地下缓冲存储装置以及用于缓存在储热介质中的方法与流程

1.本发明涉及一种用于热存储的地下缓冲存储装置以及一种用于将热量缓存在被填充以储热介质的地下缓冲存储装置中的方法。


背景技术：

2.由现有技术已经已知用于暂存或者用于缓冲多余热能的储热装置的不同实施形式。
3.缓冲器在供暖设施中通常理解为被填充以水的储热器。其用于补偿在所产生的与所消耗的热功率之间的差，以便于可将发热在时间上与消耗解耦。这改善了许多发热器的运行特性、效率和耐久性。对于热泵的运行而言，缓冲存储器本身不是强制必要的，然而改善了年工作时间。尤其，通过将缓冲存储器使用在热泵中可改善热泵在电网中的负荷平衡潜能。
4.地区储热器大多数是无压力的被填充以水的容器，其在地区供热厂的相同生产能力的情形中应平衡在地区供热网络的热需求中的波动。在地区供热网络的情形中通常使用带有数个100 m3或甚至数个1000 m3含量的体积的非常大的地区储热器，以便于在其中暂存或者缓冲余热。
5.在此，至少连续的由于在存储含量与环境之间的温差产生的热损失是不利的。该损失可通过隔热(在避免热桥的情形下)降低。为了将更大量的多余热能例如暂存在被填充以水的缓冲存储器中，较大的存储容器是不利地必要的，其必须被非常耗费地绝缘，以便于尽可能降低热损失。然而，这样的存储容器是在其建立上昂贵的、易于遭受维护的且需要许多空间。
6.季节引起的消耗波动和对于以天然燃料的供应而言的受限制的源头使得为了获得和存储热能经常需要寻找非常规的方法。


技术实现要素：

7.本发明旨在于尽可能克服常规储热装置的由现有技术已知的缺点且为此说明了一种用于较大量的余热的缓冲存储装置，其在同时较小的空间需求的情形中在建立上以及在运行中是成本适宜的、对周围环境具有较少热损失且以其可实现如下，即，平整例如用于建筑供暖装置的所需要的热能的季节引起的消耗波动。借助于根据本发明的储热装置如下应是可能的，即，例如确保建筑的供暖、热水供应或空调。
8.这些任务在带有权利要求1的特征的储热装置的情形中得到解决。
9.从属权利要求涉及本发明的另外的有利的设计方案。
10.根据本发明，缓冲存储装置包括被填充以盐水的形式的储热介质的地下存储容器、被填充以第一载热介质的初级循环以及被填充以第二载热介质的次级循环，其中，第一热传递器在由第一载热介质穿流的初级循环中被设立用于将被输入到初级循环中的余热由第一载热介质传递到在地下存储容器中的盐水处，且第二热传递器在由第二载热介质穿
流的次级循环中被设立用于在需要时至少部分将被存储在地下存储容器中的盐水中的余热传递到第二载热介质处，其中，次级循环与至少一个热负载相联接。
11.用于容纳储热介质的地下存储容器提供了大量优点。在这样的地下存储容器的情形中，周围的岩石或者周围的土壤用作热绝缘。因此，存储容器的热损失可被特别高效地降低。同样，这样的地下存储容器的空间需求非常小。在根据本发明的缓冲存储装置的情形中，仅初级循环以及次级循环伸到地表处。缓冲存储装置的所有另外的组成部分可适宜地被安装在地下。初级循环用于将例如以来自工业制造的废热的形式的余热输入到储热介质中。为此，初级循环包括在其中第一载热介质可被循环泵送的相应管道，以及在初级循环中的第一热传递器，其由第一载热介质穿流且其被设立用于将被输入到初级循环中的余热由第一载热介质传递到在地下存储容器中的盐水处。余热或者废热到初级循环中的输入可例如通过插入另一热传递器实现。第一热传递器为此与存储容器或者处在其中的以盐水的形式的储热介质导热地相联接。
12.次级循环同样包括相应的管道，在其中第二载热介质可被循环泵送。另外，次级循环包括第二热传递器，其由第二载热介质穿流且其被设置用于在需要时至少部分将被存储在地下存储容器中的盐水中的余热传递到第二载热介质处。第二热传递器为此同样与存储容器或者处在其中的以盐水的形式的储热介质导热地相联接。
13.另外，次级循环与至少一个热负载相联接，余热由第二载热介质例如在插入另一热传递器的情形中可被给出到该热负载处。
14.有利地，缓冲存储装置是带有自身封闭的存储容器以及两个同样自身封闭的循环(初级循环以及次级循环)的自身封闭的系统。处在其中的介质、即在初级循环中的第一载热介质以及在次级循环中的第二载热介质与储热介质(盐水)不处于材料交换意义上的直接接触。因此，缓冲存储装置的运行是生态安全的，在此不产生对环境有害的排放。
15.概括来说，利用根据本发明的缓冲存储装置可实现余热的特别高效的热存储。
16.在本发明的一种优选的实施方案中，缓冲存储装置的地下存储容器可以是在不透水的岩层中、优选地在盐丘中的空腔。
17.该实施方案提供了如下优点，即，用于建立缓冲存储装置的成本可以以如下方式被相应降低，即，已存在的地下空腔被用作存储容器。这样的地下空腔可以是天然源头，例如在不透水的岩层(如盐丘)中形成的地下湖。这样的空腔同样可以人工形成，例如在盐矿中通过含盐岩石的相应取出。此外，盐丘的含盐岩石提供了特别良好的储热效果或者非常好的热绝缘的优点。在地下盐丘中的缓冲存储装置的热损失相比在其余的非含盐岩石中的热损失明显更低。
18.由地下存储容器在不透水的岩层中、优选地在盐丘中的空腔中的布置与盐水作为缓冲存储介质的使用构成的组合另外提供了如下优点，即，岩石、尤其含盐岩石由于缓冲存储介质不再或至少仅在合理的较小程度中被进一步取出。
19.带有处在不透水的岩石中、优选地在盐丘中的以空腔的形式的地下存储容器中的作为缓冲存储介质的盐水的、此处根据本发明所提出的地下缓冲存储装置的系统提供了如下优点，即，迅速形成在其中存在空腔的岩石材料与作为缓冲存储介质的盐水之间的溶解平衡。
20.地下空腔在其尺寸上或在其几何形状上不受限制。因此，以每一任意形状、轮廓和
形态的空腔可充当地下存储容器。同样地，多个彼此连通地相连接的空穴或者空腔可相应地形成整个地下存储容器的各个存储容器。
21.如下可能是特别适宜的，在根据本发明的缓冲存储装置的情形中盐水是带有每1l水至少14g溶解物质的盐的水溶液。
22.在本发明的一种改进方案中，在缓冲存储装置中盐水可包含以溶解形式的氯化钠。
23.氯化钠(也被称作食盐)可由来自地下盐矿床的岩盐例如通过提取、即通过借助于水由地表出来的浸出来获得。另外，食盐此外可由海盐获得。
24.如先前已明确的那样，盐水作为在其中包含以溶解形式的氯化钠的储热介质的使用提供了如下优点，即，在布置在不透水的岩层中、优选地在盐丘中的含盐岩层中的地下存储容器的情形中迅速出现溶解平衡。因此，地下存储容器由于水溶解的岩石成分、尤其盐的非期望的浸出或者溶解的改变被阻止。
25.在本发明的一种改进方案中，在缓冲存储装置中盐水可包含带有2质量百分比直至30质量百分比、优选地10质量百分比至30质量百分比、特别优选地20质量百分比直至30质量百分比的浓度的以溶解形式的氯化钠。
26.出于先前所提及的原因，带有更高浓度的氯化钠的盐水的使用是有利的，从而迅速地出现在盐水与形成地下存储容器的岩石之间的溶解平衡。另外，带有更高盐浓度的盐水的使用是有利的，因为因此储热容量提升且储热能力相比水被提高。
27.最大地，盐水浓度可被提高直至达到氯化钠在水中的溶解。氯化钠在水中的溶解性仅较少取决于温度且例如在20
°
c的温度的情形中为359 g/l的盐溶液。这与在20
°
c的情形中26.4质量百分比的最大的质量份额或者最大的质量浓度相符。
28.如下可能是有利的，在根据本发明的缓冲存储装置的情形中盐水包含以溶解形式的氯化钾。
29.先前所提及的优点相同地适用于包含氯化钠、氯化钾或必要时带有另外的溶解盐的两种盐的混合物的盐水。
30.在本发明的一种改进方案中，在缓冲存储装置中盐水可包含带有2质量百分比直至30质量百分比、优选地10质量百分比直至30质量百分比、特别优选地20质量百分比直至30质量百分比的浓度的以溶解形式的氯化钾。
31.盐水的浓度最大可被提高直至达到氯化钾在水中的溶解性。氯化钠在水中的溶解性仅较少取决于温度且例如在20
°
c温度的情形中为347 g/l的盐溶液。
32.特别适宜地，在根据本发明的一种缓冲存储装置的情形中初级循环的第一载热介质可从如下组中被选出：水、酒精
‑
水溶液、盐
‑
水溶液、热油。
33.有利地，在本发明的范畴中，按照任务分配以及取决于待缓冲的余热的温度水平，最不同的介质可被用作第一载热介质。载热介质理想地应满足如下要求：其应具有较高的比热容或者较大的比熔化焓、较大的热传递系数、较高的导热能力、尽可能低的冻结点或凝固点、足够高的沸点以及尽可能低的粘性。有利地，载热介质不是可燃或爆炸的且是无毒的。
34.由于其非常高的大约4.2 kj/kg k的比热容或者其大约2000 kj/kg的较高的比汽化焓，水是非常良好的载热介质。
35.由水和酒精构成的载热体有利地不是或几乎不是腐蚀性的。
36.盐
‑
水溶液(盐水)同样可被使用在食品技术中。盐
‑
水溶液的粘性较低。
37.热油被用于在封闭循环中油冷和加热工业设施和过程。其按照其化学成分可具有不同特性。其可被划分成低粘性、可易燃的带有较低凝固点和沸点的油和高粘性、不易燃的带有较高凝固点和沸点的油。例如，矿物油、合成油(例如硅胶油)、芳香烃(例如dp/dpo)或生物油(例如柠檬烯)属于热油的组。
38.在本发明的另一适宜的实施方案中，在缓冲存储装置中次级循环的第二载热介质可从如下组中被选出：水、酒精、水溶液、氨、二氧化碳、碳氢化合物、卤化碳氢化合物。
39.按照任务分配，不同的介质可被用作第二载热介质。如果需要，冷却剂或制冷剂同样可被用作第二载热介质。氨、二氧化碳和水、但是还有碳氢化合物和空气相对卤化碳氢化合物也被称作天然的制冷剂，因为这些物质在自然中存在。制冷剂将焓(即热能)由待冷却的对象输送至周围环境。相对冷却剂的区别是，制冷剂可在制冷循环中这沿着温度梯度进行，从而使得环境温度甚至可高于待冷却的对象的温度，而冷却剂仅可在冷却循环中将焓逆着温度梯度被输送至较低温度的位置。
40.氨是一种传统的气候中性的制冷剂，其主要在大型工业设施中得到使用。
41.二氧化碳具有非常大的体积冷却能力，循环的制冷剂体积因此相对较小。二氧化碳同样具有如下优点，即，不可被点燃，且不有助于臭氧消耗。
42.另外，有机的制冷剂如例如二氯二氟甲烷(r
‑
12; freon
‑
12
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)同样可被用作载热介质。在其中至少一个氢原子通过卤素氟、氯、溴或碘中的其中一种替代的碳氢化合物被称作卤化碳氢化合物或卤化的碳氢化合物。卤化碳氢化合物由于其特性突出地适合作为制冷剂。然而应注意如下，即，其由于其对环境有害的特性仅可被使用在封闭的循环设施中。
43.上述任务同样利用一种带有权利要求10的特征的用于将余热缓存在储热介质中的方法来解决。
44.从属的方法权利要求涉及本发明的另外的有利的设计方案。
45.用于将余热缓存在储热介质中的根据本发明的方法的特征在于如下步骤：
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将待存储的余热输入到被填充以第一载热介质的初级循环中；
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将余热以布置在初级循环中的由第一载热介质穿流的第一热传递器传递到被填充以作为储热介质的盐水的地下存储容器处；;
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将余热暂存在地下存储容器的盐水中；
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将被暂存在盐水中的余热的至少一部分通过将余热以布置在次级循环中的由第二载热介质穿流的第二热传递器由盐水到第二载热介质处的传递按需要取出；
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将余热排出到至少一个与次级循环相联接的热负载处。
46.有利地，在根据本发明的缓冲存储方法的情形中使用带有权利要求1至9的特征的缓冲存储装置。
47.鉴于缓冲存储方法的优点参照根据本发明的缓冲存储装置的上述优点。
48.在根据本发明的缓冲存储方法的一种改进方案中如下可能是有利的，初级循环以第一热传递器以及次级循环以第二热传递器相应导热地与地下存储容器以及处在其中的盐水相联接。
49.有利地，初级循环以及次级循环与地下存储容器导热地相连接。布置在初级循环
中以及在次级循环中的相应的热传递器将余热直接传递到盐水处或者将经缓冲的余热在需要时又传递到次级循环处。
50.如下可能是特别有利的，在根据本发明的缓冲存储方法的情形中地下存储容器布置在不透水的岩层中、优选地在盐丘中的空腔中，且第一载热介质在初级循环的管道中以及第二载热介质在次级循环的管道中相应地由地表被引导直至存储容器以及被引回到地表处。
51.如先前已明确的那样，已存在的地下空腔作为存储容器的利用对于缓冲存储方法的运行而言是特别持久的。
52.适宜地，在一种根据本发明的缓冲存储方法的情形中作为盐水可使用带有每1l水至少14g溶解物质的盐的水溶液。
53.如下可能是有利的，在根据本发明的缓冲存储方法的情形中盐水包含以溶解形式的氯化钠和/或氯化钾。
54.在根据本发明的缓冲存储方法的一种改进方案中，盐水可包含带有2质量百分比直至30质量百分比、优选地10质量百分比直至30质量百分比、特别优选地20质量百分比直至30质量百分比的浓度的以溶解形式的氯化钠和/或氯化钾。
55.先前所提及的优点同样适用于包含氯化钠、氯化钾或必要时带有另外溶解的盐的两种盐的混合物的盐水。
附图说明
56.详细地在下面对附图进行描述。
57.图1以示意性的截面视图由侧面显示了根据本发明的缓冲存储装置1。
具体实施方式
58.在图1中，此处在岩层2内地下空腔3被用作地下存储容器3，作为用于储热介质的存储容器。地下存储容器3或者地下空腔3的轮廓4形成在空腔3与周围的岩石2之间的界限。存储容器3或者空腔3被填充以作为储热介质的盐水5。地下存储容器3完全处在地表6之下。初级循环10以及次级循环20在图中仅被如此程度地勾勒，即，两个循环10,20的相应的组成部分同样布置在地下。
59.在初级循环10中，预先被加载以例如来自工业运行的余热或者废热的热的第一载热介质11在初级循环10的管道r1中在箭头方向11上借助于泵p1在地下存储容器3的方向上被泵送。在其中在该处存在的余热例如借助于另外的换热器或者热传递器被输入到初级循环10中的工业运行在图1中未被图解说明。同样地，对于将余热输入到在初级循环10内的第一载热介质11中必要的器械和构件(例如恰恰另外的热传递器)未被详尽地示出，然而对于专业人士而言是充分已知的。热的第一载热介质11于是在管道r1内被泵送直至由第一载热介质穿流的初级循环10的热传递器w1。在热传递器w1中，余热被传递到在地下存储容器3中的作为储热介质的盐水5处或者被给出到其处，由此第一载热介质冷却且作为相对较冷的第一载热介质12在初级循环10中又到达到地表处。如先前已提及的那样，初级循环10以及在下面所描述的次级循环20相应地是封闭的循环，其为了简单起见在图1中在地表6的水平的区域中被切断地示出。实际上，在图1中作为箭头12以符号表示的、明显由地表6流出的冷
的第一载热介质12以及以箭头11所示出的热的第一载热介质11此外处在初级循环10的封闭的管道r1内。冷的第一载热介质12又可被加载以例如来自工业运行的余热或者废热，以便于再一次作为热的第一载热介质11用于加热在存储容器3中的盐水5。
60.有利地，存储容器3由于周围的岩石2被非常良好地热绝缘，因此在缓冲存储期间的热损失可被降低。
61.单独的次级循环20包含第二载热介质，其用于排出或者取出在存储容器3中被缓冲的热量。类似于初级循环10的结构，次级循环20同样包括泵p2、管道r2以及热传递器w2。利用箭头21以符号表示冷的第二载热介质21，其在箭头方向21上在次级循环20中在管道r2内在地下存储容器3的方向上被泵送。被缓冲的余热在热传递器w2中由经预先加热的在存储容器3内的盐水5被传递到穿流热传递器w2的冷的第二载热介质21处。通过相应的热传递，余热的至少一部分被传递到由此被加热的第二载热介质处。利用箭头22以符号表示被加热的或者热的载热介质22，其紧接着在次级循环20内向上到达到地表6处且在该处(此外处在管道r2内)所吸收的经缓冲的热量被传递到与次级循环20相联接的负载处。负载(例如建筑的建筑供暖装置)以及对于热排放而言必要的器械和设备(如例如另外的换热器)为了简单起见在图1中未被图解说明。在此，第二载热介质被相应地冷却且重新在封闭的次级循环20内可供用于作为经冷却的或者冷的第二载热介质21的热吸收。
62.附图标记列表1 缓冲存储装置2 岩石3 地下存储容器、空腔4 地下存储容器或者空腔的轮廓5 盐水6 地表10 初级循环11 初级循环的热的载热介质(箭头)12 初级循环的冷的载热介质(箭头)p1 在初级循环中的泵r1 初级循环的管道w1 初级循环的热传递器20 次级循环21 次级循环的冷的载热介质(箭头)22 次级循环的热的载热介质(箭头)p2 在次级循环中的泵r2 次级循环的管道w2 次级循环的热传递器。