量，后經回流集水箱36、循環(huán)泵34或35，返回熱源1或2進行循環(huán)加熱。
該系統(tǒng)和控制流程方法不但有利于實現(xiàn)太陽能熱源、生活/生產余熱熱源和自然冷源的地下蓄能過程高效控制，還有利于實現(xiàn)夏季和冬季熱泵運行工況的地下傳熱和蓄能過程高效控制。
權利要求
能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法，其特征在于循環(huán)介質根據(jù)熱源實時的溫位條件，實現(xiàn)能量分布梯級利用，通過熱源1、或熱源2，通過四通閥3、四通閥4，根據(jù)熱源實時的溫度條件，分別流入高溫集水箱8、中溫集水箱9、低溫集水箱10，形成三種溫位的能量分級利用。
2. 能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法，其特征在于循環(huán)介質根據(jù)不同溫位的能量分布 實施地下蓄積，由高溫集水箱8、中溫集水箱9、低溫集水箱IO流出的循環(huán)介質，通過四通閥 11、四通閥12和三通閥13控制，分別輸入地下蓄能場的不同環(huán)狀區(qū)域，即中心區(qū)26、內環(huán)區(qū) 27、中環(huán)區(qū)28和外圈區(qū)29。
3. 能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法，其特征在于小周期或大周期內存在由間歇時段 劃分的基本蓄能階段。
4. 能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法，其特征在于環(huán)區(qū)域內的地下?lián)Q熱器群聯(lián)接采用 上半邊和下半邊分離支路形式，實施上半區(qū)和下半區(qū)支路的負荷分配。
5. 根據(jù)權利要求1所述的能量地下存儲動態(tài)控制系統(tǒng)和方法，其特征在于所述的熱源 為廣義概念，包括來自于太陽能集熱、生產/生活余能(熱量或冷量)、自然冷量等能源。
6. 根據(jù)權利要求3，所述的周期概念，其特征在于根據(jù)能源的實時性劃分的周期性。
7. 根據(jù)權利要求3，所述的間歇時段，其特征在于利用時段性停止地下能量的傳輸過程。
8. 根據(jù)權利要求4，所述上半邊和下半邊分離支路形式均由地下?lián)Q熱器組21或23或 25組成，其特征在于地下?lián)Q熱器間距可采用不同節(jié)距，各支路間地下?lián)Q熱器組成數(shù)量差異 應小于70%。
全文摘要
發(fā)明提供一種能量地下存儲系統(tǒng)和基于該系統(tǒng)的高效控制方法，利用溫位分級和負荷分配的動態(tài)蓄能過程，實現(xiàn)能量分布梯級利用；利于分級式能量地下存儲，形成動態(tài)蓄能和溫度場重整，提高蓄能傳輸和能量保持能力；利用負荷分配解決地下水流動影響地下蓄能的問題。該系統(tǒng)和控制流程方法不但有利于實現(xiàn)太陽能熱源、生活/生產余熱熱源和自然冷源的地下蓄能過程高效控制，還有利于實現(xiàn)夏季和冬季熱泵運行工況的地下傳熱和蓄能過程高效控制。
文檔編號F24J3/08GK101737985SQ200910217970
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月9日 優(yōu)先權日2009年12月9日
發(fā)明者李明, 高青 申請人:吉林大學